Энергонасыщенные и композиционные материалы

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 0С), 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;

- позволяют заменить несколько компонентов в КС одним;

- повышенная безопасность стадии снаряжения КС;

термостабильность КС повышается до 250 0С при сохранении взрывчатых
характеристик на уровне азида свинца;

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:

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,
 уменьшается энергопотребление, снижается количество вредных
выбросов

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
создание электрохимических
суперконденсаторов(СК) – устройств способных
накапливать электростатический заряд и затем
отдавать его за очень короткий промежуток
времени.

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


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 NiO/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)



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:
 в условиях бессервисной эксплуатации в 1,5-2 раза увеличить
срок эксплуатации тяжело нагруженных (до 500 МПа) узлов
трения скольжения;
 в 2-3 раза снизить время приработки этих узлов
 в 5 раз снизить коэффициент трения (особенно важно в
момент страгивания - с 0,3-0,4 до 0,06-0,08)
 расширяются температурные условия эксплуатации от
-1000С до +2000С, 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:
при 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.
0
0
температура эксплуатации от -160 С до +300 С.
Разработанный метод прост и надежен в производстве, экологически чист,
взрыво- и пожаробезопасен.
 В автоматическом режиме время нанесения покрытия 1-2 мин.,
температура полимеризации 180-2600С, 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:
Наносят в полевых и в заводских условиях при температурах от -400С до +2000С любым
способом. Технология изготовления композиций проста и заключается в чисто
механическом смешении исходных веществ, выпускаемых отечественной
промышленностью.
Покрытия из них совместимы с любыми лакокрасочными покрытиями.
Норма расхода 60-120 г/м2. 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










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