Разработка порошковых нанотехнологий УРО РАН

Научное сообщение «Разработка порошковых нанотехнологий для создания новых функциональных материалов и высокоэффективных устройств электрохимической энергетики».

        Докладчики  -  член-корреспондент РАН  Котов Юрий Александрович,

доктор физико-математических наук Иванов Виктор Владимирович

 (Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург). 

        С момента  создания Института электрофизики (1987 г) получение нанопорошков и новых функциональных материалов на их основе было и остается одним из научных  направлений Института. За прошедшие 20 лет выполнен большой объем исследований и разработок, позволивший создать комплекс нанотехнологий, включающий:

·                    получение слабо агрегирующих нанопорошков металлов, сплавов и их химических соединений методами: электрического взрыва проволоки (ЭВП), испарения мишени излучением импульсного СО₂ лазера, испарения мишени импульсным пучком электронов;

·                    магнитно-импульсное прессование (МИП) нанопорошков до высоких относительных плотностей (до 0,75) в плоской и цилиндрической геометрии;

·                    приготовление устойчивых суспензий и шликеров из нанопорошков;

·                    получение пленок из нанопорошков методами литья шликеров и электрофоретического осаждения;

·                    синтез объемных и пленочных изделий из нанопорошков функциональных керамик и композитных материалов с плотностью, близкой к теоретической и формой, близкой к заданной;

·                    плазменное нанесение высокопрочных покрытий, сопровождаемое ионной имплантацией, модификация структуры поверхностных слоев функциональных материалов ионной имплантацией;

·                    современное приборно-аналитическое сопровождение для исследований структуры и функциональных свойств получаемых нанопорошков и компактных наноматериалов;

·                    полный комплекс средств для функциональных испытаний твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Развитые подходы для синтеза и компактирования слабо агрегирующих нанопорошков с применением мощной импульсной техники позволяют реализовать уникальные состояния наноразмерных фаз в порошках и компактных материалах благодаря высоким скоростям и коротким длительностям (10^-6 – 10^-3 с) нагрева, испарения, конденсации и сжатия вещества.

 Изучены условия синтеза и созданы основы технологий для получения широкого спектра нанопорошков оксидов, нитридов, металлов и сплавов методами электрического взрыва проводников (Al2O3, ZrO2, Fe₂O₃, TiO₂, ZrO₂, CuO, NiO, AlN, Cu, Al, Fe, Ag, W

 и др.) и лазерного испарения мишеней (YSZ, SmDCe, GdDCe, Nd:Y2O3 и др.

). Порошки слабо агрегированы, имеют форму частиц близкую к сферической, высокую чистоту, высокую химическую активность, пониженную температуру спекания, в их структуре наблюдаются метастабильные фазы и несовершенства кристаллической решетки различных видов. Разработанные технологии и установки не имеют аналогов. Отработана аттестация нанопорошков на широкой приборной базе по структурно-фазовому состоянию, дисперсному и элементному составу.

Созданы образцы уникального оборудования для получения нанопорошков разных типов методом ЭВП. Установки снабжены автоматическим механизмом подачи проволок в зону синтеза, синхронизованным с генерированием греющего импульса тока. Установки характеризуются производительностью по порошку в диапазоне 40-200 г/час, в зависимости от типа материала, при энергопотреблении менее 50 кВтч/кг. Процесс получения порошков экологически чист и позволяет производить порошки с варьированием характеристик путем изменения исходных условий.

Разработаны основы технологии магнитно-импульсного прессования (МИП) нанопорошков различных материалов и создано оборудование двух типов с использованием плоских и радиально сходящихся волн сжатия. Устройства компактны, экономичны и допускают автоматизацию получения изделий. 

С применением МИП в сочетании с литьем полимер-керамических пленок и/или термообработкой отработано формирование из нанопорошков ряда новых типов объемных наноструктурных материалов для различных конструкционных и функциональных назначений.

      

 В Институте электрофизики УрО РАН разработаны научные основы порошковых нанотехнологий для создания ряда качественно новых материалов для устройств с высокими эксплуатационными характеристиками, обладающие мировой новизной. 

Сформированные из нанопорошков многослойные пленочные структуры твердооксидных топливных элементов позволяют генерировать электрическую энергию с мощностью более 1 Вт см^-2, втрое превышающей прежние отечественные достижения. Такие элементы должны стать основой будущей водородной энергетики, характеризуемой высоким КПД (70%) преобразования энергии и экологической чистотой.

 Исследования в области ТОТЭ были начаты в 1997 г. и основаны на использовании слабо агрегирующих нанопорошков диоксидов циркония и церия, технологиях их консолидации и формирования тонкослойных структур. Благодаря применению таких нанопорошков удалось снизить температуру спекания керамики электролита до 1200 ºС и менее (в сравнении с 1500ºС для крупнокристаллических порошков). Это открыло серьезные технологические преимущества в совместном формировании керамических структур ТОТЭ при одновременном снижении энергозатрат.

Благодаря активному участию ИЭФ в инвестиционной программе «Водородная энергетика и топливные элементы» с 2004 г. работы в области ТОТЭ были значительно расширены, отрабатывались технологии формирования всех компонентов ТОТЭ, включая токопроход, сборку и испытание устройств.  Была развита технология литья полимер-керамических пленок из нанопорошков компонентов ТОТЭ. 

Комбинирование методов литья пленок и радиального магнитно-импульсного прессования позволило формировать тонкослойные заготовки компонентов трубчатого ТОТЭ и создавать двух и многослойные структуры ТОТЭ за один технологический цикл формования и спекания.       Выполнен цикл исследований по созданию токопрохода для ТОТЭ из нержавеющих высокохромистых ферритных сталей, защищенных с катодной стороны стойким интерфейсным коммутирующим покрытием из электрон проводящих марганец кобальтовых шпинелей. На основе созданных методов в Институте электрофизики впервые в РФ были изготовлены и испытаны трубчатые ТОТЭ с несущим электролитом толщиной около 150 мкм.  Применение наноматериалов и нанотехнологий позволило повысить удельные характеристики ТОТЭ, совмещать технологические операции и снижать производственные энергозатраты.

         Созданы основы синтеза наноструктурных керамик оксида алюминия для конструкционных применений, характеризуемые иях их консолидации и формирования тонкослойных структур. Благодаря применению таких нанопорошков удалось снизить температуру спекания керамики электролита до 1200 ºС и менее (в сравнении с 1500ºС для крупнокристаллических порошков). Это открыло серьезные технологические преимущества в совместном формировании керамических структур ТОТЭ при одновременном снижении энергозатрат.

Благодаря активному участию ИЭФ в инвестиционной программе «Водородная энергетика и топливные элементы» с 2004 г. работы в области ТОТЭ были значительно расширены, отрабатывались технологии формирования всех компонентов ТОТЭ, включая токопроход, сборку и испытание устройств.  Была развита технология литья полимер-керамических пленок из нанопорошков компонентов ТОТЭ. Комбинирование методов литья пленок и радиального магнитно-импульсного прессования позволило формировать тонкослойные заготовки компонентов трубчатого ТОТЭ и создавать двух и многослойные структуры ТОТЭ за один технологический цикл формования и спекания.       Выполнен цикл исследований по созданию токопрохода для ТОТЭ из нержавеющих высокохромистых ферритных сталей, защищенных с катодной стороны стойким интерфейсным коммутирующим покрытием из электрон проводящих марганец кобальтовых шпинелей. На основе созданных методов в Институте электрофизики впервые в РФ были изготовлены и испытаны трубчатые ТОТЭ с несущим электролитом толщиной около 150 мкм.  Применение наноматериалов и нанотехнологий позволило повысить удельные характеристики ТОТЭ, совмещать технологические операции и снижать производственные энергозатраты.

         Созданы основы синтеза наноструктурных керамик оксида алюминия для конструкционных применений, характеризуемые сочетанием высокой прочности и твердости, обеспечивающие износостойкость изготавливаемых из них деталей машин в 5-10 раз в сравнении с аналогичной рыночной продукцией. Введение в нанопорошки оксидов перед прессованием небольшой добавки нанопорошков металлического алюминия обеспечивает дополнительное увеличение относительной плотности (свыше 0,7) и улучшение однородности компактов. При последующем спекании происходит превращение металлической компоненты в оксид, и полное уплотнение материала реализуется при температурах, пониженных на 200 - 400 ºС  в сравнении с процессами спекания микрокристаллических порошков. В результате формируется оксидная керамика с  наноразмерной структурой, состоящая из кристаллитов с размерами от 20 до 500 нм, в зависимости от типа и количества дополнительных оксидных фаз (оксиды магния, иттрия, циркония, титана) в керамике. Получаемые наноструктурные керамические материалы на основе оксида алюминия обладают комплексом высоких механических характеристик. Продемонстрирована эффективность таких материалов для конструкционных применений в условиях интенсивного эрозионно-абразивного износа и в агрессивных средах.

Результаты разработки имеют конкретных потребителей, среди которых ─ машиностроительные предприятия, нефтепромысловые, газопромысловые и горнодобывающие компании, предприятия по производству проволоки, труб, текстиля, оптического волокна, производители мельничного оборудования и другие. Возникла реальная возможность создания в России производства технической керамики с характеристиками, позволяющими существенно увеличить рабочие параметры, а также надежность и ресурс устройств, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.

В Институте также активно развиваются поисковые технологические исследования по получению металло-матричных композитов на основе алюминия и железа, по синтезу композиционных керамических люминесцирующих материалов. В частности, определены условия получения наноструктурированных металло-матричных композитов Al-Al₂O₃, Fe-Fe₃C  с высокими механическими характеристиками и термостабильностью.