Ценосферы — побочный продукт сжигания угля на ТЭЦ. Это сферы из алюмосиликатов диаметром около 100 микрон (примерно с человеческий волос), заполненные оксидами углерода и азота. Мировой объем ценосфер — порядка 700 миллионов тонн. Раньше считалось, что это отходы, но в последнее время им начали находить всё больше применений. Например, использовать в качестве цементных добавок, чтобы устранить пустоты и сделать материал легче. Ученые из ИХКГ СО РАН и ИТ СО РАН создают на основе ценосфер умный композит.
a — фотография полых алюмосиликатных ценосфер; b — оптическое изображение ценосфер после промывки; c — изображение ценосфер с помощью сканирующего электронного микроскопа
«Коллеги из Уфимского государственного нефтяного технического университета теоретически предсказали эффект с увеличением диэлектрической проницаемости композита на основе ценосфер золы и искали, кто поможет воплотить его в жизнь. Мы умеем применять метод электронного напыления покрытия и правильно подготавливать нужный эксперимент. Поэтому нам прислали ценосферы, чтобы можно было проверить всё на практике. Коллеги предположили, что если мы будем сжимать обработанные медью ценосферы в масле, то диэлектрическая проницаемость будет увеличиваться. Однако в итоге мы наблюдали немного другой эффект», — рассказывает младший научный сотрудник лаборатории быстропротекающих процессов Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН аспирант Новосибирского государственного университета Заур Наилевич Нуриахметов.
Алюмосиликаты, из которых состоят ценосферы, — это керамика, то есть диэлектрик. При покрытии медью на материал переносятся свойства металла. Ученые нанесли на ценосферы медное покрытие с помощью метода магнетронного распыления — это способ физического осаждения. Он основан на использовании мишени, которая представляет собой чистый металл. При зажигании газового разряда из меди выбиваются ионы, которые затем перемещаются к целевой подложке и осаждаются на ней, образуя нужное покрытие. В экспериментах использовались напыления различной толщины — 10 нм и 150 нм.
Сферы, покрытые медью, смешали с трансформаторным маслом в таком соотношении, чтобы оно заполняло только промежутки между ними. Получившийся композит сначала сжимали гидравлическим прессом, из-за чего излишек масла стал удаляться, а ценосферы выстроились в проводящую цепочку. При этом сопротивление уменьшалось, а проводимость увеличивалась.
«Пресс воздействует анизотропно. Это значит, что свойства материала изменяются в разных направлениях. Такое влияние проявляется в тех случаях, когда мы работаем с образцом, имеющим значительный слой меди с высокой электропроводностью. При этом сопротивление этого образца практически не зависит от уровня сжатия. Это наблюдение подтверждает, что в образце достигнута предельная концентрация сфер, способных эффективно проводить электричество», — отметил Заур Нуриахметов.
При небольшом сжатии излишек масла начинает вытекать, и в этом процессе таблетка образца становится проводящей. В случае с покрытием в 150 нм необходимости в дополнительном прессовании нет. Это открывает возможности для управления свойствами композита, зависящими от толщины покрытия. При изменении давления можно варьировать толщину этого слоя, что делает композит умным, — он способен распознавать порог давления, при котором ему следует переключить свои проводящие свойства.
Дальше ученые вместо давления прессом поместили композит в газовую ячейку и начали накачивать избыточное давление. Постановка эксперимента была реализована таким образом, что в ячейке оставался зазор. Газ (аргон) не давил верхний электрод, а через масло давление передавалось на сферы изотропно, то есть они сжимались не с одной стороны, а равномерно за счет масла. При давлении в 40 атмосфер сопротивление становилось на шесть порядков меньше, то есть резко увеличивалась проводимость.
Сканирующие электронные микроскопические изображения образцов (толщины стенок) после магнетронного распыления в течение 3 часов (а) и 30 часов (b)
Исследователи пока не могут точно объяснить механизм переключения электропроводности, поэтому сейчас они разрабатывают новую установку для более детального изучения этого явления. Наиболее вероятная гипотеза заключается в том, что при увеличении внешнего давления аргона возрастает и количество газа, растворенного в масле. В результате сферы частично поднимаются на поверхность и формируют проводящие цепочки, что может влиять на электрические свойства системы.
Умный композит можно применять в строительстве в качестве сенсора. Для этого капсулу с материалом помещают внутрь, например, опоры моста, где она будет находиться под постоянным воздействием внешнего давления. Как только давление достигает предельного значения, происходит переключение проводимости и датчик срабатывает, передавая информацию о возможной проблеме, такой как угроза обрушения. Если необходимо контролировать проводимость в зависимости от колебаний давления, изначально материал должен быть диэлектриком, чтобы минимизировать влияние электростатических зарядов. Это делает его идеальным для применения, например, в бурении, где важнее всего контролируемые условия и безопасность.
«В ближайшем будущем мы намерены объединить два метода: анизотропное сжатие с помощью пресса и сжатие газом. Это сочетание имеет особое значение, поскольку в текущем датчике давление не всегда распределено равномерно. В случае газа он может сжиматься сильнее с одной стороны и слабее с другой. Мы хотим устранить эту неравномерность и достичь более точных результатов», — подытожил Заур Нуриахметов.
Ирина Баранова
Изображения предоставлены исследователем и из открытых источников (анонс)
