Новый полимер на основе кристаллического кремния

11.10.2017

Керамический текстиль, улучшенные лопасти реактивных двигателей, трёхмерная печатная керамика и более эффективные батареи могут вскоре стать реальностью благодаря недавно запатентованному полимеру от инженеров из университета штата Канзас.

Используя пять ингредиентов – кремний, бор, углерод, азот и водород – Гурприт Сингх, Гарольд О. и Джейн К. Мэсси Нефф, доцент механической и ядерной инженерии, создали жидкий полимер, который может превращаться в керамику с отличными тепловыми, оптическими и электронными свойствами. Водяной полимер, который становится керамическим при нагревании, может получить массовое распространение.

«Этот полимер действительно работает», – сказал Сингх. «Из всех материалов, которые мы исследовали за последние пять лет, этот материал является самым многообещающим. Теперь мы можем думать о том, чтобы использовать керамику там, где вы никогда не могли себе её представить».

Инженеры разработали прозрачный полимер, который, в отличие от других кремний-содержащих и бор-содержащих полимеров, выглядит как вода и имеет такую же плотность и вязкость что и вода. «Мы создали жидкость, которая остается жидкостью при комнатной температуре и имеет более длительный срок хранения, чем другие SiBNC-полимеры», – сказал Сингх. «Но когда вы нагреваете наш полимер, он переходит от жидкого состояния к твердому. Этот прозрачная жидкость превращается в черную стеклянную керамику».

Керамика ценна тем, что выдерживает экстремальные температуры и используется для различных компонентов, включая свечи зажигания, реактивные двигатели, высокотемпературные печи или даже устройства для исследования космоса.

Как прекерамический полимер, жидкий материал обладает несколькими важными свойствами:

• Полимер имеет низкую плотность и может создавать легкую керамику вместо обычной тяжелой.
• Полимер является масштабируемым.
• Керамика, полученная из этого полимера, может выдерживать экстремальные температуры до 1700 градусов по Цельсию. Тем не менее, эта керамика имеет плотность массы в три-шесть раз ниже, чем у других сверхвысокотемпературных керамик, таких как борид циркония и карбид гафния.
• Полимер может образовывать керамические волокна. Если полимер нагревается примерно до 50-100 градусов Цельсия, он становится гелем, подобным сиропу или мёду. Во время этого состояния полимер можно вытянуть в струны или волокна для изготовления керамического текстиля или керамической сетки.
• Жидкий полимер обладает гибкостью обработки. Его можно наливать в формы и нагревать, чтобы точно изготовить сложные керамические формы.
• Поскольку полимер является жидкостью, он легко распыляется или может быть использован в качестве краски для изготовления керамических покрытий. Керамика может защитить материалы под слоем покрытия или поможет создать более эффективное оборудование, работающее в высокотемпературных средах, таких как паровые турбины или лопасти реактивных двигателей. Полимер также может использоваться для трехмерной печати керамических деталей с использованием настольного SLA-принтера.
• В сочетании с углеродными нанотрубками полимер имеет ещё больше применений. Он может создавать чёрный материал, который может поглощать весь свет, включая ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны, без повреждения. Комбинированный наноматериал может выдерживать экстремальное тепло в 15 кВт на квадратный сантиметр, что примерно в 10 раз больше, чем в соплах ракеты.
• Полимер можно использовать для получения керамики с настраиваемой электропроводностью в диапазоне от изолятора до полупроводника.
• Присутствие кремния и графеноидного углерода в керамике может улучшить электроды для литий-ионных батарей.
• Керамика, полученная из этого полимера, имеет хаотичную структуру, которая обычно не наблюдается в традиционной керамике. Кремний в керамике связывается с азотом и углеродом, но не с бором; бор с азотом, но не углеродом; а углерод с другим углеродом для образования графеноподобных струн. Эта уникальная структура обеспечивает стабильность при высокой температуре за счет задержки реакции с кислородом.

Выводы Сингха были подтверждены группой радиометрических исследований Национального института стандартов и технологий и Национальным научным фондом. Патент выдан Исследовательскому фонду Университета штата Канзас.

По информации: Университет штата Канзас