Рисовая лаборатория химика Джеймса Тура в сотрудничестве с Lockheed Martin разработала состав для защиты морских и бортовых радаров с прочным покрытием, которое также прозрачно для радиочастот.
Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Американского химического общества Applied Materials and Interfaces.
Громоздкие радиолокационные купола (известные как "обтекатели"), подобные тем, которые можно увидеть на военных кораблях, предотвращают образование льда и ледяного дождя непосредственно на антеннах. Но сами купола также должны быть очищены от льда, который может повредить их или сделать их нестабильными.
Эта задача обычно выполняется с помощью металлического каркаса, который поддерживает и нагревает керамический оксид алюминия (оксид алюминия), сказал Тур. Но эти материалы тяжелые, и металлические элементы необходимо устанавливать вдали от источника радиосигналов, чтобы они не мешали.
«Эти глиноземные купола очень трудно очистить от обледенения», — сказал Тур. "Когда они покрыты льдом, для их нагрева требуется много энергии, потому что они очень плохие проводники."
Вот графен, углеродный лист толщиной в один атом, который и проводит электричество, и, поскольку он такой тонкий, позволяет беспрепятственно проходить радиочастотам. По словам Тура, распыляемый противообледенительный материал, содержащий графеновые наноленты, будет легче, дешевле и эффективнее, чем существующие методы.
«Это началось, когда (инженер Lockheed Martin) Владимир Волман увидел презентацию Юй Чжу, в то время постдока моей лаборатории», — сказал он. «Волман рассчитал, что можно пропустить ток через графеновую пленку толщиной менее 100 нанометров и получить резистивный нагрев, который отлично подходит для борьбы с обледенением. Чжу представил свою технику напыления пленок из нанолент, и Вольман осознал потенциал."
Чистый графен передает электричество баллистически и не выделяет достаточно тепла, чтобы растопить лед или предотвратить его образование, но графеновые наноленты (GNR), распакованные из многослойных углеродных нанотрубок в результате химического процесса, изобретенного группой Tour в 2009 году, прекрасно справляются с этой задачей, сказал он. При равномерном распределении по твердому объекту ленты перекрываются, и электроны переходят от одной к другой с достаточным сопротивлением, чтобы выделять тепло в качестве побочного продукта. По словам Тур, эффект можно настроить в зависимости от толщины покрытия.
В начальных экспериментах команда под руководством Волмана и Чжу покрыла поверхность растворимым ЗНР распылением. «Они сказали, что это отлично работает, но когда мы дотрагиваемся до наших пальцев, он остается на наших пальцах», — сказал Тур.
Он нашел решение в магазине автозапчастей в Хьюстоне. "Я купил автомобильную полиуретановую краску, которая очень прочная. На машине это длится годами. Итак, когда мы объединили краску и GNR и покрыли наши образцы, у них были все необходимые нам свойства."
Лабораторные образцы размером до двух квадратных футов были собраны с использованием гибкой полимерной подложки, полиимида, на которую распыляли полиуретановую краску и давали высохнуть. Затем подложку с покрытием поместили на плиту, чтобы смягчить краску, и нанесли на нее тонкий слой GNR. После высыхания вшитые ленты стало невозможно удалить. Тур сказал, что исследователи также попытались поместить GNR под полиуретановую краску, что дало хорошие результаты.
100-нанометровый слой GNR — в тысячи раз тоньше человеческого волоса — был прикреплен к платиновым электродам. Используя напряжение, обычное для судовых систем, смеси было достаточно для удаления льда с лабораторных образцов, охлажденных до -4 градусов по Фаренгейту, в течение нескольких минут. Дальнейшие эксперименты показали, что они почти невидимы для радиочастот.
Тур сказал, что доступность нанолент больше не является проблемой, поскольку они производятся в промышленных количествах.
«Теперь мы переходим на следующий уровень», — сказал он, отметив, что пленки GNR, превращенные в прозрачные пленки, могут быть полезны для борьбы с обледенением лобовых стекол автомобилей. Лаборатория намерена реализовать этот проект.
Волман предположил, что этот материал станет серьезным конкурентом недавно разрекламированным аэрогелям на основе нанотрубок для борьбы с обледенением самолетов зимой. «У нас есть технологии, у нас есть материалы», — сказал он. "Он очень прочный, и его можно распылить, чтобы нагреть любую поверхность."
Соавторами статьи являются аспиранты Райс Абдул-Рахман Раджи и Чаншенг Сян; Вэй Лу и Картер Киттрелл, ученые-исследователи из Rice’s Richard E. Смолли институт наноразмерной науки и технологии; и Бостьан Дженорио, бывший научный сотрудник в Райс, ныне приглашенный научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. Тур — Т.Т. и W.F.
Кафедра химии Чао, а также профессор машиностроения, материаловедения и информатики.
Корпорация "Локхид Мартин". через программу LANCER IV, Управление научных исследований ВВС и Управление военно-морских исследований поддержали исследования.