Стеклянные чешуйки помогли настроить свойства композита для солнечных батарей

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.