Совместное развитие электротехники и нанотехнологий привело к появлению принципиально новых продуктов – проводников на основе углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки интенсивно исследуются с целью их дальнейшего применения в электронике. Одной из возможных областей, где нанотрубки могут раскрыть свой потенциал, является изготовление прозрачных проводящих пленок. Такие пленки требуются для производства электродов солнечных батарей, умных окон, прозрачных транзисторов и т.д. Благодаря своей гибкости они также имеют преимущества перед оксидом индия/олова, широко применяющегося в наши дни в качестве прозрачного проводника.
Для получения пленок из углеродных нанотрубок могут быть использованы различные способы, например, spin-coating, распыление и другие. Однако, существуют определенные трудности в достижении желаемых характеристик. Дело в том, что проводимость возрастает с увеличением плотности нанотрубочного покрытия, а прозрачность, наоборот, падает. Корейские исследователи придумали интересную методику, позволяющую решить эту проблему. Для этого они использовали шаблоны из двумерных коллоидных кристаллов.
Из суспензии, содержащей сферические коллоидные частицы и взвешенные нанотрубки, самособирается коллоидный кристалл. Так получается, что частицы формируют периодическую структуру, а нанотрубки располагаются в промежутках между ними. После удаления частиц остается прозрачная сетка из нанотрубок. Плотность пучков нанотрубок достаточно высока, чтобы структура обладала хорошей электропроводностью. Размер ячеек можно легко регулировать, подбирая диаметр коллоидных частиц. Методика уже позволила получить сетки сантиметровых размеров, обладающие коэффициентом пропускания 95%.
Углеродные волокна построены на основе графитовых плоскостей. Они состоят из множества узких, но длинных полосок (лент), как бы вырезанных из этих плоскостей. Ленты расположены преимущественно параллельно оси волокна, что предопределяет высокую прочность получающегося материала. Это свойство, в общем и целом, сохраняется независимо от способа синтеза волокон и исходных материалов. Однако способ приготовления влияет на морфологию поперечного сечения, отражающую взаимную ориентацию графитовых лент. Существуют и другие типы структур.
Волокна, выращенные из газовой фазы, имеют морфологию наподобие «луковой кожицы» или кольцевой структуры дерева. В результате отжига при температурах до 3000°С внешняя поверхность образца может приобретать огранку. Эти ограненные волокна оказываются наиболее близкими по свойствам и структуре к кристаллическому графиту. Их толщина варьируется от нескольких сотен А до 100 мкм. Вдоль оси волокна имеется полая сердцевина, т.е. канал. Выращенные из газовой фазы волокна с микронным диаметром и длиной около 30 см – близкий аналог углеродных нанотрубок с нанометровым диаметром.
В США материалы с нанотрубками с 2013 года промышленно производит компания CurTran. Создана государственная поддержка для всей цепочки производства. Преимущества подобных нитей в весе – при сопротивлении, сопоставимом с медью, углеродные нанотрубки в четыре раза легче. А при промышленном производстве будет несомненная разница и в цене за метр такого кабеля.
6 мая 2014 года компания Weatherford International Ltd. объявила о том, что она заключила долгосрочное соглашение с компанией CurTran LLC об использовании и сбыте технологии LiteWire™ – первой технологии, предназначенной для производства в промышленном масштабе углеродных нанотрубок в конструкциях кабелей и проводов. За последние сто лет, вплоть до настоящего времени, ещё не было реальных инновационных продуктов, способных заменить медные кабельные изделия. Эта разработка привела к созданию почти чисто углеродного проводника, который можно изготавливать в промышленном масштабе.
Проводник LiteWire превышает по своим возможностям медь и соревнуется с медными проводниками в той же ценовой категории. Как утверждают производители, такие проводники имеют малый вес: 1/5 от веса меди, высокую прочность. Предел прочности на разрыв в 20 раз превышает предел прочности меди, низкое тепловое расширение (1/3 от теплового расширения меди), высокую коррозионную стойкость при любых естественных условиях. Электрические характеристики равны характеристикам медных проводов для электроэнергетических систем. Могут поставляться любого размера по системе стандартов AWG и перерабатываются на том же оборудовании, что и медная проволока. LiteWire может использоваться в кабельных конструкциях в качестве основного проводника и в качестве экрана. Также могут изготавливаться проводники, оптимизированные для специальных областей применения: авиационно-космические транспортные средства, электроэнергетические системы, оборонная отрасль, обмотки электродвигателей и кабели связи. Углеродные нанотрубки выращивают до образования проволоки непрерывной длины диаметром от 0,001 дюйма до 2 дюймов.
В конце 2018 года компания «РОСНАНО» планирует закончить строительство в Татарстане завода по производству углеродных нанотрубок стоимостью 6 млрд. рублей. Его мощность составит до 250 тонн в год. Об этом стало известно в ходе совещания в Доме Правительства республики Татарстан. Его провел президент Татарстана Рустам Минниханов.
Дочерняя компания РОСНАНО – Ocsial уже построила в Новосибирске опытный реактор мощностью 5–10 тонн углеродных нанотрубок в год. Там же планируется открыть первое полупромышленное производство – мощностью до 50 тонн в год. При этом главный промышленный центр будет возведен в Татарстане. Татарстан, на данный момент – крупнейший производитель каучуков, полимеров и автокомпонентов, поэтому промышленность Татарстана заинтересован в тех возможностях, которые предоставляют нанотехнологии.
Адаптируясь под требования российских потребителей, завод может производить токопроводящие нанотрубки, оптимизированные для применения в определенных отраслях экономики: провода для ЛЭП, кабельно-проводниковая продукция для авиакосмического комплекса, обмотки для электромоторов и т. д. всех промышленных отраслей России.
Обладая достаточно высокой электропроводностью, специально произведенные нанотрубки можно использовать в составе суперпрочных проводов линий электропередачи. За счет этого можно значительно увеличить расстояние между опорами.
В данный момент ведется совместная разработка резонансной системы передачи электроэнергии к подводным электропотребителям, где к кабелю предъявляются особые требования по прочности и массогабаритным параметрам. Для согласования обычной системы электроснабжения с резонансной системой разработаны согласующие устройства и преобразователи, которые устанавливаются в начале и в конце однопроводной линии и позволяют использовать на входе и выходе стандартное электрооборудование переменного или постоянного тока. В данный момент разработан широкий типоразмерный ряд приемо-передающего оборудования.
В качестве линии электропередачи резонансной системы (РОЭС) может быть использован любой проводник, например стальной провод или другая проводящая среда, которые выполняют роль направляющей потока электромагнитной энергии, передаваемой от генератора к приемнику. Однако в качестве экрана необходимо использовать прочный, химически стойкий легкий материал. Таким материалом может стать, как раз, оплетка из нанотрубок.
Подобный способ использования углеродных нанотрубок – в качестве оплетки для экранирования – значительно облегчает вес любых радиочастотных кабелей. При этом кабель можно использовать в средах со 100% влажностью и практически под любым давлением в подводной среде. Величина абсолютного давление воды в зависимости от глубины будет влиять только на прочность материалов, из которых сделан кабель.
Список литературы.
1. Трусов Л. А. Прозрачные проводящие сетки из углеродных нанотрубок. Объединенный семинар «Физика и химия углеродных наноструктур» 03.10.2013.
2. Жарикова Е. Ф. «Углеродные многослойные цилиндрические нанотрубки как матрицы для получения магнитоактивных материалов и модифицирующие агенты для улучшения термостабильных и механических характеристик полимеров». Диссертация. Институт Общей и Неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН.
3. А. В. Елецкий, А. А. Книжник, Б. В. Потапкин, Х. М. Кенни. Электрические характеристики полимерных композитов, содержащих углеродные нанотрубки.
4. Dr. Rice. Going negative’ pays for nanotubes finds possible keys to better nanofibers, films. University lab
5. Александров Д. В., Юферев Л. Ю. Система питания подводного электропотребителя. Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 1 (11). С. 13–17.
6. Юферев Л. Ю., Рощин О. А., Александров Д.А. Основные проблемы и их устранение при проектировании РОС. Инновации в сельском хозяйстве. 2013. № 1 (3). С. 18–24.
7. Авторы: Л. Г. Гаврилов, ОКБ ИОРАН, Л. Ю. Юферев, ВИЭСХ http://www.curtran.com/LiteWire%20Demo%20April%202013_Mobile.m4v
