Transcript Отчеты приоритетных направлений ИЕН
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук «
Разработка научных основ создания полимерных композиционных материалов
»
Руководитель: д.т.н., профессор Охлопкова А.А.
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук
Основная цель
Разработка новых конструкционных полимерных материалов, характеризуемых улучшенным комплексом свойств и адаптивностью к экстремальным условиям эксплуатации.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук Основные научные результаты за 2010-2013 гг.
Разработаны физико-химические принципы создания полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Разработаны технологии создания полимерных нанокомпозитов с высокими износостойкостью (в 200-1000 раз) по сравнению с промышленными аналогами, деформационно-прочностными характеристиками взаимодействия между компонентами.
и морозостойкостью, базирующиеся на формировании межфазных слоев и усилении адгезионного Установлены закономерности формирования полимерных нанокомпозитов, позволяющие управлять их свойствами в процессе переработки.
Разработаны новые материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и нанопорошков оксидов, нитридов, карбидов, шпинелей различных металлов, характеризуемые высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения; с углеродными волокнами для тяжелонагруженных узлов трения (подшипников скольжения, сепараторов качения).
Разработаны новые материалы герметизирующего назначения на основе пропиленоксидного, бутадиен-нитрильного морозо-, масло-, бензостойкостью.
каучуков, модифицированных неорганическими наносоединениями или минеральными наполнителями и термопластичными полимерами. Материалы отличаются высокой износо-, Разработаны ПКМ с жидкофазным наполнением с повышенной (в 1000 раз) износостойкостью.
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук Совместная активация компонентов композита Активация наполнителей Технологические способы управления свойствами ПКМ Введение в состав композита полимерных добавок обладающих внутримолекулярной подвижностью а а а б б б
• усиление контактного взаимодействия; • равномерное распределение частиц наполнителя в объеме композита; • формирование прочного нанокомпозита.
распределение частиц наполнителя в объеме полимера: а- до активации;
б –
после активации • формирование износостойкой структуры поверхностного слоя ПКМ при трении; • повышение износостойкости ПКМ в 370 раз; • снижение коэффициента трения в 1,5-2 раза
а
-
б -
поверхность трения ПКМ с наполнителем без акт.
поверхность трения ПКМ с наполнителем с акт.
формирование развитых переходных слоев; усиление адгезионного взаимодействия компонентов композита; повышение деформационно-прочностных характеристик (на 20-60%) и износостойкости ПКМ (в 370 раз).
а
– ПТФЭ;
б –
ПТФЭ+Ф-4МБ+нанонаполнитель
Схема создания полимерных нанокомпозитов
а
Полимер Наносоединение Повышение прочности на 25 %, износостойкости в 300-1500 раз Нанокомпозит Минерал (силикаты) Активация
c
Состав Полимер (ПТФЭ) ПТФЭ + шпинель кобальта(1- мас 5 %) ПТФЭ + оксид алюминия (2 мас. %) 50 мкм Свойства модифицированного ПТФЭ Предел прочности при растяжении, МПа Относительное удлинение при разрыве, % Скорость изнашивания массовая, 10 -6 кг/ч 20-22 19-25 300-320 330-400 70-75 0,2-0,6 20-25 300-320 0,1-0,2 ПТФЭ + серпентинит (2-5 мас %) 18-22 310-330 0,05-0,1 Кольца для гидравлических подъемников экскаваторов, бульдозеров, самосвалов, грузовиков Подшипники скольжения Подшипники оси поворота подъемного крана Коэффициент трения 0,2 0,15-0,18 0,18-0,20 0,15-0,18 Поршневые кольца и уплотнения штока насосов и компрессоров Уплотнения для амортизаторов и основных стоек шасси самолетов Подшипники рулевого механизма грузовиков Изолирующие втулки на коробки трансформаторов Уплотнения гидросистемы сейсмического вибратора
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук
Структура поверхности трения нанокомпозитов
Поверхность трения полимерного композита Поверхность трения полимерного нанокомпозита ПТФЭ + 0,5% Al 2 O 3 ПТФЭ + 2,0% Al 2 O 3 ПТФЭ + 5,0% Al 2 O 3
Измерение силы адгезии с помощью АСМ спектроскопии
а б в г F= 0,2Н/м ×135нм=
27×10 -9 Н зона материал Опытная резина+10%СВМПЭ О.р.+10%(СВМПЭ+5%акт.цеолит) О.р.+10%(СВМПЭ+5%шпинельMg)
F= 0,2Н/м ×252нм=
50×10 -9 Н
а) рельеф поверхности, 15x15мкм (СВМПЭ) б) изображение локальной жесткости, 15x15мкм (СВМПЭ) в) рельеф поверхности, 15х15мкм (эластомерная фаза) г) локальная жесткость, 15х15мкм (эластомерная фаза)
Эластомерная матрица СВМПЭ Среднее значение силы адгезии, ×10 -9 Н 80±10 26±3 58±5 63±4
7
СВФУ является исполнителем Федеральной целевой программы: "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011гг.", для реализации этой программы в 2010 году создан научно-образовательный центр (НОЦ) «Нанотехнологии» В состав НОЦ "Нанотехнологии» входят три лаборатории:
- Учебно-научно-технологическая лаборатория “
Графеновые нанотехнологии
” открыта в мае 2011 г., приказ №363-ОД от 11.05 2011 г. – закуплено и запущено оборудование на сумму 59 579 тыс. руб. из средств ФЦП. - Учебно-научно-технологическая лаборатория “
Технологии полимерных нанокомпозитов
” открыта в октябре 2011 г., приказ №785-ОД от 14.10.2011 г. – закуплено и запущено оборудование на сумму 52 816 тыс. руб. из средств ФЦП.
- Учебно-научно-технологическая лаборатория “
Механохимические
биотехнологии” открыта в октябре 2011 г., приказ №785-ОД от 14.10.2011 г. – закуплено и запущено оборудование на сумму 17200 тыс. руб. из средств ПР СВФУ.
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук
Оборудование, приобретенное в 2011 г.
Рентгеновский дифрактометр ARL X’TRA Универсальный высокотемпературный трибометр Смеситель-реактор Пресс гидравлический П6320Б Планетарная мельница «Активатор» Учебно-лабораторный комплекс «Химия»
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук Международное сотрудничество
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ Международный проект с университетом Мионджи Республики Корея Разработка самосмазывающихся полимерных нанокомпозитов, характеризуемых высоким комплексом технических характеристик для экстремальных условий эксплуатации, на основе направленной реорганизации структуры материалов, использования новых технологий модификации связующих Разработка эластомерных материалов, работоспособных до минус 70º С, на основе новых видов каучуков путем модификации природными минералами и наноалмазами
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук Реализуемые проекты, гранты 1. ФЦП "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 - 2010 годы". Проект «Научно-образовательный центр по направлению " Нанотехнологии«, 2010-2011 гг.
2. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Проект «Организация международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях», Якутск, 2009.
3. Проект 2.4. «Кадровое обеспечение и научное сопровождение развития химико-технологического комплекса по переработке углеводородного и биосырья на СВ РФ» Программы развития СВФУ, 2010-2019 гг.
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук Гранты РФФИ 1.
2.
3.
4.
Грант РФФИ 06-08-00931-а «Исследование закономерностей изнашивания и трения полимерных нанокомпозитов» - 1, 350 млн. руб. (2008-2010 гг.) Грант РФФИ 09-03-98504р_восток_а "Разработка самоорганизующихся полимерных нанокомпозитов на основе природного минерального сырья" – 1,140 млн. руб. (2010-2012 гг.) Грант РФФИ 09-03-98502-р_восток_а «Разработка высокопрочных, морозо- и износостойких полимерных композиционных материалов на основе нанотехнологий» - 1,140 млн. руб. (2010-2012 гг.) Грант на разработку и проведение 2 новых программ ДПО северных территорий», которые внедрены в по президентской программе повышения квалификации инженерных кадров на 2012-2014 годы: «Передовые технологии переработки композиционных материалов» и «Нанотехнологии в условиях опережающего развития образовательную деятельность СВФУ на сумму 900 тыс. руб. (2012 г.)
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук Госзаказы Республики Саха (Якутия) 1. Госзаказ РС(Я) на 2008-2010 гг. «Разработка полимерных и эластомерных нанокомпозитов для уплотнительных элементов и узлов трения техники Севера».
2. Госзаказ РС(Я) на 2008-2010 гг. «Разработка нанокомпозиционных материалов на основе конструкционных термопластов для повышения надежности и долговечности транспортных машин».
3. Госзаказ РС(Я) на 2008-2010 гг. «Разработка нанотехнологических методов упрочнения трубных марок полиэтиленов»
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук
Защита диссертаций
• 2010 г.- Портнягина В.В. (кандидатская) • 2012 г. - Шадринов Н.В. (кандидатская) • 2012 г. – Федоров А.Л. (кандидатская) • 2012 г – Парникова А.Г. (кандидатская) • 2012 г. – Соколова М.Д. (докторская)
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук
Публикации
Опубликованы 3 монографии:
1. Болдырев В.В., Аввакумов Е.Г., Охлопкова А.А. и др. Фундаментальные основы механической активации. Новосибирск: СО РАН, 2009. – 258 с.
2. Петрова Н. Н. Морозостойкие пластификаторы // Большой справочник резинщика: Справочник /под ред. С.В. Резниченко и Ю.Л. Морозова.-Ч.1. «Каучуки и ингредиенты».- М. ООО «Издательский центр «Техинформ» Международной академии информатизации».- 2012.- С. 557 – 563.
3.Петрова Н.Н. Морозостойкие резины // Большой справочник резинщика: Справочник /под ред. С.В. Резниченко и Ю.Л. Морозова.-Ч.2. Резины и резинотехнические изделия.- М. ООО «Издательский центр «Техинформ» Международной академии информатизации».- 2012.- С. 81 – 96.
21 статья в рейтинговых журналах, опубликованных за 2010-2013 гг.:
• Трение и износ • • Перспективные материалы Пластические массы • • Вопросы материаловедения Каучук и резина • Химия в интересах устойчивого развития • • • • • • Материалы. Технологии. Инструменты.
10 статей в журналах SCOPUS, Web of Science:
Journal of Friction and Wear Журнал структурной химии Материаловедение Bulletine of Korean Chemical Society American Journal of Nanoscience and Nanotechnology
Получено 7 патентов РФ:
№№ 2421480, 2425851, 2454439, 2493183, 2502759, 2484107, 2454439
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук
Подготовка кадров
• Количество аспирантов в 2010-2014 гг.: очного – 11, заочного обучения – 2, соискатели - 2.
• Из них защитившихся – 4 (Портнягина В.В., Шадринов Н.В., Парникова А.Г., Федоров А.Л.), • 2 аспиранта закончили аспирантуру с представлением в 2013 г. (Васильев С.В., Спиридонов А.М.).
• Продолжают обучение в аспирантуре в 2014 г.: очного – 4, заочного обучения – 2 • Количество магистрантов: – 11
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук Гранты молодых ученых за 2009-2013 гг.
• • • • • • • • • • Парникова Анастасия Гавриловна - Грант Президента РФ – 2009 г.; Государственная стипендия АН РС(Я) – 2010 г.
Федоров Андрей Леонидович – Грант им. академика В.П. Ларионова – 2008 г.; Государственная стипендия АН РС(Я) – 2009 г.; Грант Президента РС(Я) – 2009 г.
Шадринов Николай Викторович - Грант Президента РС(Я) – 2008 г.; Государственная стипендия АН РС(Я) – 2009 г.; Бочкарева Татьяна Андреевна – Грант им. академика В.П. Ларионова – 2009г.
Христофорова Александра Афанасьевна - Грант им. академика В.П. Ларионова – 2010 г.
Васильев Спиридон Васильевич - Грант Президента РС(Я) – 2011 г.; Алексеев Алексей - Грант Президента РС(Я) – 2011 г.; Кириллина Юлия Валерьевна - Грант Президента РС(Я) – 2012 г.; Борисова Раиса Васильевна - Грант Президента РС(Я) – 2012 г.; Афанасьева Екатерина Серафимовна – Стипендия президента РФ (2013 г.), Грант Президента РС(Я) – 2013 г.;
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук
НИР студентов
Количество студентов, участвующих и участвовавших в НИР по направлению в 2010 -2013 гг. - 73.
Участие студентов в конференциях, публикации (2010-2013 гг.):
•
1. Конференции: международные – 36; российские – 166; региональные, СВФУ – 12.
•
2. Публикации: Статьи в рецензируемых журналах – 8; в трудах межд. Конференций – 31; трудах российских конференций – 25.
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова Институт естественных наук
Перспективы
1. Дооснащение лабораторий НОЦ «Нанотехнологии»
2. Модернизация научно-исследовательского процесса и инновационной деятельности 3. Участие в грантах Российского научного фонда, МОН РФ, Госзаказах РС(Я) 4. Подготовка кадров высшей квалификации (кандидатов и докторов наук) 5. Коммерциализация научных результатов и организация производства высокотехнологичной продукции