BIC Междисциплинарный 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 Структура аллотропных форм углерода Кубический (А) и гексагональный алмаз (Б) А Б Модель a-карбина (А) и b-карбина (Б) Гексагональный (А) и ромбоэдрический (Б) графит А Б BIC Аллотропные формы и разновидности углерода УГЛЕРОД sp3 sp2 АЛМАЗ sp ГРАФИТ КАРБИН sp3+ sp 2+ sp СМЕШАННЫЕ (ПЕРЕХОДНЫЕ) ФОРМЫ УГЛЕРОДА Активные угли, стеклоуглерод, сажи, углерод-углеродные композиты, филаментарный углерод, Сибунит и др. spm ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФОРМЫ УГЛЕРОДА 1<m<2 2<m<3 ЦИРКУЛЕНЫ ФУЛЛЕРЕНЫ 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 ИК СО РАН, г. Новосибирск ИППУ, г. Омск A - конденсация (отложение пироуглерода PC на частицы сажи CB); B, C, D, E - активация (окислительная газификация PC/CB композита) Likholobov V.A., et. al. React. Kinet. Catal. Lett., 54 (2), 381-411 (1995). BIC Сибунит Изменение морфологии и удельной поверхности частиц угля при активации 30 нм S = 5-10 м2/г S = 150 м2/г S = 300-500 м2/г Изменение микроструктуры углеродной матрицы при термической обработке 5 нм 2200 0С BIC Характеристики углеродных материалов семейства СИБУНИТ Широкий диапазон вариации удельной поверхности и параметров пористой структуры SBET = 5 – 550 м2/г, Vпор = 0.1 – 1.0 см3/г, Dпор = 5 – 80 нм Высокая чистота Зольность < 0.2% Высокая степень упорядоченности кристаллической структуры La ~Lc = 3 – 4 нм, d002 = 0.345 – 0.350 нм Высокая механическая прочность До 210 кг/см2 Химическая и термическая стабильность Низкое объёмное электрическое сопротивление 0.0012 м BIC Ассортимент 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 гранулированных материалов BIC Каталитический волокнистый углерод (КВУ) ИК СО РАН, г. Новосибирск Схема получения A B C Al2O3 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 Нанотекстура поверхности углеродных волокон Ni/Al2O3 Ni-Cu/Al2O3 Fe/Al2O3 BIC Условия синтеза и характеристики N-КВУ 30 нм 45 нм 30 нм 20 нм 10 нм 100 20 нм нм 100 нм 20 нм Морфология N-КВУ, выращенных на NiCu-катализаторе из смеси Н2+10%Ру при 550°С (А) и 650°С (В). 550°С. Врезка: структура тонких нановолокон, полученных при № 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 BIC Характеристики КВУ Диаметр волокон SBET = 70 – 300 м2/г, Vпор = 0.3 – 0.8 см3/г, Dпор = 10 – 50 нм 30 – 50 нм Зольность 0.2 – 1% Параметры кристаллической структуры La ~Lc = 6 – 7 нм, d002 = 0.340 – 0.345 нм Механическая прочность 70 – 120 кг/см2 Содержание гетероатомов До 4% вес. (N) Удельная поверхность и параметры пористой структуры BIC Характеристики углеродных материалов Сибунит и КВУ в сравнении с гранулированными активными углями Марка Внешний вид АРБ (Россия) Черенок CG-5 ( Япония) S БЭТ , 2 м /г V микро , 3 см / г V мезо , 3 см / г V S, 3 см / г D ср. , Å Зольность, вес.% П 1) 2) K , % 438 0.192 0.027 0.219 20 13.0 2.9 5 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 - - 80 1) П - прочность на раздавливание, кг на гранулу; 2) К - степень кристалличности. 107 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 Характеристики Углеродные материалы Графит Сибунит КВУ Текстура: SБЭТ (м2/г) Vпор (см2/г) Dпор (нм) Микроструктура: La (нм) Lc (нм) D002 (нм) 0.1-25 < 0.1 - 5-550 0.1-1.0 5-80 70-300 0.3-0.8 10-50 12-100 12-100 0.335 3-4 3-4 0.345 - 0.350 6-7 6-7 0.340 - 0.345 Зольность (вес.%) Мех. прочность (кг/см2) 140-250 < 0.2 70-210 0.2-1.0 70-120