Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0094

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0094
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов"
Название доклада
Разработка технологии получения нового поколения композиционных материалов модифицированных углеродными наноструктурами для аэрокосмической промышленности и машиностроения.
Докладчик
Мордкович Владимир Зальманович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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, повышенной стойкостью к коротковолновому излучению и повышенной прочностью в 1,5 раза, по сравнению с аналогами на основе эпоксидной смолы.
2) Разработка лабораторных технологий получения 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, повышенной стойкостью к коротковолновому излучению и повышенной прочностью в 1,5 раза, по сравнению с аналогами на основе эпоксидной смолы

Настоящая работа требует решения следующих задач: решение следующих задач:
1. Выполнение аналитического обзора информационных источников.
2. Экспериментальные исследования процессов связывания углеродной наноструктуры и сшитого связующего.
3. Разработка метода получения композитов.
4. Получение композитов различных типов.
5. Экспериментальное исследование свойств образцов композитов.
6. Сравнительный анализ материалов, полученных с применением вновь разработанного метода и известного из литературы метода
7. Подготовка и опубликование статей в ведущих научных журналах индексируемых в Web of Science, Scopus.
8. Обобщение результатов работы и подготовка выводов о перспективности применения разработанных методов синтеза наноструктур и материалов.
9. Выполнение комплекса мероприятий по защите РИД, способных к правовой охране.
Актуальность и новизна исследования
Композиционный материал обладает существенно более высокой термостойкостью, теплопроводностью, стойкостью к излучению и прочностью по сравнению с традиционными армированными композитами.
Традиционные армированные композиты не могут применяться или ограниченно применяются в условиях усиленного климатического воздействия, воздействия коротковолнового излучения, при повышенных температурах.
Применение наноструктурированного армирующего углерода в сочетании с допированными эластомерами или трехмерно-полимеризованными фуллеренами позволяет устранить эти недостатки.

Комбинированное наноструктурирование волокон при помощи углеродных нанотрубок и фуллерена позволяет кардинально улучшить адгезию со связующим, защитить связующее от излучения.
Применение эластомеров и трехмерно-полимеризованного фуллерена в качестве сшитого связующего позволяет существенно повысить климатическую стойкость и стойкость к излучению, увеличить термостойкость, теплопроводность, прежде всего за счет химического сшивания сквозь всю массу материала
В проекте разработан композиционный материал нового поколения, сходный по свойствам с существующими углеродными композиционными материалами, но существенно дешевле и с улучшенными физико-механическими свойствами, термостойкостью и стойкостью к коротковолновому и рентгеновскому излучению.
Описание исследования

В настоящей работе проведены экспериментальные исследования и прикладные разработки по применению наноструктурированного армирующего углерода в сочетании с допированными эластомерами или трехмерно-полимеризованными фуллеренами в композиционных материалах. Этот подход позволяет устранить недостатки известных композитов. Новый композиционный материал обладает существенно более высокой термостойкостью, теплопроводностью, стойкостью к излучению и прочностью по сравнению с традиционными армированными композитами. Наноструктурирование позволяет существенно улучшить механические свойства композитов и устранить отмеченные недостатки.

В ходе исследования выполняли аналитический обзор информационных источников, проводили экспериментальные исследования процессов связывания углеродной наноструктуры и сшитого связующего, разрабатывали методы метода получения композитов, проводили работы по получению  композитов различных типов, обобщали результаты работы и проводили подготовку выводов о перспективности применения разработанных методов синтеза наноструктур и материалов. 

Экспериментальное исследование свойств образцов композитов проводили с помощью инструментальных методов, таких, как как электронная микроскопия (сканирующая и просвечивающая), спектроскопия комбинационного рассеяния, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), термогравиметрический анализ, порометрия, комплексный анализ физико-механических свойств (прочность на разрыв, модуль упругости и др.).

Результаты исследования

Выбраны жаростойкие наполнители и условия получения трехмернополимеризованного фуллерена (С60): углеродное волокно, сероуглерод, давление 8-10 ГПа и др. Выбраны условия модификации углеродных волокон (УВ) углеродными нанотрубками (УНТ). Установлено, что условия обработки УВ и параметры роста УНТ на поверхности УВ оказывают существенное влияние на структуру и физико-механические свойства наноструктурированных композитов, на механическое сцепление между волокном и связующим на микро- и наноуровне, адгезионную прочность между УВ и связующим нанокомпозитов. Установлено существенное влияние окружающей матрицы на трансформацию sp2-гибридизованных слоев углеродных наноструктур в sp3 с упаковкой слоев АА’ (до 25 углеродных слоев). Разработаны методы получения экспериментальных образцов УНТ и нанесения С60 на УВ с последующим облучением для получения полимеризованных фаз С60. В качестве сшитых связующих выбраны механически устойчивые фуллерены С60 (95,0 и 99,5% масс.) и эластомеры - силиконовый каучук и полиуретан, обладающие низкой температурой (25°С) и усадкой при полимеризации.  Образцы исследованы методами ПЭМ, РФЭС, КРС и др. Методом ПЭМ показано, что молекулы С60 адсорбируются сначала на дефектной поверхности нанотрубок, затем по всей поверхности и далее молекулы С60 присоединяются к С60 адсорбированным ранее. После облучения на поверхности образцов появляется преимущественно сплошное плотноупакованное покрытие из сшитых кластеров С60 толщиной 2-5 нм. Результаты анализа спектров C1s, полученные методом РФЭС, показали отсутствие дополнительных пиков C1s в облученных образцах, уменьшение доли sp2 связанных атомов углерода, что может означать преобразование молекулярной формы С60 в полимеризованную. Лазерная обработка приводит к исчезновению дифференциальной зарядки. Установлено, что полимеризация кластеров С60 на поверхности углеродных структур может происходить как при лазерном облучении образцов, так и при высокотемпературном прессовании при давлении 30 кбар. Достигнута термостойкость для экспериментальных композиционных образцов на основе полимеризованных С60 не менее 1400°С, а для композитов на основе эластомеров не менее 400°С. Теплопроводность для композитов на основе полимеризованных С60 не менее 4 Вт/м*К. Для образцов композиционного материала на основе эластомеров прочность на разрыв составила не менее 1,7 ГПа. стойкость к коротковолновому рентгеновскому излучению увеличилась на 8-10 % по сравнению с образцами без нанотрубок.

Изготовлены экспериментальные образцы наноструктурированного углеродного материала и композиционных материалов.

Разработаны Программа и методики исследовательских испытаний.

Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов наноструктурированного углеродного материала и композиционных материалов.

 

Показано, что комбинированное наноструктурирование УВ нанотрубками и фуллеренами улучшает адгезию со связующим. Разработанные композиционные материалы обладают стойкостью к рентгеновскому излучению и климатическому воздействию, высокой термостойкостью и теплопроводностью, прежде всего за счет химического сшивания сквозь всю массу материала, а за счет полимерной матрицы увеличилась стойкость к коротковолновому рентгеновскому излучению.

Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень показывает наличие новизны данного проекта для России.

Практическая значимость исследования
Область применения результатов – разработка композиционных материалов для авиационной, космической техники, атомной энергетики и машиностроения.
Композиционные материалы, полученные в рамках настоящего проекта, могут быть использованы для изготовления компонентов изделий экстремальной электроники гражданского назначения (сердечников высоковольтных кабелей, компенсаторов контактных электросетей, защитных листов повышенной прочности и стойкости к климатическим воздействиям), в аэрокосмическом комплексе (внешняя обшивка модулей; элементы теплоизоляции); в судостроении (компоненты приборов для судостроения, элементы наружной обшивки, гидроизоляционные и антикоррозионные покрытия); в автомобилестроении (приводные ремни; элементы защиты корпуса, днища; элементы пассивной безопасности - бамперы, ремни безопасности; элементы внутренней отделки салона -торпеда, декоративные панели салона).
Данная работа может стать основой для разработки процесса получения опытных образцов композитов нового поколения и для масштабирования производства в целях использования этих материалов в авиационной, аэрокосмической, судостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности.
Презентация

Presentation___IN-8683614.ppt

Постер

Poster_IN-8683614.ppt