Слайд 1 - Институт Ядерной Физики им.Г.И.Будкера СО РАН

BIC
Междисциплинарный интеграционный проект
№112:
СОЗДАНИЕ НОВЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ
МАТЕРИАЛОВ, УСТОЙЧИВЫХ К ВОЗДЕЙСТВИЮ
ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМИ
ПАРАМЕТРАМИ
Координатор проекта:
академик Кругляков Э.П., ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН
Организации – участники проекта:
ИК им. Г.К.Борескова СО РАН (академик Пармон В.Н., с.н.с. Снытников В.Н.)
ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН (академик Кругляков Э.П., д..ф.-м.н. Бурдаков А.В.)
BIC
Цель проекта (в части разработки углеродных покрытий):
Разработка новых наноструктурированных углеродных материалов для
защитных покрытий в энергонапряженных устройствах
Предполагаемые результаты:
Разработка защитных покрытий на основе новых углеродных материалов,
а именно, Сибунита и каталитического волокнистого углерода (КВУ)
Получение данных о кинетике абсорции изотопов водорода различными
углеродными материалами, в том числе графитом, Сибунитом и
каталитическим волокнистым углеродом (КВУ)
BIC
Тема выступления:
СОЗДАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ С
ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ
BIC
Основные недостатки графитовых защитных
покрытий
1. Накопление термической усталости материала с его
последующим разрушением при импульсном режиме работы
реактора
2. Набухание графитового материала под воздействием нейтронов и
его хрупкое разрушение с образованием углеродной пыли
3. Поглощение трития образующейся углеродной пылью
BIC
Структура аллотропных форм углерода
Кубический (А) и
гексагональный
алмаз (Б)
А
Б
Модель a-карбина
(А) и b-карбина (Б)
Гексагональный (А) и
ромбоэдрический (Б) графит
А
Б
BIC
Аллотропные формы и разновидности углерода
УГЛЕРОД
sp3
sp2
АЛМАЗ
sp
ГРАФИТ
КАРБИН
sp3+ sp 2+ sp
СМЕШАННЫЕ (ПЕРЕХОДНЫЕ) ФОРМЫ УГЛЕРОДА
Активные угли, стеклоуглерод,
сажи, углерод-углеродные
композиты, филаментарный
углерод, Сибунит и др.
spm
ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ
ФОРМЫ УГЛЕРОДА
1<m<2
2<m<3
ЦИРКУЛЕНЫ
ФУЛЛЕРЕНЫ
BIC
Требования к новым углеродным материалам
для защитных покрытий
Электропроводность и коррозионная стойкость, близкие к
таковым у графита
Высокая термическая устойчивость и механическая
прочность, превосходящие таковые у графита, благодаря
лабильности углеродного каркаса и его устойчивости к
напряжениям,
возникающим
при
температурных
колебаниях и смещениях графеновых сеток при набухании
Низкая пористость и газопроницаемость
BIC
Схема формирования структуры Сибунита
ИК СО РАН, г. Новосибирск
ИППУ, г. Омск
A - конденсация (отложение пироуглерода PC на частицы сажи CB);
B, C, D, E - активация (окислительная газификация PC/CB композита)
Likholobov V.A., et. al.
React. Kinet. Catal. Lett.,
54 (2), 381-411 (1995).
BIC
Сибунит
Изменение морфологии и удельной поверхности частиц угля при активации
30 нм
S = 5-10 м2/г
S = 150 м2/г
S = 300-500 м2/г
Изменение микроструктуры углеродной матрицы при термической
обработке
5 нм
2200 0С
BIC
Характеристики углеродных материалов
семейства СИБУНИТ
Широкий диапазон вариации удельной
поверхности и параметров
пористой структуры
SBET = 5 – 550 м2/г,
Vпор = 0.1 – 1.0 см3/г,
Dпор = 5 – 80 нм
 Высокая чистота
Зольность < 0.2%
 Высокая степень упорядоченности
кристаллической структуры
La ~Lc = 3 – 4 нм,
d002 = 0.345 – 0.350 нм
 Высокая механическая прочность
До 210 кг/см2
 Химическая и термическая
стабильность
 Низкое объёмное электрическое
сопротивление
0.0012 м
BIC
Ассортимент экструдатов на основе
углеродных материалов семейства Сибунит
BIC
Ассортимент блочных изделий сотовой
структуры на основе Сибунита
Закономерности осаждения
пироуглерода (ПУ) и
активации блочных изделий
сотовой структуры подобны
закономерностям осаждения
ПУ и активации для гранулированных материалов
BIC
Каталитический волокнистый углерод (КВУ)
ИК СО РАН, г. Новосибирск
Схема получения
A
B
C
Al2O3
A – синтез катализатора Ni/Al2O3,
Fe/Al2O3, Co/Al2O3,
Ni-Cu/Al2O3 или Ni-Co/Al2O3
B,C – рост углеродных нитей при
каталитическом разложении
углеводородов при 550-650°С
Нанотекстура поверхности углеродных волокон
Ni/Al2O3
Ni-Cu/Al2O3
Fe/Al2O3
BIC
Условия синтеза и характеристики N-КВУ
30 нм
45 нм
30 нм
20 нм
10
нм
100
20 нм
нм
100 нм
20
нм
Морфология N-КВУ, выращенных на NiCu-катализаторе из смеси Н2+10%Ру при
550°С (А) и 650°С (В).
550°С.
Врезка: структура тонких нановолокон, полученных при
№
T, °С
Состав
реакционной смеси
Выход,
г/г (Ni+Cu)
Содержание N,
масс. %
ABET,
m2/g
1
550
15% Py + H2
40
2.2
280
2
650
10% Py + H2
46
1.5
320
3
750
10% Py + H2
49
3.0
110
4
800
10% Py + H2
26
3.2
47
6
750
15% Py + Ar
6
5.0
BIC
Характеристики КВУ
 Диаметр волокон
SBET = 70 – 300 м2/г,
Vпор = 0.3 – 0.8 см3/г,
Dпор = 10 – 50 нм
30 – 50 нм
 Зольность
0.2 – 1%
 Параметры кристаллической
структуры
La ~Lc = 6 – 7 нм,
d002 = 0.340 – 0.345 нм
 Механическая прочность
70 – 120 кг/см2
 Содержание гетероатомов
До 4% вес. (N)
 Удельная поверхность и
параметры пористой структуры
BIC
Характеристики углеродных материалов
Сибунит и КВУ в сравнении с
гранулированными активными углями
Марка
Внешний
вид
АРБ (Россия)
Черенок
CG-5 ( Япония)
S БЭТ ,
2
м /г
V микро ,
3
см / г
V мезо ,
3
см / г
V S,
3
см / г
D ср. ,
Å
Зольность,
вес.%
П
1)
2)
K ,
%
438
0.192
0.027
0.219
20
13.0
2.9
5
Дроблен.
1024
0.438
0.047
0.485
19
2.8
6.3
10
L-2702 ( Германия)
Черенок
1024
0.453
0.046
0.499
19
4.2
4.7
-
FB-4 ( Чехосл.)
Черенок
606
0.222
0.144
0.366
24
5.6
3.2
-
Сибунит (Россия)
Гранула
440
0.015
0.665
0.680
62
0.3
8.5
60
КВУ-1 (Россия)
Гранула
120
0.01
0.31
0.32
-
-
80
1)
П - прочность на раздавливание, кг на гранулу;
2)
К - степень кристалличности.
107
BIC
Микроструктура различных углеродных
материалов и нанотекстура их поверхности
Косточковый
активный уголь
Сибунит
Каталитический
волокнистый углерод
BIC
Характеристики углеродных материалов
Сибунит и КВУ в сравнении с графитом
Характеристики
Углеродные материалы
Графит
Сибунит
КВУ
Текстура:
SБЭТ (м2/г)
Vпор (см2/г)
Dпор (нм)
Микроструктура:
La (нм)
Lc (нм)
D002 (нм)
0.1-25
< 0.1
-
5-550
0.1-1.0
5-80
70-300
0.3-0.8
10-50
12-100
12-100
0.335
3-4
3-4
0.345 - 0.350
6-7
6-7
0.340 - 0.345
Зольность (вес.%)
Мех. прочность (кг/см2)
140-250
< 0.2
70-210
0.2-1.0
70-120