Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения нового поколения композиционных материалов с повышенной термостойкостью, повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению.

Номер контракта: 14.577.21.0095

Руководитель: Кобец Леонид Павлович

Должность: профессор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Ключевые слова:
функциональный наноматериал, нанокомпозиционный материал; полимерный композиционный материал, углеродные нанотрубки; фуллерен, углеродной волокно, эластомер

Цель проекта:
1 Создание композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода с повышенными не менее чем в 2 раза стойкостью к рентгеновскому излучению, не менее чем в 1,3 раза термостойкостью, не менее чем в 2 раза теплопроводностью по сравнению с аналогами на основе эпоксидной смолы. 2 Создание композиционных материалов на основе модифицированного углеродного волокна, устойчивых до 1400 °С. 3 Создание композиционных материалов на основе эластомеров и углеродного волокна или углеродных нанотрубок, устойчивых до 400 °С.

Основные планируемые результаты проекта:
- Разработка простого и эффективного метода модификации углеродного волокна фуллеренами и углеродными нанотрубками;
- Изготовление образцов изделий из модифицированного углеродного волокна;
- Изготовление различных композиционных материалов на основе эластомеров и наноструктурированных форм углерода, а также модифицированного углеродного волокна;
- Разработка программы и методов испытания полученных композиционных материалов;
- Испытание образцов композиционных углеродных материалов, в том числе, на термостойкость, теплопроводность, износостойкость, устойчивость по отношению к рентгеновскому излучению и механическую прочность;
- Рекомендации по применению готовых изделий в реальном секторе экономики.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Проблема защиты конструкций и биологических объектов от воздействия потоков микроволнового излучения, разрабатывается не один десяток лет, но по-прежнему актуальна. Исключительная сложность данной проблемы вызвана разнообразием видов излучения, их интенсивности, спектрального и пространственного распределения. Это разнообразие привело к формированию самостоятельных по методам и средствам подходов к защите от излучений в радиотехнике, ядерной энергетике, ракетной и космической технике, технологиях обработки материалов и неразрушающего контроля. Например, в радиотехнике при построении средств экранирования микроволнового излучения используются методы электродинамики, оперирующей с микро и наноструктурами вещества. В тоже время в ракетно-космической технике выбор материалов тепловой защиты в теоретическом плане преимущественно опирается на макроструктурные модели сплошной среды. В настоящее время многомасштабность становится все более распространенным приемом, повышающим точность и глубину их анализа физических процессов.

В настоящей работе многомасштабный подход применяется при разработке технологии получения нового поколения композиционных материалов с повышенной термостойкостью, повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению. Появление таких материалов открывает возможность создания более совершенных и соответствующих мировому уровню систем защиты от различных видов излучения, чем уже известные.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В настоящее время наблюдается существенный рост применения изделий из композиционных материалов. Полученные с использованием наноструктурированного углерода композиты обладают уникальными свойствами: высокими показателями прочности и пластичности, высокими каталитическими и магнитными характеристиками, селективной поглощающей способностью, триботехническими свойствами, термо- и химической стойкостью. Подобные характеристики приводят к формированию спроса на нанокомпозиты в разнообразных областях промышленности: судостроении, авиастроении, химии, энергетике, медицине, биологии, экологии и др.

Разработанная технология получения композиционных материалов с повышенной термостойкостью и повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению, может быть использована в сфере изготовления высокотехнологической продукции, для освоения на предприятиях ракетно-космической промышленности выпуска деталей перспективных ракет, авиационной техники, космических аппаратов и энергетических установок.

Текущие результаты проекта:
1. Проведено математическое моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния силоксанового эластомера с разным объемным содержанием УНТ, ПКМ, состоящего из углеродного волокна и эластомера, КМ на основе углеродного волокна, модифицированного УНТ и ПКМ на основе углеродного волокна, модифицированного фуллеренами при воздействии коротковолнового, в том числе рентгеновского излучения.
2. Установлено, что указанные материалы работоспособны при условии воздействия коротковолнового, в том числе рентгеновского излучения и могут использоваться для создания деталей перспективных летательных аппаратов и энергетических установок.
3. Впервые показано, что для ПКМ из силоксанового эластомера наименьшие деформации и напряжения возникают при объемной доле УНТ 0,5 %.
4. Расчетным путем выявлено, что при воздействии излучения происходит более интенсивный нагрев УНТ или углеродных волокон в объеме материала, что обусловлено их меньшей удельной теплоемкостью и большей теплопроводностью. Показано, что интенсивность нагрева углеродных волокон и покрытия из УНТ или фуллеренов при воздействии на них излучения близка.
5. Доказано, что при нагреве коротковолновым излучением максимальные напряжения возникают на границе раздела углеродного волокна и покрытия из УНТ или фуллеренов, что вызвано большой жесткостью УНТ и фуллеренов и их малыми КЛТР по сравнению с углеродным волокном.
6. Сделан вывод о том, что основное внимание при создании новых материалов на основе наноструктурированного углерода следует сосредоточить на обеспечении прочности границы раздела углеродного волокна и покрытия из УНТ или фуллеренов.
7. Показано, что введение УНТ или фуллеренов с объемным содержанием до 1% приводит к лишь незначительному изменению удельной теплоемкости материала и может не учитываться при тепловом проектировании деталей перспективных летательных аппаратов и энергетических установок.
8. Определено, что наибольшая теплопроводность ПКМ на основе эластомера и УНТ достигается при объемной доле УНТ 1 %.
9. Сделан вывод, что для КМ на основе углеродного волокна и эластомера, ПКМ на основе углеродного волокна, модифицированного УНТ и ПКМ на основе углеродного волокна, модифицированного фуллеренами коэффициент теплопроводности и модуль упругости материала в плоскости армирования (вдоль оси волокна), значительно выше, что обусловлено анизотропией свойств углеродного волокна.
10. Расчетным путем показано, что нанесение покрытия из УНТ на углеродные волокна способствует повышению модуля упругости более чем на 14 % и коэффициента теплопроводности в направлении оси волокна более чем на 24 %.
11. Расчетным путем показано, что нанесение покрытия из фуллеренов на углеродные волокна способствует повышению модуля упругости более чем на 13,5 % и коэффициента теплопроводности в направлении оси волокна более чем на 22 %.
12. Проведена поверхностная модификация УНТ покрытиями, которые легко наносятся и могут увеличить адгезию УНТ к матрице - полипирролом и полидофамином.
13. На основании проведенного анализа литературных данных выбрано два способа введения УНТ в полимерную матрицу: ультразвуковое диспергирование и перемешивание в диссольвере. Экспериментально было установлено, что использование ультразвукового диспергирования предпочтительнее.
14. Проведен подбор оптимального растворителя для диспергирования УНТ.
15. Получена серия КМ на основе силоксанового эластомера и УНТ, проведено варьирование природы УНТ, способа диспергирования и количества УНТ в готовом КМ.
16. Исследована структура КМ методами ИК-спектроскопии, растровой и просвечивающей электронной микроскопии.
17. Разработан метод получения композиционных материалов на основе углеродных волокон и эластомера.
18. Разработан лабораторный технологический регламент получения композиционных материалов на основе углеродных волокон и эластомера.
19. Изготовлены экспериментальные образцы композиционных материалов на основе углеродных волокон и эластомера.
20. Разработан метод получения композиционных материалов на основе углеродных волокон, модифицированных углеродными нанотрубками.
21. Разработан лабораторный технологический регламент получения композиционных материалов на основе углеродных волокон, модифицированных углеродными нанотрубками.
22. Разработан метод получения композиционных материалов на основе углеродных волокон, модифицированных фуллеренами.
23. Разработан лабораторный технологический регламент получения композиционных материалов на основе углеродных волокон, модифицированных фуллеренами.
24. Изготовлены экспериментальные образцы композиционных материалов на основе углеродных волокон, модифицированных углеродными нанотрубками.
25. Изготовлены экспериментальные образцы композиционных материалов на основе углеродных волокон, модифицированных фуллеренами.