Нанотрубки как защита от военного лазера 27.04.2013

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) и университета Канзаса (Kansas State University) продемонстрировали новый аэрозольный состав на основе смеси углеродных нанотрубок и специальной керамики, покрытие которым позволяет эффективно поглощать свет лазеров, в том числе и боевых. Такие покрытия, которые способны поглощать большую часть энергии луча лазера не разрушаясь при этом и не позволяя разрушаться защищаемому ими предмету, являются не только эффективным средством защиты от боевых лазеров, они также используются для защиты датчиков, измеряющих энергию излучения лазеров, используемых военными для дистанционного подрыва неразорвавшихся боеприпасов и взрывных устройств.

Основой нового аэрозольного материала является материал, разработанный исследователями NIST для защиты датчиков оптической энергии, которые уже сейчас используются в различных отраслях промышленности. "У нас получился просто замечательный новый защитный материал" - рассказывает Джон Леман (John Lehman), исследователь из института NIST, - "Он совмещает все положительные оптические, тепловые и электрические свойства углеродных нанотрубок с надежностью и прочностью высокотемпературной керамики".

Новый аэрозольный материал состоит из многостенных углеродных нанотрубок, нескольких нанотрубок различного диаметра, находящихся внутри друг друга, и керамического материала, состоящего из кремния, бора, углерода и азота. Присутствие бора в составе керамики позволяет поднять температуру, при которой этот материал начинает плавиться и ломаться.

Для получения нового состава ученые смешали нанотрубки с толуолом, жидким органическим материалом, затем в эту смесь капле за каплей при постоянном перемешивании добавляют полимерный материал, разогретый до температуры 1100 градусов по Цельсию, в котором содержится бор и другие вещества, необходимые для получения высокотемпературной керамики. Полученный состав нагревается до высокой температуры, растворитель испаряется, а полученный осадок перемалывают в тончайший порошок, который снова смешивается с растворителем на основе толуола.

Исследователи, используя обычный краскопульт, нанесли тонкий слой материала на поверхность меди и после высыхания сфокусировали на поверхности материала луч длинноволнового инфракрасного лазера, лазера, который используется для резки металла и других твердых материалов. Анализ собранных данных показал, что покрытие успешно поглотило 97.5 процентов энергии луча лазера и без разрушения выдержало уровень энергии в 15 КВт на квадратный сантиметр поверхности. Такие показатели ровно в два раза выше показателей, демонстрируемых другими материалами на основе чистых нанотрубок и углеродосодержащих покрытий, разрабатываемых для защиты от лазерного света.

Нанотрубки и другие углеродные материалы, наподобие графена, однородно поглощают свет и передают тепло в близлежащие области, снижая температуру в точке контакта с лучом лазера. Керамические высокотемпературные соединения, стойкие к окислению, обеспечивают защитному покрытию высокую механическую прочность и стойкость по отношению к разрушениям от высокой температуры. Следует заметить, что новый материал отличается высокой адгезионной способностью, что позволяет наносить его на поверхности из разных материалов. Помимо этого процесс производства защитного материала достаточно прост и его без особых затруднений можно делать в больших количествах.

Используя электронный микроскоп ученые более тщательно исследовали место контакта защитного покрытия с лучом лазера. Эти исследования показали полное отсутствие основных видов разрушения материала, таких как горение и деформация. Лишь только в нескольких маленьких местах, где концентрация нанотрубок была низка, керамический материал расплавился, превратившись в стабильный диоксид кремния, кварцевое стекло, которое, тем не менее, продолжало выполнять защитную роль.