Южно-Российский государственный политехнический университет НПИ имени М И

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова Химико-технологический факультет, НИИ «Нанотехнологии и новые материалы» ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ – ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ А. П. Савостьянов Новочеркасск, июнь 2014 г. 1

Ι. Направления НИР и ОКР ЮРГПУ (НПИ) энергонасыщенным материалам Высокоэнергонасыщенные материалы: ИВВ (используемые в капсулях-детонаторах); окислители энергетических конденсированных систем (твердое ракетное топливо); азотсодержащие гетероциклические соединения (используются в производстве высокоэнергетических веществ). 2. Регулирование скорости горения высокоэнергетических конденсированных систем на основе нитрата аммония. 3. Производство флегматизатора для ВВ. 1. 2

1. 1 Высокоэнергонасыщенные материалы - ИВВ Известны ИВВ для капсул-детонаторов (КС) на основе гремучей ртути, азида свинца, ТНРС, тетразена. Недостатки: малая термостабильность (до 200 0 С), токсичность, поскольку содержат соли ртути и свинца, сложная технология приготовления исходных веществ и т. д. Направление разработки - создание экологически безопасных малогабаритных КС на основе солей амида хлорной кислоты. Преимущества: - повышенные инициирующие и окислительные свойства; Ø - позволяют заменить несколько компонентов в КС одним; Ø - повышенная безопасность стадии снаряжения КС; Ø термостабильность КС повышается до 250 0 С при сохранении взрывчатых характеристик на уровне азида свинца; Ø обладает чувствительностью к лазерному импульсу (стронциевая соль - важно при создании изделий новой техники для различных областей применения). 3

1. 1 Высокоэнергонасыщенные материалы окислители энергетических конденсированных систем (ЭКС) Смесевые (ЭКС) реализуют самоподдерживающееся горение. Применяются в качестве источников рабочего тела энергетических установок, газогенераторов, ракетные двигатели на твердом топливе, мощные лазерные установки, источники низкотемпературной плазмы; устройства пожаротушения ит. д. В ЭКС используют перхлорат аммония (ПХА), вторичные взрывчатые вещества типа октогена (циклотетраметилентетранитрамин) и гексогена (триметилентринитроамин). Недостатки: продуктом сгорания ЭКС на основе ПХА является HCl, массовое содержание которой может достигать сотен тонн при работе твердотопливных ускорителей космического корабля многоразового использования типа Шаттл. Направление работы - нитрат аммония (НА) как компонент ЭКС. Достоинства : - удовлетворяет требованиям экологической и взрывобезопасности, - практически неограниченная сырьевая и промышленная базы, дешевый Разработаны: - способы стабилизации полиморфных переходов в эксплуатационном интервале температур; - улучшена воспламеняемость, уменьшено значений нижнего предела (по давлению) горения; - увеличена скорость горения и полнота сгорания горючих элементов. 4

1. 1 Высокоэнергонасыщенные материалы азотсодержащие гетероциклические соединения Сущность разработки азотсодержащих гетероциклических соединений – производных 1, 2, 4 -триазола - совмещение нескольких технологических стадий в процесс однореакторного синтеза. Достоинства: Ø совмещение стадий образования взрывчатых интермедиатов и их превращения в стабильные продукты приводит к резкому увеличению взрывобезопасности производства; из технологического процесса устраняются токсичные и огнеопасные органические растворители и некоторые реагенты, Ø уменьшается энергопотребление, снижается количество вредных выбросов Ø 5

1. 1 Высокоэнергонасыщенные материалы - ОКТР для ОПК Тема работы Заказчик Создание опытного промышленного ФКП «Завод имени Я. М производства церезина из природного Свердлова» , г. Дзержинск газа Церезин - используется как флегматизатор при производстве взрывчатых веществ Стоимость работ по созданию промышленной установки – порядка 200 млн. руб. 6

Агрегат синтеза церезина Манометр Ротаметры газовые Штуцера для подвода синтез-газа, азота Реактор Регуляторы расхода газов Вентили запорные Регулятор давления Сборник тяжёлых углеводородов Сборник лёгких углеводородов 7

1. 1 Высокоэнергонасыщенные материалы регулирование скорости горения ВКС Сущность разработки - в твёрдотопливный заряд (в камеру сгорания) встроена система электродов. Через реакционную зону ВКС пропускается электрический ток, поддерживается постоянный контакт между зоной проводимости и управляемым источником тока. При прочих равных условиях (химическом составе, начальной температуре топлива, температуре и давлении в камере и др. ) скорость разложения конденсированной системы будет являться функцией тока, протекающего через электропроводный слой. Достоинство – независимо от внутрикамерных газодинамических условий появляется возможность ускорения или замедления горения топлива в ракетном двигателе в процессе его работы. 8

ΙΙ. Композиционные материалы Электрохимическая энергетика создание композиционных материалов для топливных элементов с твердым полимерным электролитом (ТПТЭ), преобразующие энергию топлива и окислителя в электрическую энергию nсоздание электрохимических суперконденсаторов(СК) – устройств способных накапливать электростатический заряд и затем отдавать его за очень короткий промежуток времени. n 9

ΙΙ Композиционные материалы для топливных элементов (ТЭ) Применение ТЭ - в качестве источника питания в беспилотных летательных аппаратах (БЛА). Достоинства: - установка ТЭ на БЛА вместо обычного аккумулятора для электродвигателя в несколько раз увеличивает продолжительность полета, - по сравнению с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), топливные элементы дают сопоставимую продолжительность полета. Однако у электродвигателя отсутствуют вредные выбросы, что присуще ДВС, ниже уровень вибраций и шума. В ЮРГПУ (НПИ) разработан новый метод получения нанодисперсных композиционных материалов, основанный на электрохимическом диспергировании металлов. Каталитические материалы, полученные этим методом, продемонстрировали характеристики соизмеримые или превышающие характеристики их аналогов - стабильность Pt/C катализатора для ТЭ увеличилась более, чем в 5 раз. 10

Возможности применения топливных элементов в авиации 11

ΙΙ Композиционные материалы Суперконденсаторы n n Предложена возможность использования накапливающегося на поверхности синтетических или шерстяных тканей (одежда человека) электростатического заряда посредствам соединения проводящих волокон, входящих в их состав, с электродами электрохимического элемента (суперконденсатора). Заряженный таким способом суперконденсатор можно использовать в качестве источника питания различных портативных электронных устройств. Ёмкость суперконденсатора на основе Ni. O/C материала повышена с 200 Ф/г до 700 Ф/г 12

Принцип работы устройства на основе суперконденсатора для накопления электростатических зарядов 13

ΙΙ Композиционные материалы Оптически селективные и оптически черные покрытия (солнечная энергетика) n n n разработаны принципиально новые электрохимические способы получения наноструктурированных композиционных покрытий с использованием переменного асимметричного тока. Получены оптически селективные и оптически черные покрытия с размерами частиц от 10 до 70 нм на поверхности алюминия. Коэффициенты поглощения и излучения, соответственно, составляют 96, 0 и 9, 0 %. Синтезированы катодные материалы для литий ионных аккумуляторов на основе молибденсодержащих оксиднокерамических покрытий. Практическая ценность - тепловые солнечные элементы, ионные аккумуляторы, защита от коррозии 14

ΙΙ Композиционные материалы «Повышение ресурса эксплуатации тяжелонагруженных узлов трения скольжения летательных аппаратов» Основа разработки - модификация поверхностей современных полимерно-тканевых композитов широко используемых в современной авиационной технике. Позволяет: Ø в условиях бессервисной эксплуатации в 1, 5 -2 раза увеличить срок эксплуатации тяжело нагруженных (до 500 МПа) узлов трения скольжения; Ø в 2 -3 раза снизить время приработки этих узлов Ø в 5 раз снизить коэффициент трения (особенно важно в момент страгивания - с 0, 3 -0, 4 до 0, 06 -0, 08) Ø расширяются температурные условия эксплуатации от -1000 С до +2000 С, а также ресурс материала. Необходимое финансирование для выполнения НИР – 16 млн. руб. 15

ΙΙ Композиционные материалы «Повышение надежности и долговечности узлов трения особо сложного профиля» Может быть использована в изделиях прецизионной техники: оптической, радиоэлектронной, аэрокосмической, при производстве оружейной техники в целях повышения надежности. Сущность разработки - покрытия наносят из специальных воднодисперсионных составов на электропроводящие поверхности методом электроосаждения, обеспечивающим высокую адгезию и равнотолщинность по всему профилю изделия. Достоинства: Øпри толщине покрытий от 8 до 50 мкм, нагрузках 0, 5 -10 МПа и скоростях скольжения до 20 -30 м/с коэффициент трения в пределах 0, 02 -0, 06. Øтемпература эксплуатации от -1600 С до +3000 С. ØРазработанный метод прост и надежен в производстве, экологически чист, взрыво- и пожаробезопасен. Ø В автоматическом режиме время нанесения покрытия 1 -2 мин. , температура полимеризации 180 -2600 С, время полимеризации 20 -10 мин. Стоимость выполнения НИР – 8 млн. руб. 16

ΙΙ Композиционные материалы (антиобледенители) Назначение – антиобледенительные композиции для различных типов самолетов (военнотранспортные, пассажирские, вертолеты, гидросамолеты) В настоящее время поверхности обрабатывают многократно различными антиобледенительными жидкостями. Предлагаемый принцип защиты от обледенения путем нанесения специального покрытия из органических и водно-органических дисперсий предусматривает переход от пленочной адсорбции к капельной. Это полностью исключает образование наледей и увеличивает эффективность авиационной техники. Достоинства: ØНаносят в полевых и в заводских условиях при температурах от -40 0 С до +2000 С любым способом. Технология изготовления композиций проста и заключается в чисто механическом смешении исходных веществ, выпускаемых отечественной промышленностью. ØПокрытия из них совместимы с любыми лакокрасочными покрытиями. ØНорма расхода 60 -120 г/м 2. Цена композиции – 180 -310 руб. за 1 кг. Стоимость выполнения НИР - 12 млн. руб. Сроки – 1, 5 года. 17

ΙΙ Композиционные материалы «Невидимка» Цель - противодействие обычным и нелинейным радиолокаторам. Сущность работы - синтез новых радиопоглощающих наноматериалов, параметрами вольт-амперных характеристик которых можно управлять за счет изменения напряженности электрического или магнитного поля «смещения» . Достоинства: Повышается радионезаметность летательных аппаратов за счет поглощения ЭМ волн в диапазоне от 2× 108 до 3× 1012 Гц. Стоимость ОКТР - 65 млн. руб. Сроки 2 -3 года. 18

Наши партнёры Ø Ø Ø Ø Ø Институт органической химии РАН (г. Москва) Институт высоких температур РАН (г. Москва) НИИФОХ ЮФУ(г. Ростов-на-Дону) ОАО НПП «Краснознамёнец» (г. Санкт-Петербург) Санкт-Петербургский технологический университет (ЛТИ им. Ленсовета) ФКП «Завод имени Свердлова» (г. Дзержинск) ФКП «Каменский химкомбинат» (г. Каменск-шахтинский) ООО «Самарский катализаторный завод» (г. Самара) Институт катализа им. Борескова СО РАН (г. Новосибирск) ИХФ РАН (г. Черноголовка) Мы готовы к сотрудничеству. Спасибо за внимание! 19