Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0084

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0084
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка металлоподобных полимерных композитов конструкционного назначения на основе наноструктурных углеродных наполнителей
Докладчик
Лёвина Вера Васильевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка и исследование металлоподобных полимерных композиционных материалов с улучшенными свойствами (электрическими, механическими, тепловыми) на основе многостенных углеродных нанотрубок и графенов, а также создание научно-технических основ технологии производства высококачественных металлоподобных полимерных композиционных материалов и изделий на их основе для применения в высокотехнологичных приложениях с использованием суперконцентратов углеродных наноматериалов.
Актуальность и новизна исследования
Использование полимерных матриц, наполненных углеродными наноразмерными частицами различного типа, предоставляет значительное преимущество перед традиционными наполненными композитными материалами и металлами. Использование полимерных материалов для создания композитов позволяет: 1) разрабатывать различные комбинации составов матрицы, отвечающих необходимым требованиям по физико-химическим и физико-механическим свойствам; 2) использовать для получения конечных изделий дешевые и практичные методы обработки, исключающих образование значительного количества отходов и зачастую не требующих специальных методов пост-обработки; 3) обеспечить энергоэффективное и рациональное использование ресурсов за счет использования низких температур при получении об обработке материалов, а также за счет возможности вторичного использования материала.
Описание исследования

В ходе работ использованы передовые методики и подходы к исследованию и синтезу новых материалов. Свойства исходных и полученных материалов исследованы с использованием оборудования мирового уровня и высококлассных специалистов и научных сотрудников НИТУ «МИСиС». 

Для достижения поставленных целей в ходе выполнения проекта решались следующие основные задачи.

1. Развитие методов диспергирования углеродных наночастиц в различных средах с целью получения максимальной степени разбиения агломератов углеродных наночастиц и получения стабильных суспензий и смесей углеродных наночастиц с полимерными материалами для дальнейшего синтеза композиционных материалов.

2. Разработка методов направленной химической функционализации поверхности углеродных наноматериалов с целью оптимизации условий их диспергирования в растворителях и взаимодействия с полимерными матрицами.

3. Исследование свойств полученных суспензий и смесей углеродных наночастиц (распределение частиц по размерам, временная и термическая стабильность и т.п.) в зависимости от свойств углеродных наночастиц (средний диаметр, длина), растворителей, условий приготовления.

4. Разработка методов синтеза металлоподобных композиционных материалов на основе полимерных матриц и оптимизация условий синтеза материалов с требуемыми свойствами.

5. Исследование свойств полученных металлоподобных композиционных материалов, таких как – структурные,  электрофизические, механические свойства, теплофизические.

6. Получение прототипов изделий из разработанных металлоподобных полимерных композитных материалов и непосредственно разработка опытной технологии получения композиционных материалов с использованием массива полученных данных, теоретических и экспериментальных результатов.

Результаты исследования

Разработаны и обоснованы экспериментальные и методические подходы для решения задач, поставленных в рамках ПНИЭР, а также методы направленной функционализации поверхности углеродных наночастиц с целью оптимизации условий их диспергирования в растворителях и взаимодействия с полимерными матрицами. Показано, что наиболее легкой диспергируемостью обладают углеродные нанотрубки с меньшим диаметром и большей удельной поверхностью, при этом концентрация углеродных наночастиц не должна превышать 0,01% масс. Теоретически установлены соотношения, необходимые для оценки критерия отклонения зависимости напряжения сдвига и вязкости суспензий и смесей углеродных наночастиц от закона течения Ньютона и предложено использовать показатель степени n в зависимости вязких напряжений от скорости сдвига в качестве характеристик меры неньютоновского поведения суспензий углеродных наночастиц. Изготовлены экспериментальные образцы функционализированных углеродных наночастиц. В результате исследования влияния свойств поверхности углеродных наночастиц на свойства разрабатываемых МПКМ установлено, что углеродные наночастицы с большим значением площади удельной поверхности и более регулярной структурой при меньшем диаметре, существенно эффективнее для повышения электропроводности термопластичных композиций. Вероятнее всего, большая удельная поверхность и меньший диаметр позволяют обеспечить формирование более эффективной перколяционной сетки в композитах на основе УНТ. По результатам испытаний экспериментальных образцов металлоподобных композитов установлены зависимости коэффициента теплопроводности, электропроводности предела прочности от содержания углеродных наночастиц. В результате испытаний эксплуатационных свойств изделий на основе металлоподобных полимерных композиционных материалов установлено, что теплоотдача образцов в окружающую атмосферу, а также их электропроводность существенно возрастают при повышении концентрации УНТ. Кроме того, показано, что что применение наноуглеродных наполнителей позволяет существенно (в 5 раз) снизить коэффициент трения разработанного металлоподобного полимерного композита. Разработан лабораторный технологический регламент получения металлоподобных полимерных композиционных материалов. в соответствии с которым изготовлены экспериментальные образцы полимерных композитов. Проведены испытания экспериментальных образцов металлоподобных полимерных композитов, результаты которых указывают на соответствие мировому уровню исследований в области ПНИЭР. Разработана лабораторная методика получения на основе металлоподобных полимерных композиционных материалов следующих изделий: втулка пары трения, токопроводящая пленка, тепло-электропроводящая труба. Выполнена модернизация экспериментального образца нестандартного оборудования ультразвуковой гомогенизатор углеродных наночастиц для обеспечения повышения эффективности диспергирования углеродных наночастиц в различных средах, увеличения его производительности и воспроизводимости результатов гомогенизации. Изготовлены экспериментальные образцы изделий на основе металлоподобных полимерных композиционных материалов. Проведены испытания изготовленных образцов.

Практическая значимость исследования
Возможными потребителями результатов ПНИЭР могут являться частные и государственные компании, как крупные, так и малые, областью деятельности которых является высокотехнологическое производство в различных отраслях – производстве элементов техники для возобновляемой энергетики, аэрокосмической, медицинской, электронной, ВПК, автомобильной и т.п. К числу заинтересованных потребителей относятся: объединенная авиастроительная компании (и входящие в нее отдельные предприятиях и холдинги, например, НАПО им. Чкалова, «Гражданские самолеты Сухого» и др.), ГКНПЦ им. Хруничева, ОАО «Российская электроника», различные радиозаводы (Барнаульский, Егоршинский и др.), ОАО «Ангстрем», ГК «Ростехнологии» и другие компании, использующие в своей деятельности полимерные и композиционные материалы. Разработка и использование технологий получения высококачественных композиционных материалов (суперконцентратов и полимеров на основе углеродных наноматериалов) нового класса позволит расширить ассортимент коммерческой продукции высокотехнологических предприятий, снизить импортозависимость, расширить области применения полимеров.