КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-19-00110

НазваниеПолучение и исследование свойств перспективных функциональных композиционных материалов и покрытий на основе оксида графена и металлсодержащих порошков

РуководительИони Юлия Владимировна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаграфен, оксид графена, композиционные материалы, функциональные материалы, газотермическое напыление, металлсодержащие порошки, защитные покрытия

Код ГРНТИ31.01.21

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Целью проекта является создание нового направления в области получения функциональных композиционных материалов на основе углеродных наноструктур: оксида графена и графена. Проект направлен на решение комплексной фундаментальной задачи создания нового класса дисперсно-армированных композиционных материалов с включениями из оксида графена и графена (0,5 - 15% масс.), обладающих улучшенными функциональными и эксплуатационными характеристиками, в том числе твердостью, пластичностью и коррозионной и износостойкостью. Решение этой задачи принципиально важно сразу для нескольких областей науки: материаловедения, химии, механики. Проект направлен на создание принципиально новой методики и технологии введения оксида графена в металлические и керамические составы для получения функциональных наноструктурированных композиционных материалов с заданными параметрами на поверхности материалов различной природы методом газотермического напыления с целью получения покрытий, в которых между компактированными частицами металлсодержащего порошка диспергированы углеродсодержащие нанодисперсные пластинки оксида графена и графена. В зависимости от типа металлсодержащего порошка, при добавлении оксида графена и графена возможно получить углеродсодержащие покрытия различных видов: коррозионностойкие, антифрикционные, износостойкие, жаропрочные и т.д. с улучшением эксплуатационных свойств на 15 - 40%. Введение оксида графена и графена в структуру покрытий планируется осуществлять двумя различными методами: путем механического смешивания металлсодержащих порошков с оксидом графена и графеном и плакированием поверхности металлсодержащих порошков наноразмерными пластинками оксида графена и графена. При достижении равномерного покрытия порошка металла слоем оксида графена и графена возможно получение в процессе напыления не грубодисперсной системы, а покрытия, в котором пластинки восстановленного оксида графена и графена равномерно распределены в толще наносимого материала. Графен представляет собой монослой атомов углерода, находящихся в sp2-гибридизации и связанных в гексагональную двумерную решетку. Актуальность развития композиционных материалов на основе графена обусловлена его уникальными свойствами. Графен имеет большую удельную площадь поверхности (2630 м2/г), высокую внутреннюю подвижность (200000 см2/В*с), высокий модуль Юнга (~ 1,0 ТПа), теплопроводность (~5000 Вт/м*К). Однако, несмотря на многочисленные предложенные методы, пока не найдена универсальная методика, которая позволяла бы получать высококачественные образцы графена в производственных масштабах. Для достижения этой цели одним из самых доступных методов является химическое или термическое восстановление оксида графена. Оксид графена – это графеновый слой, поверхность которого покрыта кислородсодержащими функциональными группами. После термической обработки поверхностные группы легко удаляются с поверхности оксида графена, что приводит к получению графена, или восстановленного оксида графена. Также оксид графена имеет собственные необычные и уникальные свойства, такие как способность впитывать радионуклиды. Интерес к подобным слоистым углеродным материалам, как к компонентам для создания металлсодержащих композиционных материалов с различными физическими и химическими свойствами, постоянно возрастает в связи с потребностями космической и авиапромышленности, машиностроительного комплекса и в новых современных технологиях. Газотермическое порошковое напыление используется для получения защитных металлсодержащих покрытий на разнообразных поверхностях (металлы, стекло, полимерные материалы). Покрытия могут иметь помимо защитных функций ряд других функциональных назначений, например, создание термобарьера, обеспечение электроизоляционных свойств, поглощение излучения продуктов радиоактивного распада, обеспечение определенных оптических свойств, получение селективного смачивания и др. Принимая во внимание рассчитанные параметры прочности графена, введение оксида графена как армирующего агента, наряду с получением новых требуемых свойств покрытия, должно позволить оставить неизменными характеристики прочности и твердости при уменьшении веса покрытия. В газотермическом процессе переноса порошков на подложку под давлением система претерпевает сильный нагрев, в котором могут достигаться сверхкритические условия. Оксид графена в таких условиях способен восстанавливаться до графена. Исследование особенностей этого процесса имеет как фундаментальное, так и практическое значение. В настоящем проекте будут проведены исследования структуры оксида графена в процессе газотермического напыления, в газовой смеси различного состава при взаимодействии с металлическими и керамическими порошками, а также особенности распределения углеродных пластинок в толщине получаемого покрытия, влияние оксида графена и графена на свойства покрытий. Полученные результаты позволят разработать новую методику и технологию направленного создания наноструктурированных покрытий с заданными параметрами на поверхности материалов различного состава, определить состав и строение, особенности морфологии и физические свойства газотермически восстановленного оксида графена по сравнению с восстановленным оксидом графена при использовании классических химических и термических методов (восстановление боргидридом натрия, гидразином, обработка в сверхкритических условиях, термоудар и другие).

Ожидаемые результаты
В результате проведения запланированных работ по проекту будет создано новое направление в области получения функциональных композиционных материалов на основе графена и родственных углеродных наноструктур, создана принципиально новая методика и технология получения композиционных функциональных покрытий на основе графена, оксида графена и металлических, керамических и сложносоставных порошков методом газотермического напыления. Полученные образцы покрытий будут исследованы комплексом методов физико-химического анализа, включающим элементный анализ, рентгенофазовый анализ, рентгенофлюоресцентный анализ, сканирующую электронную микроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния; будут проведены исследования механических свойств покрытий, а также металлографические исследования микроструктуры и микротвердости. В ходе работы будет разработан метод плакирования металлсодержащих порошков пластинками оксида графена путем взаимодействия порошков основы с сильно концентрированными дисперсными системами оксида графена. Степень покрытия будет контролироваться при использовании спектроскопии комбинационного рассеяния, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии. Будет отработана технология нанесения плакированных оксидом графена и механически смешанных порошков на металлические и стеклянные пластины различной 3D геометрии, в том числе в динамических условиях с перемещением подложки. Будут подобраны оптимальные параметры процесса газотермического создания покрытий, включающие дистанцию напыления, давление и расход газов, длину, диаметр, температуру рабочей зоны. Будет проведено математическое моделирование процесса газотермического напыления разработан алгоритм численных экспериментов с целью оптимизации параметров процесса. Покрытия на основе оксида графена и металлсодержащих порошков будут нанесены на поверхности различной геометрической формы с целью проведения прочностных испытаний. Можно ожидать, что в зависимости от состава создаваемых покрытий и концентрации в них оксида графена и графена, их эксплуатационные свойства (коррозионная стойкость, устойчивость к истиранию, износостойкость, жаропрочность) будут существенно улучшены (на 15 - 40%). Будут проведены эксперименты по пропусканию оксида графена различных фракций через установку газотермического напыления для изучения состава и строения полученного графена с целью оценки и оптимизации степени восстановления. Таким же образом возможно его нанесение на стеклянные или кварцевые пластинки для микроскопических исследований. Полученные результаты позволят оценить разработанный метод как один из перспективных способов восстановления оксида графена до графена. Полученные экспериментальные данные будут актуальны для космической и авиационной отрасли, а также для решения широкого ряда общетехнических задач. Все ожидаемые результаты являются оригинальными, т.к. в других организациях отсутствует оборудование, необходимое для проведения таких работ и нет соответствующего опыта. Коллектив имеет все предпосылки (квалификацию, научный задел, оборудование) для успешного выполнения проекта. Результаты послужат основой для перспективных наукоемких разработок, создания новых технологий и наукоемких высокотехнологичных производств, внесут большой вклад в решение конкретных задач выбранного научного направления из Стратегии НТР РФ. По состоянию на 2021 г. работы подобной направленности как в России, так и за рубежом немногочисленны, их результаты не формируют законченную методологию в области исследования. В связи с этим уровень ожидаемых результатов можно считать сопоставимым с мировым, а по ряду позиций – опережающим аналогичные достижения в данной области. Совокупность предполагаемых к исследованию и разработке прикладных задач материаловедения можно квалифицировать как решение крупной научной проблемы, направленной на создание нового класса композиционных материалов и покрытий на основе оксида графена и графена.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---