Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии наноструктурированной керамики на основе карбида бора.

Докладчик: Хасанов Олег Леонидович

Должность: заведующий кафедрой

Цель проекта:
Цели проекта: 1. Создание научного-технического задела для разработки технологии производства методом спекания в плазме искрового разряда наноструктурированной керамики из нано- микродисперсных порошков карбида бора, полученных из низкокачественного и отходного промышленного сырья. 2. Разработка новых и эффективных методов и средств производства порошковых материалов, керамических изделий и проведения исследований новых материалов. 3. Обеспечение замещения импорта нано- и микродисперных порошков карбида бора, изделий на его основе для отраслей промышленности. 4. Снижение экологической нагрузки на природу внедрением метода переработки отходов производства треххлоистого бора, содержащих карбид бора. Задачи проекта: 1. Разработка методов получения высокочистых нано- и микродисперсных порошков карбида бора из низкокачественного и отходного промышленного сырья. 2. Получение высокочистых нано- и микродисперсных порошков карбида бора порошков с заданными свойствами на оборудовании индустриального партнера по разработанным методам. 3. Изготовление наноструктурированной керамики с заданными эксплуатационными свойствами методом спекания в плазме искрового разряда из полученных высокочистых нано- и микродисперсных порошков карбида бора. 4. Комплексный анализ полученных результатов проведенных научно-исследовательских работ для создания научно-технического задела по их внедрению в опытно-промышленное или промышленное производство наноструктурированной керамики.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Результаты патентных исследований. Аналитический обзор существующих патентов по тематике проекта.
2. Методы производства высокочистых нано- и микродисперсных порошков карбида бора с заданными характеристиками (содержание основного компонента, фракционный состав, насыпная плотность) из низкокачественного и отходного промышленного сырья.
3. Технология переработки отходов производства треххлористого бора, позволяющая снизить экологическую нагрузку на природу.
4. Внедрение разработанных методов и технологии в производство индустриального партнера. Ожидаемая стоимость нано- и микродисперсных порошков карбида бора будет на на 30-50 % ниже, чем у импортных аналогов (за счет использования новых технологий и более дешевого сырья). Технология переработки отходов позволит ликвидировать источник высокой экологической опасности – склад токсичных отходов производства треххлористого бора на ОАО «Авиабор» (г.Дзержинск).
5. Наноструктурированные керамические изделия из нано- и микродисперсных порошков карбида бора, полученные методом спекания в плазме искрового разряда, с заданными эксплуатационными характеристиками: плотность, микротвердость, трещиностойкость, предел прочности при сжатии. Исследование полученных образцов, определение параметров синтеза изделий, влияния состава
спекаемого порошка на свойства получаемой керамики позволит получить данные на основе которых возможно будет разработать лабораторный технологический регламент, рекомендации, методические указания.
6. Лабораторный технологический регламент, методические указания и рекомендации по производству высокочистых нано- и микродисперсных порошков В4С и керамических изделий из них с указанием особенностей процессов и режимов синтеза. Разработка указанных документов позволит создать научно-технический задел для внедрения технологии в опытно-промышленное или промышленное производство.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанный метод получения высокочистых нано- и микродисперсных порошков карбида бора из низкокачественного и отходного промышленного сырья планируется внедрить на предприятии индустриального партнера - ООО "Полигон инновационных химических технологий" г.Дзержинск.
Внедрение разрабатываемого метода в отечественное производство позволит составить импортозамещающую конкуренцию зарубежным поставщикам порошков карбида бора нано- и микродисперсных фракций. Использование в этой технологии регулярно пополняемого
низкокачественного и отходного промышленного сырья позволит избежать дефицита исходных компонентов и снизить стоимость производства порошков. Например, дешевым и доступным источником сырья могут стать промышленные отходы ОАО «Авиабор» (одного из ведущих в России производителя борсодержащих химических соединений) где при производстве треххлористого бора образуются отходы,
содержащие 10-20% карбида бора. Накопленные на предприятии запасы этих токсичных и загрязненных отходов составляют более 600т (они содержат не менее 80т карбида бора) и ежегодно пополняются на 60т.
Задача переработки этих отходов актуальна и с точки зрения получения порошков карбида бора с низкой себестоимостью, и с точки зрения решения экологической проблемы – утилизации опасных химических отходов. Так как в настоящие время в России отсутствуют подобные методы переработки отходов, указанный метод является перспективным с точки зрения коммерциализации. Снижение объемов отходов,
требующие хранения и пассивной утилизации, а также появление на отечественном рынке нано- и микродисперсных высокочистых порошков карбида бора, будет иметь долговременный синергетический эффект в социальном (создание новых рабочих мест и улучшение условий труда), экономическом (снижение затрат на производство востребованных изделий) и экологическом (снижение негативного
промышленного влияния на окружающую среду) аспектах.
Разработанный метод имеет перспективы применения не только для производства порошков карбида бора но и других керамических порошков, что является дополнительным конкурентным преимуществом по сравнению с традиционными методами производства.
Разработанная технология керамических изделий на основе получаемых порошков позволит создать научно-технический задел для реализации опытно-промышленного или промышленного производства наноструктурированной керамики. Технологию изготовления (с момента производства порошка до момента получения готового спеченного или частей этого процесса) наноструктурированных
керамических изделий из В4С с заданными эксплуатационными характеристиками возможно реализовать на профильных предприятиях России, изготавливающих керамические материалы (например, ЗАО "НЭВЗ-Керамикс" г.Новосибирск, ООО "ВИРИАЛ" г.Санкт-Петербург, ОАО "Сибирский химический комбинат" г.Северск), поддерживая тем самым общую тенденцию импортозамещения. В виду уникальных свойств
карбида бора, промышленная реализация перспективной технологии спекания в плазме искрового разряда позволит получать изделия различной формы с заданными характеристиками для аэрокосмической, атомной, военной промышленности, что послужит дополнительным фактором повышения конкурентоспособности отечественных предприятий различного профиля (промышленных потребителей,
производящих востребованную на мировом рынке наукоёмкую продукцию с использованием керамических материалов).
Патентоспособность полученных в проекте результатов интеллектуальной деятельности обоснованна уникальными методами и инновационными подходами к решению поставленных задач.

Текущие результаты проекта:
В результате проведения аналитического обзора информационных источников по теме проекта определено, что уже реализованные в промышленном масштабе технологии производства микро- и нанопорошков карбида бора основаны на измельчении крупнозернистого материала, получаемого взаимодействием борного ангидрида (борной кислоты) с углеродом при температурах более 2000°С. Для увеличения производительности процесса и скорости твердофазной реакции карбидизации температуру поднимают до 2300-2500oC, что приводит к частичному разложению карбида бора с возгонкой бора и повышению содержания в конечном продукте свободного углерода. Это, в свою очередь, препятствует процессам спекания при изготовлении высокоплотных изделий из карбида бора. Информационный и литературный поиск, проведённый по теме исследований, позволяет сделать вывод о возможных для промышленной реализации альтернативных вариантах синтеза порошка из отходного промышленно сырья, содержащего значительные количества карбида бора. К такому сырью относятся накопленные ранее и постоянно пополняющиеся отходы производства трёххлористого бора на ОАО «Авиабор». (г. Дзержинск).

На основе информационного поиска и Технических требований к характеристикам разрабатываемого продукта представлено обоснование выбора направлений исследований. Кроме указанных технических требований учтены, в частности, экологические аспекты и актуальность переработки опасных отходов производства трёххлористого бора для Дзержинского химического промышленного узла. В соответствии с последним годовым отчётом Минприроды РФ, Дзержинск входит в список наиболее загрязнённых городов России. Международные экологические организации регулярно включают его в число 5 наиболее загрязнённых городов планеты. По результатам и проведённого 09.06.2011 г. выездного заседания Госсовета по экологическим вопросам была принята государственная Программа ликвидации двух Дзержинских захоронений (наиболее крупных в Европе) опасных химических отходов. Однако, кроме них, в Дзержинском промузле имеется ещё до 40 до 80 более мелких хранилищ опасных химических отходов, не подлежащих стандартной утилизации. Поэтому разработка метода переработки отходов производства трёххлористого бора на ОАО "Авиабор" может рассматриваться как составная часть комплексной государственной программы по решению экологических проблем города Дзержинска.
Установлено, что для переработки данных отходов целесообразно использовать сочетание методов их химической очистки и фракционирования с помощью методов селективной флотации и флокуляции с использованием полимерных реагентов. В части производства изделий из карбида бора первичным анализом экспериментальных образцов керамики на основе промышленного порошка с характеристиками, удовлетворяющими поставленным требованиям, обоснован выбор одного из возможных вариантов консолидации – метода электроимпульсного плазменного спекания (спекания в плазме искрового разряда - SPS). Полученные при 1950оС и давлении 30 МПа образцы характеризуются остаточной пористостью не более 2 %, твёрдостью до 37 МПа, ударной вязкостью до 5 МПа·м½, прочностью при изгибе до 400 МПа. Отмечена тенденция повышения основных характеристик продукта при уменьшении размеров частиц исходного порошка.

Разработаны исходные данные для отчёта о патентных исследованиях.

На основе «Положения о технологических регламентах производства продукции на предприятиях химического комплекса», согласованного Государственным Комитетом Российской Федерации по охране окружающей среды (№ 02-19/18-214 от 26 ноября 1999 г.) и Федеральным горным и промышленным надзором России (№ 02-35/234 от 28 апреля 2000 г.), подготовлены исходные данные для разработки Лабораторного технологического регламента (ЛТР) получения высокочистых нано- и микродисперсных порошков карбида бора из низкокачественного и отходного промышленного сырья. Подготовлены исходные данные и обязательные разделы Лабораторного технологического регламента (ЛТР) получения наноструктурированных керамических изделий из высокочистых нано- и микродисперсных порошков карбида бора.

На основе Технических требований подготовлен проект Программы и методик испытаний экспериментальных партий высокочистых нано- и микродисперсных порошков карбида бора. Разработаны Программа и методики испытаний экспериментальных образцов наноструктурированных керамических изделий из высокочистых нано- и микродисперсных порошков карбида бора, полученных методом спекания в плазме искрового разряда.