7 February 2023, 16:00 Виталина Власова

Стеклянные чешуйки помогли настроить свойства композита для солнечных батарей

Российские ученые разработали оптический композит на основе полимерной матрицы и наполнителя из микроскопических стеклянных чешуек, который сочетает уникальные характеристики: малую массу, способность к самовосстановлению, гибкость, высокую прочность, а также низкий уровень оптических потерь. Благодаря отмеченным свойствам такой материал может использоваться в качестве ультралегкого и гибкого защитного покрытия солнечных батарей, в том числе на космических аппаратах.

Стеклянные чешуйки помогли настроить свойства композита для солнечных батарей
Микроструктура композита с 10% и 31% содержанием наполнителя из стеклянных чешуек

Солнечное излучение становится все более значимым альтернативным источником энергии. Прежде всего это связано с возможностью его применения в экстремальных условиях, например, в открытом космосе и околоземном пространстве. При этом к солнечным батареям, используемым на спутниках, есть определенные требования: они должны выдерживать колоссальные нагрузки при запуске и обладать минимальной массой. Так, до 70% веса солнечных элементов составляет защитное покрытие, которым выстлана рабочая поверхность батареи. На сегодняшний день в качестве такого покрытия используется стекло, которое имеет целый ряд недостатков: хрупкость, низкую прочность, а также большую массу. В связи с этим существует потребность в альтернативе. Ею могут стать оптические композитные материалы, которые представляют собой полимерную матрицу, содержащую оптически прозрачный наполнитель с высокими механическими характеристиками. До последнего времени не было изучено, как геометрические параметры наполнителя (форма и размер частиц), а также его относительное содержание в композите влияют на механические и оптические свойства материала.

Исследователи Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (Санкт-Петербург), Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва), Сколковского института науки и технологий (Москва) с коллегами из Китая описали свойства композитов с различным типом, размером и объемным содержанием стеклянных наполнителей в виде сфер, плоских чешуек и молотых оптических волокон. В качестве полимерной матрицы использовался термопластичный полиуретан.

Авторы провели исследования прочности полученных материалов, которые показали, что при содержании 5-10 объемных % стеклянные чешуйки и волокна увеличили устойчивость образцов к разрушению на 140%. При большем объемном содержании этих наполнителей (31%) наблюдалось снижение прочности. Авторы установили еще одну важную особенность. Оказалось, что сферические частицы снижали механические свойства материала при любом объемном содержании. Это можно объяснить тем, что они, занимая минимальный объем, практически не взаимодействовали между собой. Из-за этого связи между частицами быстро разрушались, и в материале появлялись многочисленные дефекты.

Исследование оптических свойств композитов показало, что сферический наполнитель снизил способность материала пропускать излучение на 10%, тогда как другие типы наполнитлей в меньшей степени влияли на пропускание. Так, наилучшие характеристики показал композит, содержащий стеклянные чешуйки толщиной 3 микрометра — размером, сопоставимым с размером бактерий. Он снизил величину пропускания всего на 2%.

«Полученные результаты свидетельствуют о том, что толщина и геометрия наполнителя значительно влияют на свойства композита. Наши исследования показали, что возможно создать материалы для солнечных батарей с улучшенными эксплуатационными характеристиками, которые особенно востребованы в космической отрасли. В дальнейшем мы планируем исследовать наполнитель из стеклянных чешуек с большим диапазоном толщины — от 500 нанометров до 20 микрометров», — рассказывает Виктор Клинков, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории «Моделирование технологических процессов и проектирование энергетического оборудования» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

Source:  InScience.News

News article publications

Read also

Слабые границы не всегда плохо - особенно в композитных материалах
К такому выводу ученые пришли, измеряя прочность композитной проволоки, в которой сердцевина из углеволокна была по-разному связана с алюминиевой оболочкой
Composites
Materials Science
Mechanics of materials
Solid State Physics
9 November 2022
Высокоэнергичные ионы превратили графен в наноалмазы
Ученые получили стабильный материал, состоящий из графена и наноалмазов, облучив многослойный графен быстрыми тяжелыми ионами. Возможность управлять механическими свойствами нового наноструктурированного материала в сочетании с легкостью и гибкостью графена открывает перспективы для его использования в космической авиации, автомобильной промышленности и медицинских устройствах.
Materials Science
Mechanics of materials
Mechanochemistry
17 March 2024
Сплав никеля, марганца, олова и меди сделает холодильники экологичнее
Ученые выяснили, что сплав никеля, марганца, олова и небольшого количества меди под действием магнитных полей (при разовом включении/выключении магнитного поля) практически необратимо охлаждается на 13°С. Авторы предложили использовать эту особенность в гибридных системах охлаждения бытовых приборов, например холодильников. Такие системы комбинируют различные методы охлаждения для достижения более эффективной и экологически устойчивой работы.
Materials Science
Mechanics of materials
Metals and their alloys
2 February 2024
Физики предложили более простой способ искажения идеальных метаматериалов
Таким образом они смогут эффективнее взаимодействовать со светом, что полезно для создания усовершенствованных и миниатюрных лазеров, устройств передачи информации и сенсоров
Materials Science
New techniques
Optics
20 July 2023
Материаловеды разработали новую экологичную упаковку для продуктов
Она изготовлена на основе растительных полимеров, защищает пищу от ультрафиолетового излучения, бактерий и влаги, при этом позволяя «дышать», а еще полностью биоразлагаема
"Green" technologies
Composites
Food industry
Materials Science
6 July 2023
Производство германиевых анодов для батарей станет проще и дешевле
Помочь в этом способен новый экологичный способ синтеза композиционных материалов из высокорастворимого оксида неметалла
Composites
Electrochemistry
Materials Science
New techniques
21 June 2023