Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения композиционных материалов нового поколения с повышенной термостойкостью и повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению на основе наполненной углеродными нанотрубками, углеродными волокнами и наноструктурированным карбидом кремния полиимидной матрицы

Номер контракта: 14.625.21.0003

Руководитель: Егоров Антон Сергеевич

Должность: Заведующий лабораторией

Организация: федеральное государственное унитарное предприятие "Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"
Организация докладчика: Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
диангидриды, полиимиды, полиимидоамиды, полимидоэфиры, наночастицы, нанокомпозиты, нанотехнология, полиимидная матрица, композиты на основе полимерной матрицы, углеродные нанотрубки, наноструктурированный карбид кремния, углеродные нановолокна

Цель проекта:
Один из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определённым способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства, способные длительно сохранять свои эксплуатационные свойства при действии высоких и очень низких температур, различных химических агентов, повышенных уровней радиации и других факторов. Один из основных путей решения данной проблемы - это создание композиционных материалов на основе полиимидной матрицы. Путем добавления разных количеств наночастиц на различных стадиях полимеризации матриц, а так же увеличение числа доступных мономеров (диангидридов кислот), обратимость реакции имидизации (второй стадии реакции синтеза) позволят широко варьировать молекулярные, молекулярно-массовые характеристики и, как следствие, их термо-, теплостойкость, растворимость, способность к переработке, деформационно-прочностные и иные свойства будущих композитов. В свете сложившейся политической ситуации потребность в данном виде сырья отечественного производство очень высока, что требует разработки промышленной технологии импортозамещающих материалов в целях обеспечения нужд авиационно-промышленного комплекса для создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения. Цели: • 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. • Создание композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида кремния 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. • Разработка лабораторного технологического регламента производства композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида кремния 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. • Создание лабораторной установки по производству композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида кремния 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.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные результаты:
• Методика получения диангидридов кислот для синтеза полиимидных матриц.
• Методика получения диаминов для синтеза полиимидных матриц.
• Методики модификации поверхности наноструктурированного карбида кремния и углеродных нанотрубок.
• Методика получения полиимидных матриц.
• Методики получения композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода:
- углеродных нанотрубок и полиимида;
- углеродного волокна и полиимида;
- наноструктурированного карбида кремния и полиимида.
- наноструктурированного карбида кремния с модифицированной поверхностью и полиимида.
• Проект ТУ на композиционный материал на основе наноструктурированного углерода.
• Лабораторный технологический регламент получения композиционного материала на основе наноструктурированного углерода
• Лабораторный технологический регламент получения композиционного материала на основе наноструктурированного карбида кремния с модифицированной поверхностью
• Лабораторная установка для получения композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода
• Лабораторный образец композиционного материала на основе наноструктурированного углерода в соответствии с разработанной технологией на лабораторной установке для испытаний в количестве не менее 1 (одного) килограмма.
• Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
• Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка промышленной технологии производства композиционных материалов нового поколения с повышенной термостойкостью и повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению на основе наноструктурированного углерода в полиимидной матрице».

Не менее 3-х экспериментальных образцов композиционного материала на основе наноструктурированного углерода и лабораторный образец композиционного материала на основе наноструктурированного углерода должны обладать следующими свойствами:
-стойкость к рентгеновскому излучению, Гр не менее 1000
- стойкость к климатическому воздействию, ч не менее 10000
- термостойкость (устойчивость на воздухе без деструкции), °С не менее 400;
- теплопроводность W/m*K, не менее 4.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1 Разрабатываемая технология получения композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода с повышенной термостойкостью и повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению, должна предназначаться для создания новых ресурсосберегающих, малоэнергоемких, малоотходных производств.
2 Разрабатываемые композиционные материалы на основе наноструктурированного углерода должны предназначаться для применения в аэрокосмической промышленности в связи с их выдающейся термостойкостью и повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению.

Полимерные нанокомпозиты, которые представляют новый класс материалов, обладают уникальными барьерными свойствами, электропроводностью, теплопроводностью, повышенной прочностью, теплостойкостью и термостабильностью, а также пониженной горючестью. Известно, что добавки нанодисперсных слоистых силикатов и различных форм углеродных нанонаполнителей в полимерные матрицы могут существенно влиять на механизмы термо-, термоокислительной деструкции и горения нанокомпозитов.
В настоящее время полиимидные смолы применяются в качестве матриц для создания армированных композитов на основе легких углеродных волокон, в качестве замены металлических деталей в аэрокосмической промышленности и деталей корпуса летательных аппаратов, в связи с их выдающейся термической и механической стойкостью.
Полиимидные смолы широко применяются в таких областях, как микроэлектроника, аэрокосмическая промышленность, разделение газов и в производстве топливных ячеек. Применяются в кабельной промышленности при получении электроизоляционных лаков и эмалей, обладающих высокой термостойкостью и эластичностью, хорошими диэлектрическими свойствами для покрытия проводов и изделий.
Химическая стабильность, механическая прочность и меняющаяся (в зависимости от заданных параметров) электропроводность углеродных нанотрубок определяют широкий спектр их практического применения в электронике и прикладной химии.
Благодаря своим уникальным свойствам наноструктурированный карбид кремния может применяться во многих сферах промышленности, в том числе машиностроении, металлургии, химической и атомной промышленности; особенные надежды исследователи возлагают на применение карбида кремния при создании приборов силовой, высокочастотной электроники, для эксплуатации в условиях высоких температур, агрессивных сред.
Таким образом, создание композитов на основе наноструктур углерода и карбида кремния в термостойкой полиимидной матрице, позволит создать новые материалы с уникальными свойствами.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Лабораторные технологические регламенты получения композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода могут быть использованы для создания новых ресурсосберегающих, малоэнергоемких, малоотходных производств.
Предложенные композиционные материалы на основе наноструктурированного углерода могут быть применены в кабельной промышленности при получении электроизоляционных лаков и эмалей, обладающих высокой термостойкостью и эластичностью, хорошими диэлектрическими свойствами для покрытия проводов и изделий. А поскольку они обладают высокой термостойкостью и стойкостью к окислению, то могут входить в состав деталей авиационных и ракетных двигателей при изготовлении уплотнений, вкладышей, подшипников, не требующих смазки. Могут применяться при создании материалов с высокими тепло- и звукоизолирующими свойствами в авиации и транспортном машиностроении. Из множества объективных преимуществ авиационных деталей, изготовленных из композитных материалов на основе наноструктурированного углерода, можно выделить малый вес (на 60–80% меньше аналогичных из алюминия), отличную прочность, устойчивость к давлению, прекрасную гибкость и устойчивость к коррозии. Композиционные материалы имеют «высокие» экологические свойства, не требуют трудоемкого ухода и имеют новый вид на протяжении многих лет.
Результаты ПНИ могут быть интересны всем научным и коммерческим организациям, работающим в области получения термостойких полимерных нанокомпозитов для создания новых материалов с повышенной термостойкостью и повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению. В том числе, результаты ПНИ могут интересовать следующие организации: научно-образовательные структуры соответствующего профиля (МГУ им. М.В. Ломоносова, РХТУ им. Д.И. Менделеева, МИТХТ им. М.В. Ломоносова, МГТУ им. Н.Э. Баумана и т.д., ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН, Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН и др. институты РАН); отраслевые организации и коммерческие структуры (ФГУП «ВИАМ», ОАО «СИБУР Холдинг», Американская химическая компания DuPont).

Текущие результаты проекта:
Работы, выполненные за счет средств субсидии:

1 Написан аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
2 Произведён выбор и обоснование направления исследований.
3 Проведены патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
4 Произведён выбор марки углеродного волокна, марки наноструктурированного карбида кремния и марок углеродных нанотрубок отечественного производства.
5 Произведён выбор строения и структуры полиимидных матриц.
6 Разработан метод получения диангидридов кислот для синтеза полиимидных матриц.
7 Разработана методика получения диангидридов кислот для синтеза полиимидных матриц.
8 Разработан метод получения диаминов для синтеза полиимидных матриц.
9 Разработана методика получения диаминов для синтеза полиимидных матриц.
10 Разработаны программа и методики испытаний образцов мономеров и полиимидов.
11 Изготовлены экспериментальные образцы четырёх диангидридов и двух диаминов массой 500г каждый и 6шт полиимидов массой не менее 300г каждый.
12 Разработаны метод и методика получения полиимидов.
13 Разработаны методы и методики получения композитов на основе углеродных наполнителей, немодифицированного наноструктурированного карбида кремния и полиимида.
14 Разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов композиционных материалов.
15 Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы композитов на основе углеродных наполнителей, немодифицированного наноструктурированного карбида кремния и полиимида в количество по 6шт. с каждым видом наполнителя, массой не менее 30г каждый.
16 Разработаны рекомендации по выбору оптимального варианта состава композиционного материала «полиимид-наноструктурированный углерод». Выбраны оптимального варианта состава композиционного материала «полиимид-наноструктурированный углерод».

Работы (мероприятия), выполненные за счет внебюджетных средств:

1 Проведены маркетинговые исследования рынка исходных нанонаполнителей и веществ, необходимых для получения диангидридов кислот и диаминов, применяемых для синтеза полиимидной матрицы.
2 Разработана методика исследования исходных нанонаполнителей.
3 Проведены исследования углеродного волокна, наноструктурированного карбида кремния и углеродных нанотрубок различных марок отечественного производства, согласно разработанной методике исследования.
4 Осуществлено материально-техническое и ресурсное обеспечение работ, произведённых на 1 этапе выполнения соглашения.
5 Разработаны методики модификации наноструктурированного карбида кремния, изготовлены и исследованы 5шт. эксперимент. образцов в количестве не менее 10г. каждый.
6 Разработаны метод и методика модификации поверхности углеродных нанотрубок.
7 Подана заявки на патент на тему: "Способ получения полиимидного композитного плёночного покрытия, армированного наноструктурированным карбидом кремния."
8 Проведен анализ модельной схемы получения композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода на возможность применения в масштабном производстве.
9 Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы углеродных нанотрубок с модифицированной поверхностью в количестве 3шт. не менее 10г. каждый.
10 Разработаны методы и методики получения композитов на основе наноструктурированного карбида кремния и углеродных нанотрубок с модифицированной поверхностью и полиимида.
11 Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы композитов на основе наноструктурированного карбида кремния с модифицированной поверхностью и полиимида в количестве 3шт. не менее 30г. каждый.
12 Приняли участие в конференции "Nanomaterials: Application & Properties '2015".