BICМеждисциплинарный 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

Кубический (А) и

гексагональный алмаз (Б)

Гексагональный (А) и ромбоэдрический (Б)

графит

А Б

Структура аллотропных форм углерода

Модель -карбина (А) и -

карбина (Б)

А Б

BICАллотропные формы и разновидности углерода

ЦИРКУЛЕНЫ ФУЛЛЕРЕНЫ

2<m<31<m<2

spmsp3+ sp2+ sp

sp2sp3 sp

СМЕШАННЫЕ (ПЕРЕХОД-НЫЕ) ФОРМЫ УГЛЕРОДА

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕФОРМЫ УГЛЕРОДА

КАРБИНГРАФИТАЛМАЗ

УГЛЕРОД

Активные угли, стеклоуглерод, сажи, углерод-углеродные композиты, филаментарный углерод, Сибунит и др.

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

A - конденсация (отложение пиро-углерода PC на частицы сажи CB);

B, C, D, E - активация (окислитель-ная газификация PC/CB композита)

Likholobov V.A., et. al.

 React. Kinet. Catal. Lett.,

54 (2), 381-411 (1995).

ИК СО РАН, г. НовосибирскИППУ, г. Омск

BIC

Сибунит

Изменение морфологии и удельной поверхности частиц угля при активации

Изменение микроструктуры углеродной матрицы при термической обработке

5 нм

2200 0С

30 нм

S = 5-10 м2/г S = 150 м2/г S = 300-500 м2/г

BIC

SBET = 5 – 550 м2/г,

Vпор = 0.1 – 1.0 см3/г,

Dпор = 5 – 80 нм

Зольность < 0.2%

La ~Lc = 3 – 4 нм,

d002 = 0.345 – 0.350 нм

До 210 кг/см2

0.0012 м

Широкий диапазон вариации удельной поверхности и параметров пористой структуры

Высокая чистота

Высокая степень упорядоченности кристаллической структуры

Высокая механическая прочность

Химическая и термическая стабильность

Низкое объёмное электрическое сопротивление

Характеристики углеродных материалов семейства СИБУНИТ

BICАссортимент 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 гранули-рованных материалов

BIC

Каталитический волокнистый углерод (КВУ)

ИК СО РАН, г. Новосибирск

Схема получения

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

Al2O3

A B C

Нанотекстура поверхности углеродных волокон

Ni/Al2O3 Ni-Cu/Al2O3 Fe/Al2O3

BIC

№ 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

Морфология N-КВУ, выращенных на NiCu-катализаторе из смеси Н2+10%Ру при

550°С (А) и 650°С (В). Врезка: структура тонких нановолокон, полученных при

550°С.

Условия синтеза и характеристики N-КВУ

20 нм100 нм100 нм

30 нм

30 нм45 нм

20 нм 20 нм10 нм

BIC

SBET = 70 – 300 м2/г,

Vпор = 0.3 – 0.8 см3/г,

Dпор = 10 – 50 нм

30 – 50 нм

0.2 – 1%

La ~Lc = 6 – 7 нм,

d002 = 0.340 – 0.345 нм

70 – 120 кг/см2

До 4% вес. (N)

Удельная поверхность и параметры пористой структуры

Диаметр волокон

Зольность

Параметры кристаллической структуры

Механическая прочность

Содержание гетероатомов

Характеристики КВУ

BIC Характеристики углеродных материалов Сибунит и КВУ в сравнении с

гранулированными активными углями

Марка Внешний

вид

SБЭТ ,

м 2/ г

V микро ,

см 3/ г

V мезо ,

см 3/ г

V ,

см 3/ г

D ср .,

Å

Зольность,

вес.%

П 1) K 2) ,

%

АРБ (Россия) Черенок 438 0.192 0.027 0.219 20 13.0 2.9 5

CG-5 ( Япония) 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 0.32 107 - - 80

1) П - прочность на раздавливание, кг на гранулу;

2) К - степень кристалличности.

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