Создание технических средств нового поколения ставит перед исследователями многопрофильные задачи, среди которых получение новых материалов с заданными свойствами играет одну из важнейших ролей. Одним из перспективных направлений есть широкое применение материалов на основе фуллерита в новейших технологиях, которые предусматривают снижение износа материалов при трении, повышение твердости и долговечности, а также складирование и сохранение разных химических элементов, в том числе тяжелых, которые являются продуктами отходов, производства электрических батарей, элементов питания и водородного топлива.

В последнее время наиболее актуальными работами в этом направлении являются исследования, связанные с изучением физических свойств нового класса органических молекулярных кристаллов, - фуллеритов, что состоят из гигантских высокосимметричных углеродных кластеров. Существует целое огромное количество фуллеренов, учитывая семейство Сn (n‹60 - малые фуллерены, С60, С70, n - 70 - гиперфуллерены) и их соединений. Наиболее типичным представителем такого класса материалов является фуллерен С60.

 В общем воображении, фуллерены, является третьей, отличающейся от алмаза и графита, формой углерода. За открытие и получение фуллерита С60 американские ученые Крото, Смоллі и Керл в 1996 году получили Нобелевську премию из химии. Молекула фуллерена С60 являет собой усеченный икосаэдр, который владеет почти сферической симметрией. Величина диаметра молекулы складывает ~ 10 Å (Ангстрем), то есть молекула огромна. Высокая симметрия молекул находит свои отображения в наборе уникальных физических свойств. Твердое состояние связанных молекул фуллерена называют фуллеритом, а легированные металлическими атомами фуллериты - фуллеридами.

Фуллерен С60 являет собой типичный молекулярный кристалл. Общие свойства С60 представлены в таблице 1. Таблица 1. Основные характеристики молекулы фуллерена и физические свойства чистого С60

Особенные свойства фуллеренов в кристаллическом состоянии указывают как на богатое физическое содержание явлений, которые происходят при участии фуллеренов, так и на значительные перспективы использования этих материалов в разных отраслях. В результате дополнения фуллерену С60 щелочными металлами, образованный фуллерид при определенной стехометрии (МеС60) является органическим сверхпроводником с критическими температурами Т_с× 40 . Отмеченный материал получают в результате обработки пленок или поликристаллических образцов С60 парами металла при температуре в несколько сот градусов Цельсия. На базе такого материала изготовляют электромагнитные соленоиды большой мощности, которые могут найти применение во многих технических.

Превращение кристаллического фуллерена в алмаз происходит при значительно более мягких условиях, чем в случае традиционно используемого для этой цели графита. Давление, необходимое для превращения твердого фуллерита в алмаз, снижается с ростом температуры.  Удачными оказались эксперименты из синтеза аморфного алмаза при ударном сжимании кристаллического фуллерена С60. Важно, что это достигается без любого дополнительного нагревания образца. Такая технологическая возможность дает возможность использовать искусственные алмазы в качестве необходимых частей для измерительных инструментов и приборов.

Уже первые эксперименты из исследования механических свойств фуллерита подтвердили надежды исследователей на создание высокоэффективного твердого смазывания на основе фуллеренов. Согласно работ, поверхность твердых материалов, покрытых фуллереновой пленкой, имеет аномально низкий коэффициент трения, повышенную долговечность и износостойкость. Если технология производства такого твердого масла будет настроена, и будет обеспечиваться возможность его практического использования, износостойкость деталей и механический КПД технических средств существенно вырастут.

Кроме того, заслуживает внимания и то, что по результатам проведенных экспериментов на аппаратах высокого давления, в которых пластичный фуллерит сжимался до 300 тыс. атм. и поддавался деформации сдвига, за несколько минут в камере образовывались микрокристаллические новые сверхтвердые вещества, которые оставляют царапины на поверхности алмазной наковальни. Это определяет перспективы его использования при создании современных режущих инструментов.

В этом плане группой авторов ФНТ (Харьков, Украина) было проведено комплексное исследование структуры и микротвердости чистого фуллерита С60, изучены геометрия скольжения и температурные зависимости микротвердости НV (по Виккерсу) в широком интервале температур. Слабые взаимодействия Ван-дер-Ваальса между молекулами определяют низкие величины микротвердости НV  и пределы текучести кристалла С60. При комнатной температуре типичное значение НV = 0.2 ГПа, а отношение НV / s_т @ 20.

Следует заметить, что сверхтвердые материалы и материалы с повышенной прочностью для ответственных деталей технических средств могут быть созданы на основе соединений фуллерита. При высоких давлениях и температурах в массивных образцах, при обычном давлении под воздействием светового облучения в видимой и ультрафиолетовой области спектра в тонких пленках фуллерита, а также в легированных щелочными металлами (А = K, Rb, Cs) фуллеритах АC60, наблюдалась полимеризация молекул C60. Известно, что полимеризация приводит к укреплению, а полимерные фазы являются особенно крепкими.

При частичном термическом разрушении слоев графита могут образовываться не только молекулы фуллерена, что имеют замкнутую сферическую структуру, но также длинные трубки, так называемые нанотрубки, имеющие длину в несколько нанометров, поверхность которых выполнена правильными шестиугольниками. То есть, нанотрубки имеют уникальные механические свойства, сверхвысокую прочность.

Примеси "внедрения" (атомы Ar, молекулы О₂) существенно влияют на свойства фуллеритов, приводят к укреплению данного материала. В зависимости от типа примесей и характера их взаимодействия с молекулами кристаллического окружения фуллериты с примесями имеют свойства, которые не отвечают ни чистому фуллерита, ни веществу примеси. Показано, что наиболее сильное укрепление происходило при выдержке кристаллов в атмосфере аргона или кислорода в результате внедрения атомов Ar или молекул О₂ в пустоте гратов С60.

Фуллерен также может использоваться в качестве основа для производства аккумуляторных батарей. Эти батареи, принцип действия которых основан на реакции присоединения водорода, во многих отношениях аналогичные широко распространенным металлически-гибридным никелевым аккумуляторам, однако имеют, в отличие от последних, способность запасать приблизительно в пять раз большее количество водорода. Кроме того, батареи характеризуются высшей эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее современными аккумуляторами на основе лития. Такие высокоэффективные батареи могут быть применены в электронной технике, которая используется в информационно-управляющих системах на транспорте.

Особенную актуальность использования фуллерену для создания материалов, которые могут использоваться для изготовления "контейнеров", в которых складываются и транспортируются радиоактивные и высоко токсичные отходы. Это возможно благодаря гигантским размерам самой молекулы С60  и свойствами захвата ее оболочкой других, даже тяжелых элементов с длительным хранением.

Уже очевидные даже перспективы использования фуллереновых наноматериалов в более "тяжелых" отраслях - транспорте, машиностроении, строительстве. Ультрадисперсные добавления позволяют существенно изменять свойства традиционных материалов и используемых технологий.

Таким образом, добавка фуллерена к смазочным материалам (жидких и твердых - графитовым или из дисульфида молибдена) существенно уменьшает трение в механических узлах разных механизмов и машин.

Многофункциональные алмазо-графитовые присадки к моторным маслам улучшают их антифрикционные, износостойкие свойства, при этом расходы топлива сокращаются на 2-7 %, износ деталей - в 1,5-2,5 разы, а мощность двигателя внутреннего сгорания растет на 2-4 %.

Прочность металла, который имеет ультрадисперсную структуру, растет в полторы-два раза, твердость, - в 50-70 раз, коррозионная стойкость - в 10-12 раз.

К наиболее приоритетным направлениям следует отнести возможность использования фуллерено-содержащих материалов для повышения надежности систем токосъема для электротранспорта, а также разработку новых смазочных и охлаждающих веществ с добавками ультрадисперсных и фуллереновых наноматериалов, повышающих ресурс механических узлов трения транспортных систем.

Таким образом, новые материалы созданы на основе фуллерена и его соединений отличаются от традиционных более высоким уровнем механических характеристик. Это обосновывает целесообразность проведения научно-исследовательских работ по их промышленному получению, и использование для изготовления деталей, элементов конструкций технических средств транспорта.

Источник: Аксенова Н.А., Оробинский А.В, Надтока Е. В., Дунай Л. М. Перспективы применения новых фуллерен-содержащих материалов в современных средствах транспортного машиностроения. Материалы 6-й международной научно-практической конференции «Динамика современной науки», 2010.