MATERIAŁY WĘGLOWE

Do materiałów węglowych zaliczamy:

1. włókna węglowe

2. nanorurki

3. fulereny

1. Włókna węglowe

Produkowane najczęściej z włókien poliakrylonitrylowych (PAN) lub innych polimerów organicznych.

Poprzez uzyskanie odpowiedniego stopnia grafityzacji, można regulować moduł Yanga i wytrzymałość na rozciąganie.

Włókna węglowe dzielmy na:

1. właściwie włókna węglowe

zawierające 80-98% węgla, o słabo rozwiniętej grafitowa strukturze,

włókna węglowe z poliakrylonitrylu mają moduł Younga E ok. 90 GPa, a wytrzymałość na rozciąganie Rr ok. 900 MPa

2. włókna grafitowe

zawierają ok. 99% węgla z dobrze wykształconą i zorientowaną grafitową strukturą krystaliczną; włókno grafitowe z poliakrylonitrylu mają moduł E ok. 420 GPa, wytrzymałość Rr ok. 2500 MPa.

Włókna węglowe charakteryzują się:

• wysoką wytrzymałością do 1,8GPa

• małą gęstością

• odpornością na czynniki chemiczne

• odpornością na wysoką temperaturę (w obojętnej atmosferze).

Stosowane pod postacią tkanin lub rovingu najczęściej jako:

• materiał konstrukcyjny w laminatach,

• wzmocnienie żagli jachtowych oraz namiotowych

Ich wysoce zorganizowana struktura nadaje im dużą wytrzymałość mechaniczną, a fakt, że składają się prawie wyłącznie z grafitu, powoduje, że są one nietopliwe i odporne chemicznie.

2. Nanorurki

Nanorurki węglowe są zbudowanymi z węgla strukturami, mającymi postać walców ze zwiniętego grafenu.

Otrzymywane w łuku węglowym lub za pomocą pirolizy. Znajdują się także w sadzy z płomienia świecy.

Charakteryzują się następującymi własnościami:

• najcieńsze mają średnicę rzędu jednego nanometra,

• długość może być miliony razy większa,

• niezwykłą wytrzymałością na rozrywanie,

• znakomitymi przewodnością ciepła,

• unikalnymi własności elektrycznymi.

Są badane jako materiały do zastosowań:

• w nanotechnologii,

• elektronice,

• optyce,

• badaniach materiałowych.

Z punktu widzenia chemii kwantowej, nanorurki zbudowane są wyłącznie z wiązań sp². Wiązania te są mocniejsze od wiązań sp³ tworzących diament, co pozwala nanorurkom uzyskiwać większą wytrzymałość. Nanorurki samoczynnie zlepiają się w włókna za pomocą oddziaływań Van der Waalsa. Pod dużym ciśnieniem można przekształcić część wiązań sp² w sp³, tworząc z nich niezwykle wytrzymałe materiały takie jak ADNR.

Rodzaje nanorurek węglowych

• Nanorurki jednowarstwowe (SWNT) - zbudowane z jednej warstwy atomów, zwiniętej w rurkę o średnicy rzędu nanometra.

Wykazują bardzo przydatne własności elektryczne. Można za ich pomocą konstruować przewody o minimalnym oporze jak i bramki logiczne. Obecnie ich wytwarzanie jest jednak bardzo skomplikowane i drogie, i przyszłość ich zastosowań zależy głównie od opracowania efektywniejszych metod produkcji. Znane są też metody uzyskiwania takich nanorurek o długości rzędu centymetrów.

• Nanorurki wielowarstwowe (MWNT) - zbudowane z wielu warstw atomów, ułożonych w odstępach podobnie jak w graficie. Ich własności zależą od liczby warstw. Nanorurki dwuwarstwowe (DWNT) są szczególnie interesujące ponieważ zachowują przydatne własności jednowarstwowych, a jednocześnie są od nich znacznie odporniejsze chemicznie. Jest to szczególnie istotne przy modyfikowaniu własności nanorurek przez zrywanie niektórych wiązań pomiędzy atomami węgla - w przypadku DWNT modyfikowana jest wtedy jedynie zewnętrzna warstwa.

• Nanotorusy - nanorurki zwinięte w kształt torusa. Nanotorusy są badane ze względu na zaskakujące własności magnetyczne.

Własności:

Mechaniczne

Nanorurki są jednymi z najwytrzymalszych i najsztywniejszych znanych materiałów. Wytrzymałość na rozciąganie nanorurek wielowarstwowych sięga 63 GPa. Dla porównania, hartowana stal osiąga wytrzymałość rzędu 1,2 GPa. W połączeniu z niewielką gęstością rzędu 1,3-1,4 g/cm³, daje to najlepszy rezultat spośród znanych ludzkości materiałów.

Nanorurki nie są natomiast wytrzymałe na zgniatanie. Z powodu elastyczności i pustej struktury łatwo wyginają się i odkształcają pod wpływem sił ściskających lub zginających.

Kinetyczne

W nanorurkach wielowarstwowych, wewnętrze warstwy mogą ślizgać się prawie bez tarcia wewnątrz zewnętrznych, tworząc idealne atomowe łożyska. Własności te wykorzystano do konstrukcji pierwszych prostych molekularnych mechanizmów: nanorotorów i nanopotencjometrów.

Elektryczne

W zależności od ułożenia linii wiązań wzdłuż albo w poprzek nanorurki, nanorurki mogą być dobrymi przewodnikami lub półprzewodnikami. W teorii nanorurki mogą przewodzić prąd o 1000-krotnie większym natężeniu niż przewody metalowe o analogicznej masie.

Termiczne

Wszystkie nanorurki znakomicie przewodzą ciepło wzdłuż swojej struktury (dzięki przewodnictwu balistycznemu), natomiast bardzo słabo przewodzą ciepło w poprzek. Przewiduje się że nanorurki węglowe mogą przewodzić do 6000 W/m•K w temperaturze pokojowej. Dla porównania miedź, uznawana za znakomity przewodnik ciepła przewodzi 385 W/m•K. Nanorurki wytrzymują temperatury do 2800 stopni w próżni i do około 750 stopni w powietrzu.

Zastosowania

Propozycja połączenia dwóch nanorurek o różnych własnościach elektrycznych tak aby utworzyć diodę.

Ze względu na swoją wytrzymałość i elastyczność, nanorurki węglowe są dobrymi kandydatami zarówno na elementy planowanych nanomaszyn i metameteriałów jak i do zastosowań w dużej skali.

Konstrukcje

Choć włóka utworzone z nanorurek mogą nie mieć aż tak dobrych parametrów jak pojedyncze nanorurki, wciąż mogą znacznie przewyższać współcześnie używane materiały. Obecnie pierwsze takie materiały zostały już wytworzone. Na Tour de France 2006 Floyd Landis korzystał z roweru którego konstrukcję wzmocniono nanorurkami. Pozwoliło to zmniejszyć masę ramy roweru do jednego kilograma. Materiały tego typu potencjalnie mogą znaleźć wiele zastosowań w przyszłej inżynierii.

W badaniach w 2006 roku znaleziono nanorurki w stali damasceńskiej, co mogłoby tłumaczyć jej legendarną twardość.

Jednym z najbardziej ambitnych projektów jest użycie nanorurek do konstrukcji windy kosmicznej. Wymaga to jednak znacznego postępu zarówno w ilości jak i jakości wytwarzanych materiałów z nanorurek.

Układy elektroniczne

Nanorurki mogą stać się podstawą przyszłych układów elektronicznych. Przy ich pomocy stworzono już tranzystory mogące działać w temperaturze pokojowej i przełączać się przy użyciu pojedynczego elektronu.

Jedną z głównych przeszkód przed budowaniem większych układów był brak technologii do tworzenia nanorurek w wystarczających ilościach. W 2001 roku IBM zademonstrował metodę wytwarzania tranzystorów na masową skalę, w procesie nazwanym "konstruktywną destrukcją". Metoda ta umożliwiła stworzenie układu zawierającego ponad miliard właściwie ułożonych złącz z nanorurek. Niewłaściwe łącza można było usunąć korzystając ze standardowej litografii. W 2004 roku uzyskano pierwszy układ pamięci oparty o nanorurki.

Fuleryty - materiały uzyskiwane przez sprasowanie nanorurek w wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Uzyskany w ten sposób materiał może przewyższać twardością diament.

Jednocześnie nie ma struktury krystalicznej i dzięki temu nie jest kruchy.

Typy fulerytów

Polimeryzowane nanorurki węglowe (P-SWNT) są klasą fulerytów o twardości porównywalnej z diamentem. W przeciwieństwie do diamentu nie mają jednak struktury krystalicznej, która umożliwia uzyskanie gładkich płaszczyzn cięcia. Dzięki temu są również mniej kruche, ponieważ wszelkie siły rozkładają się w nich równomiernie po całej objętości. Stanowią materiał lżejszy i wytrzymalszy od stali, jednak ich zastosowanie na masową skalę jest obecnie niemożliwe ze względu na bardzo wysokie koszty ich uzyskiwania.

Polimeryzacja niektórych typów fulerenów pozwala uzyskać tzw. ultratwarde fuleryty, przewyższające twardością diament. Obecnie najtwardszym ze znanych materiałów tego typu jest ADNR. Ultratwarde fuleryty mogą zarysować diament. Zmierzona przy ich pomocy twardość diamentu wynosi 167±6 gigapaskali (twardość materiału można zmierzyć wyłącznie przy pomocy twardszego materiału).

ADNR (Aggregated diamond nanorods, ang. zagregowane nanopręty diamentowe) - alotropowa odmiana węgla, najtwardszy i najmniej ściśliwy materiał znany obecnie ludzkości.

Współczynnik ściśliwości ADNR wynosi 491 GPa, podczas gdy dla diamentu wynosi on 442 GPa. ADNR jest o 0.3% gęstszy od diamentu i twardszy zarówno od diamentu jak i fulerytu.

Materiał po raz pierwszy wytworzono w 2005 roku na Uniwersytecie w Bayreuth przez sprasowanie fulerenów w prasie diamentowej pod ciśnieniem 20 GPa w temperaturze 2500 kelwinów. Powstała struktura składała się z pozczepianych diamentowych prętów o średnicy 5-20 nanometrów i długości rzędu 1 mikrometra.

3. FULERENY

Fulereny

Fulereny (fullereny) - związki chemiczne składające się z kilkudziesięciu, kilkuset a nawet ponad tysiąca atomów węgla, tworzące zamkniętą, regularną, pustą w środku kulę, elipsoidę lub rurkę. Własności chemiczne fulerenów są zbliżone pod wieloma względami do węglowodorów aromatycznych. Fulereny są odmianą alotropową węgla. Bardzo łatwo sublimują.

Budowa fulerenów

Kulisty C₆₀

Elipsoidalny C₇₀

Kryształy fulerenu C₆₀

Powierzchnia fulerenów składa się z układu sprzężonych pierścieni składających się z pięciu i sześciu atomów węgla. Najpopularniejszy fuleren, zawierający 60 atomów węgla (tzw. C₆₀) ma kształt dwudziestościanu ściętego, czyli wygląda dokładnie tak jak piłka futbolowa. C₇₀, natomiast, posiada dodatkowy pierścień atomów węgla.

Właściwości

Fulereny są czarnymi ciałami stałymi o metalicznym połysku. Posiadają własności nadprzewodzące i półprzewodnikowe. Ich unikalną własnością jest możliwość zamykania w ich wnętrzu cząsteczek.

Fulereny należą do związków trudno rozpuszczalnych. Nie rozpuszczają się w polarnych rozpuszczalnikach praktycznie wcale. Najlepiej (choć też nie za dobrze) rozpuszczają się w rozpuszczalnikach aromatycznych, takich jak benzen lub toluen. Tworzą się wtedy kolorowe roztwory. Roztwór C₆₀ w benzenie ma barwę rubinową, zaś C₇₀ - zieloną.

Można je funkcjonalizować na powierzchni i łączyć razem, otrzymując układy katalityczne o bardzo rozwiniętej powierzchni. Można zamykać wewnątrz fulerenów atomy pierwiastków. Dotychczas udało się zamknąć praktycznie wszystkie pierwiastki z układu okresowego. Można także umieszczać wewnątrz nich odpowiednio małe cząsteczki innych związków chemicznych.

Modyfikowane fulereny dzieli się na:

• fulereny modyfikowane powierzchniowo - do których powierzchni są przyłączone rozmaite grupy funkcyjne np.: po przyłączeniu grupy hydroksylowej otrzymuje się fulerenole

• egzohedralne - mająca jeden lub więcej atomów węgla w cząsteczce zastąpione przez inne atomy np. azotu

• endohedralne - zawierająca wewnątrz swej "klatki" inne atomy lub cząsteczki.

Występowanie i otrzymywanie

Fulereny występują w niewielkich ilościach w sadzy węglowej oraz w przestrzeni kosmicznej w otoczeniu wygasłych gwiazd, odkryto także obecność pewnej ilości fulerenów w niektórych skałach. Przykładem jest szungit w Rosji. Czasami też powstaje po uderzeniu pioruna w drzewo iglaste.

Fulereny otrzymuje się poprzez bombardowanie promieniem laserowym obracającej się tarczy grafitowej w atmosferze helu (10 atm). Ciśnienie i temperatura gazu odgrywają w tym procesie znaczącą rolę. Obecnie najbardziej popularną i wydajną metodą otrzymywania fulerenów jest metoda płomieniowa. Polega ona na spalaniu substancji organicznych (najczęściej jest to toluen). Dzięki tej metodzie produkcja fulerenów na świecie wynosi obecnie kilkanaście ton. W wyniku tego procesu otrzymuje się tzw. sadzę fulerenową, będącą mieszanką wielu fulerenów. W celu oczyszczenia i rozdzielenia stosuje się wieloetapową ekstrakcję, najczęściej z benzenu oraz toluenu, zwykle poprzez HPLC.

1

7

Materiałoznawstwo - materiały węglowe

Jan Wrona

---