Прагматический взгляд на углерод в качестве токопроводящего материала

Авторы и источники / Правообладателям

Аллотропные структуры углерода низкой плотности, также как графен и углеродные нанотрубки, привлекают внимание специалистов, как из научных, так и из промышленных кругов в качестве перспективного материала для развития технологий будущего. Предполагаемые и/или уже разрабатываемые области применения этих материалов включают: композитные конструкции для авиации, прозрачные проводники для бытовой электроники, антенны, биохимические датчики, суперконденсаторы, исполнительные механизмы («искусственные мускулы») и баллистическая защита.

Группа специалистов, занимающихся передовыми разработками, (Advanced Development Group) подразделения авиационно-космической, оборонной и морской техники (Aerospace, Defense and Marine Division) компании TE Connectivity проводят исследования наноматериалов с точки зрения трёх областей применения: электропроводящие композитные конструкции, химические датчики и кабельные изделия.

Основным стимулом применения материалов на основе углеродных нанотрубок в кабельном производстве является сокращение массы кабельного изделия. Например, масса коаксиального кабеля типа RG-58 стандартной конструкции равна 38,8 г/м. Заменив внешний проводник в виде оплётки из медных проволок обмоткой из углеродных нанотрубок, можно уменьшить массу до 11,5 г/м. Если заменить и медную оплётку, и центральный проводник лентой и нитями из углеродных нанотрубок, соответственно, можно сократить массу до 7,3 г/м – экономия в этом случае достигает 80%. В пересчёте на общую массу самолёта это означает уменьшение веса на сотни фунтов.

Например, в истребителе-бомбардировщике F-35 имеется приблизительно 24,14 км кабеля на каждый реактивный двигатель. Внедрение материалов на основе углеродных нанотрубок даст сокращение массы порядка 535,24 кг .

Специалисты компании TE Connectivity провели испытания материалов на основе углеродных нанотрубок, выпускаемых различными производителями, на эффективность экранирования от электромагнитных помех. Испытания проводились при высокой частоте (от 1 до 8 ГГц) в соответствии с несколько адаптированной процедурой, предусмотренной стандартом ASTM D4935, на материалах различной формы (листы, нити, ленты, волокна, порошок). Наноматериалы продемонстрировали высокий уровень экранирования на высоких частотах.

Например, два слоя материала компании Nanocomp Nechnologies, Inc. обеспечивают приблизительно такую же эффективность экранирования, как и традиционная металлическая оплётка. Однако углеродные нанотрубчатые материалы обладают более высоким удельным сопротивлением, чем металл, это означает, что их степень экранирования при низких частотах не является приемлемой. Они также не обеспечивают достаточную защиту от удара молнии. Логичным применением углеродных нанотрубок для экранирования можно считать замену только одного металлического слоя в кабельных конструкциях с двойной оплёткой и использование металла для низкой частоты, а углеродные нанотрубки для высокой частоты.

Испытания на вносимые потери проводились на опытных образцах стандартных коаксиальных кабелей RG-316, кабелях с использованием углеродных нанотрубок, кабелях для передачи данных на основе витых пар, стандартных кабелях с медными жилами, кабелях с использованием материалов на основе углеродных нанотрубок. 

Проведённые эксперименты с доступными для приобретения материалами на основе углеродных нанотрубок, выпускаемыми различными компаниями в различной форме, а также с опытными образцами кабелей показали, что основным ограничением этих современных материалов является их поведение при низких частотах. В то время как электропроводность однослойных нанотрубок намного превышает электропроводность меди, это свойство, наблюдаемое в одной нанотрубке или пластинке графена, быстро снижается при агломерации в макроскопическую структуру.  Проводимость выпускаемых в настоящее время нитей и лент, выполненных из одно- и двухстенных углеродных нанотрубок снижается на несколько порядков величины.

Что касается опасности для здоровья и окружающей среды, то, как показали результаты тестов на мышах, основной проблемой использования несвязанных материалов на основе углеродных нанотрубок представляется опасность вдыхания. Эффекты длительного воздействия этих материалов в макроскопических форматах (например, нетканые ленты или пряжа) пока ещё не были изучены в достаточной мере.

Предполагается, что наноматериалы, в том числе углеродные нанотрубки, заключённые в сплошную матрицу, или расположенные под покрытием, являются связанными и не представляют опасности. Таким образом, самый большой риск существует в процессе производства лент или нитей и изготовлении из них готовых изделий. В связи с этим необходимы специальные меры предосторожности и строгий контроль уровня микрочастиц, образующихся при наложении оплётки, скрутке, экструзии и монтаже.

Основные выводы, сделанные в результате проведенных экспериментов:

• Области применения имеющихся на современном рынке материалов на основе углеродных нанотрубок в настоящее время ограничиваются высокочастотным экранированием и кабелями для передачи данных при низких и средних скоростях.
• Потери на затухание в коаксиальных кабелях были высокими при внутреннем проводнике, выполненном из этих материалов.
• Изготовление конструкций кабелей для высокоскоростной передачи данных и силовых кабелей с использованием имеющихся на рынке материалов на основе углеродных нанотрубок пока не представляется возможным.

Для того, чтобы перейти от экспериментов с образцами кабелей к следующим этапам необходимо:

• добиться повышения электропроводимости имеющихся на рынке материалов;
• найти способы интеграции новой технологии в существующую производственную   инфраструктуру во избежание расходов на переоборудование;
• изучить и получить чёткое представление о воздействии этих материалов на окружающую среду, здоровье и безопасность людей;
• выработать квалифицированные меры контроля и снижения до минимума риска отрицательного воздействия этих материалов в процессе производства.

Статья Carbon as Conductor: A Pragmatic View (pdf, eng). Автор: Стефани Харви, Ph.D.