Углеродные нанотрубки с борными нанобугорками.

Исследовались различные способы улучшения прочности композита. Один из них — нанесение на нанотрубки металлических или оксидных покрытий — улучшает связь только с внешним слоем многостенных нанотрубок, в то время как взаимодействие между внутренними слоями по-прежнему определяется слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Под влиянием растягивающего напряжения целостность многостенных нанотрубок с покрытиями нарушается: внешний слой снимается, как футляр, поэтому нужно обеспечить связь с матрицей и внутренних слоев.

Для решения этой задачи было предложено использовать твердофазную реакцию между углеродными нанотрубками и бором, в результате которой на поверхности трубок образуются нанобугорки из карбида бора (B_xC), прочно связывающие не только трубки с матрицей, но и внутренние слои нанотрубок. Выяснилось также, что изолированные нанобугорки предпочтительнее сплошного покрытия.

Карбид бора — соединение с ковалентным типом связи — по твердости уступает только алмазу и нитриду бора, к тому же обладает отличными механическими, термическими и электрическими свойствами.

Реакция между бором и углеродной нанотрубкой четко локализована, поэтому основная структура многостенной нанотрубки остается неизменной. Поверхностной диффузии бора нет, граница между нанобугорками и углеродными нанотрубками резкая. Поскольку химическая связь между ними, по-видимому, тоже ковалентная, она предотвращает разрыв по границе раздела фаз при нагрузке.

В эксперименте многостенные углеродные нанотрубки получали методом химического осаждения паров. В качестве источника бора использовали MgB₂. Обычно бор реагирует с углеродом при температуре выше 1300°С, но при разложении порошка MgB₂ (~600°С) образуется химически активный бор, взаимодействующий с углеродной нанотрубкой при более низких температурах. Нанотрубки осторожно перемешивали с порошком MgB₂, заворачивали в танталовую фольгу и подвергали термообработке в вакуумной печи при 1100-1150°С в течение 2 ч. В итоге появлялись борные нанобугорки средним размером около 80 нм (в 2-3 раза больше диаметра нанотрубок), расстояния между ними варьировали от 30 до 500 нм (см. фото).

Углеродные нанотрубки до (слева) и после (справа) образования бугорков.

Можно ожидать, что многостенные углеродные нанотрубки с нанобугорками из карбида бора будут идеальными упрочняющими наполнителями. К сожалению, таких трубок получили пока недостаточно для исследования их механических свойств, но это станет возможным после оптимизации процесса синтеза.