Углеродное волокно давно признано одним из самых перспективных материалов современности благодаря своей высокой прочности и малому весу. Оно легче алюминия и прочнее стали, что делает его неоценимым в авиационной промышленности, спорте и других высокотехнологичных сферах. Однако несмотря на эти преимущества, углеродные волоконные композиты имеют один слабый момент – недостаточно прочное сцепление между самими углеродными нитями и окружающей полимерной матрицей. Обычно разрушение материала происходит именно на этом интерфейсе, что ограничивает общую прочность композитов и снижает их долговечность. Исследователи из национальной лаборатории Oak Ridge (ORNL), ведомой Министерством энергетики США, сумели найти инновационный способ повысить прочностные характеристики углеродных волокон с помощью тонких слоев полиакрилонитриловых (PAN) нанофибров.
Эти нанофибры в сотни раз тоньше человеческого волоса, что позволяет направлять и перераспределять напряжения внутри композита гораздо эффективнее. Ученые применили метод молекулярной динамики, симулируя поведение порядка пяти миллионов атомов одновременно с помощью суперкомпьютера Frontier – самого мощного в мире для открытой науки. Благодаря своей вычислительной мощности и точности Frontier позволил детально проследить взаимодействия между углеродными волокнами, нанофибрами PAN и полимерной матрицей на атомном уровне, что ранее было практически невозможно из-за ограничений аппаратного обеспечения и методов моделирования. В своей работе исследователи использовали технологию электроспиннинга для создания нанофибров диаметром всего от 6 до 10 нанометров. Именно волокна диаметром около 6 нанометров показали наилучшие результаты: они равномерно выстраивались на границе раздела между слоями, значительно улучшая передачу нагрузки и повышая механическую прочность всего материала.
Благодаря такой конструкции композит смог выдерживать более высокие нагрузки, а прочностные характеристики увеличились примерно в два раза по сравнению с традиционными углеродными волокнами. Главный инженер проекта Танвир Сохаил поясняет, что ключ к успеху в том, что слой нанофибров помогает перенаправлять напряжение из углеродных нитей в окружающий полимер. Эта перераспределенная нагрузка препятствует появлению микротрещин и разрушению материала, что значительно увеличивает долговечность и надежность изделий. Помимо значительного повышения прочности, технология может привести к снижению себестоимости производства углеродных композитов. Обычно физические эксперименты требуют больших затрат времени и ресурсов, но моделирование на суперкомпьютерах позволяет предварительно отбирать оптимальные параметры и варьировать размеры нанофибров без необходимости проведения дорогостоящих лабораторных испытаний.
Использование симуляций высокого разрешения уникально – более ранние модели обычно примерно группировали атомы, чтобы облегчить вычислительные задачи, что снижало точность и не позволяло увидеть детальные взаимодействия на интерфейсе. Новая методика, напротив, учитывает каждый атом в составе композита, предоставляя глубокое понимание природы сцепления и силы волнения. Руководитель суперкомпьютерных расчетов Сварнава Гхош отмечает: «Без Frontier провести такую масштабную и детальную симуляцию было бы невозможно». Сейчас исследователи планируют расширить проект, используя искусственный интеллект для изучения еще более сложных композитных материалов с многофункциональными свойствами. Это позволит создавать не только прочные, но и «умные» материалы, способные адаптироваться к условиям эксплуатации и экономить энергоресурсы.
Применение этого открытия имеет огромный потенциал для авиационной и автомобильной промышленности, а также для производства спортивного инвентаря, электроники и даже медицинских устройств. Углеродные волокна с PAN-усилением могут значительно повысить эффективность, безопасность и долговечность конечных продуктов. Помимо лаборатории ORNL, данный проект привлек внимание многих исследовательских центров и промышленных компаний, сталкивающихся с ограничениями традиционных углеводородных композитов. Развитие технологий электроспиннинга и суперкомпьютерного моделирования открывает новые горизонты для материаловедения и инженерии. Полученные результаты демонстрируют, что сочетание фундаментальной науки и передовых вычислительных ресурсов помогает создавать прогрессивные решения в производстве материалов будущего.
Таким образом, секрет усиления углеродного волокна кроется в создании ультратонких полиакрилонитриловых нанофибров, которые внедряются на границе раздела с полимерной матрицей, что кардинально меняет характер передачи нагрузки и повышает прочностные характеристики композита. Это научное достижение станет основой для разработки новых легких и сверхпрочных материалов, которые будут востребованы во многих отраслях промышленности и способствовать развитию современных технологий. Oak Ridge National Laboratory продолжает оставаться впереди мировых исследований, объединяя науку, инновации и суперкомпьютерные технологии для решения насущных инженерных задач и создания материалов с уникальными свойствами.
