Углеродные нановолокна

Углеродные нановолокна (УНВ) представляют собой цилиндрические или волокнистые структуры с диаметром в диапазоне от 10 до 500 нанометров и длиной от нескольких микрометров до миллиметров. Основу УНВ составляет графитоподобная структура, где углеродные атомы образуют слоистые решётки, ориентированные вдоль оси волокна. Отличительной особенностью нановолокон является высокая удельная поверхность, значительная механическая прочность и термическая стабильность.

Классификация УНВ осуществляется по нескольким критериям:

• Форма и морфология: прямые, спиральные, плетёные, смешанные.
• Структура графита: цилиндрические (CNT-подобные), волокнистые с аморфной оболочкой, многослойные с чередованием аморфных и кристаллических участков.
• Метод синтеза: химическое осаждение из газовой фазы (CVD), пиролиз органических прекурсоров, электроспиннинг, плазменные методы.

Методы синтеза

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) является наиболее распространённым методом. Процесс заключается в термическом разложении углеводородных газов (метан, этан, ацетилен) на поверхности катализаторов (Fe, Co, Ni) при температурах 500–900 °C. Формирование нановолокон происходит через рост графитовых слоёв на наночастицах катализатора, которые служат ядрами кристаллизации.

Электроспиннинг позволяет получать нановолокна из полимерных растворов с последующей термической обработкой для карбонизации. Этот метод обеспечивает контроль над диаметром волокон и их ориентацией, что важно для материалов с заданными механическими и электропроводными свойствами.

Плазменные и пиролизные методы обеспечивают быстрый рост УНВ с высокой степенью дефектности, что увеличивает их реакционную способность. Использование плазмы позволяет контролировать химическую активность поверхности и создавать функционализированные волокна без последующей химической обработки.

Структурные особенности и свойства

Углеродные нановолокна демонстрируют уникальные физико-химические свойства:

• Механическая прочность: высокая модуль упругости вдоль оси волокна (0,5–1 ТПа), прочность на разрыв до 10 ГПа.
• Электропроводность: зависит от ориентации графитовых слоёв; многослойные УНВ проявляют проводимость до 10^4 С/см.
• Термическая стабильность: сопротивление окислению до 600–700 °C в воздухе, выше в инертных атмосферах.
• Химическая активность: дефектные участки и аморфные слои обеспечивают высокую адсорбционную способность и возможность химической функционализации.

Функционализация и модификация поверхности

Функционализация УНВ необходима для улучшения совместимости с полимерными матрицами, повышения адсорбционной способности и каталитической активности. Основные методы:

• Кислотная обработка: формирование карбоксильных, гидроксильных и эпоксидных групп на поверхности, повышение гидрофильности.
• Плазменная обработка: создание активных центров без разрушения основной структуры волокна.
• Гетерофункциональные модификации: введение атомов азота, бора или металлов для улучшения каталитических и электронных свойств.

Применение

Углеродные нановолокна находят широкое применение в различных областях:

• Композитные материалы: армирование полимеров, металлов и керамики для повышения прочности, жёсткости и ударной вязкости.
• Энергетика: производство электродов для суперконденсаторов, топливных элементов, аккумуляторов с высокой плотностью энергии.
• Катализ и адсорбция: поддержка для нанокатализаторов, фильтры для очистки газов и жидкостей.
• Электроника: создание сенсоров, прозрачных проводящих пленок, микро- и наноустройств.
• Медицина: носители лекарственных веществ, элементы биосенсоров, системы для целевой доставки молекул.

Перспективы развития

Разработка методов контроля морфологии и дефектности УНВ, а также их химической функционализации, открывает возможности создания материалов с заранее заданными свойствами. Современные исследования направлены на интеграцию нановолокон в многофункциональные композиты, использование их в энергетике будущего и биомедицинских приложениях. Особое внимание уделяется экологически безопасным методам синтеза и переработки, а также масштабированию производства с сохранением уникальных наноструктурных характеристик.