FestivalNauki.ru
En Ru
cентябрь-ноябрь 2019
176 городов
September – November 2019
312 cities
11-13 октября 2019
МГУ | Экспоцентр | 90+ площадок
14–16 октября 2016
Центральная региональная площадка
28–30 октября 2016
ИРНИТУ, Сибэскпоцентр
14–15 октября 2016
Центральная региональная площадка
23 сентября - 8 октября 2017
«ДонЭкспоцентр», ДГТУ
ноябрь-декабрь 2018
МВДЦ «Сибирь»,
Вузы и научные площадки города
6-8 октября 2017
Самарский университет
27-29 октября
Кампус ДВФУ, ВГУЭС
30 сентября - 1 октября
Ледовый каток «Родные города»
21-22 сентября 2018 года
ВКК "Белэкспоцентр"
9-10 ноября 2018 года
Мурманский областной Дворец Культуры
21-22 сентября 2019 года
22-23 октября 2019 года
29-30 ноября 2019 года
7-8 сентября 2019 года
27-29 сентября 2019 года
4-5 октября 2019 года
10-12 октября 2019 года

Метаморфозы простого карандаша

О том, что получится, если внедрить в графит хлорид алюминия, а потом резко нагреть, и как тем, что получится, завоевать рынок, рассказывает профессор, доктор физико-математических наук, заместитель заведующего кафедрой химической технологии и новых материалов химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, член совета директоров НПО «Унихимтек» Сергей Геннадьевич Ионов, с которым мы беседовали в стенах его альма-матер.

Слово графит (A. G. Werner, 1789) происходит от греческого γραφειν (графо-пишу) и для большинства людей всю жизнь ассоциируется с карандашом. Они даже не подозревают о том, что марок и видов различных графитов и графитоподобных материалов существует не один десяток. Слоистость структуры, высокая термическая и химическая стойкости графита делают его идеальной матрицей для проведения реакций типа «гость-хозяин» в самых жестких условиях. Амфотерность графита позволяет получать интеркалированные соединения как донорного типа, так и акцепторного типа. Можно с уверенностью сказать, что из всех неорганических слоистых матриц графит — самый гостеприимный хозяин.

Мы начали исследования в области интеркалированных соединений графита (ИСГ) в конце 70‑х годов. Если говорить о лозунгах и флагах, с которыми мы шли в науку, это были поиск новых синтетических металлов и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе ИСГ. Второе направление возникло в 1964‑м году, когда появилась статья академика, позже лауреата Нобелевской премии, Виталия Лазаревича Гинзбурга о возможности реализации ВТСП с нефононным механизмом в квази-двумерных структурах. Конечно, были и есть другие интересные задачи «на полях» исследования и применения ИСГ. К середине 80‑х годов прош­лого века нами впервые в мире было получено более 50‑ти новых соединений. Например, удалось синтезировать ИСГ акцепторного типа, которые не содержали ни одного атома металла, но при комнатной температуре имели удельную электропроводность выше, чем у алюминия и золота. Применение техники высоких давлений позволило получить ИСГ донорного типа со сверхплотной упаковкой атомов щелочного металла в слоевом пакете, которые до 2005 года удерживали рекорд по температуре сверхпроводящего перехода среди всех интеркалированных соединений графита.

Потом мы обнаружили интересный эффект: резкое увеличения объема при термической обработке интеркалированных соединений графита с хлоридом алюминия с большим количеством избыточного хлора. Наши рекорды по расширению до сих пор не побиты. Таблетка толщиной миллиметр увеличивалась в высоту до метра — в тысячу раз. Выражаясь современным языком, это стопроцентный наноматериал, потому что толщина графеновых пачек в терморасширенном графите (ТРГ), который часто называют пенографитом, существенно меньше 100 нанометров. Где можно использовать этот «графитовый пух», никто из нас не представлял, а один из аспирантов пошутил: «Будем делать подушки и матрасы, которые выдерживают 3000 °С.»

Как потом выяснилось, терморасширенный графит был известен давно, но мы получили уникальные физико-химические параметры и нашли ему новые применения в аэрокосмической технике. В 1986 году приказом министерства общего машиностроения СССР в МГУ была организована отраслевая научно-исследовательская лаборатория «Химия углеродных материалов», сотрудники которой под руководством В. В. Авдеева (сейчас профессор, заведующий кафедрой ХТиНМ МГУ) успешно создавали уникальные углерод-углерод композиционные материалы и работали для нужд оборонки. С конца 1980‑х годов экономическая ситуация ухудшилась, и у многих ученых возник вопрос: «Что делать?»

Мы приняли нестандартное решение: создание первого в МГУ научно-производственного центра «Унихим­тек». К этому времени у сотрудников лаборатории уже имелся не только серьезный научный задел в области синтеза и исследования физико-химических свойств интеркалированных соединений графита и новых углеродных материалов, получаемых на их основе, но и большой опыт внедрения своих разработок на ведущих отечественных предприятиях (НПО «Композит», НПО «Энергия», НИИГрафит и другие). В то время мы уже достаточно хорошо изучили научную и патентную литературу по углероду и предстовляли перспективы использования ИСГ, ТРГ и материалов на их основе. Из широкой гаммы возможных коммерческих применений материалов на основе ИСГ мы остановились на двух: уплотнительная продукция из гибкой графитовой фольги (ГГФ) и пассивные огнезащитные материалы (ОЗМ). Дальнейшее развитие показало, что для внедрения научных разработок оказалось важным создать творческий коллектив из специалистов разных направлений, которые бы сохраняли свою индивидуальность, но при этом понимали и дополняли друг друга.

У многих людей сочетание слов «гибкая графитовая фольга» вызовет, мягко говоря, удивление. Их легко понять, ибо большинство из нас с детства на примере грифелей карандашей хорошо знает, что графит — хрупкий материал. И, тем не менее, нам удалось создать и наладить производство уникального материала «Графлекс», который получается холодной прокаткой без связующего терморасширенного графита. Первая линия по производству графитовой фольги была создана в сарае в промзоне Очаково, в котором не было даже окон. Эта линия производила 200—300 килограммов фольги в месяц, и пессимисты говорили, что больше тонны в месяц произвести нельзя. Сейчас у нас есть линии, которые производят больше одной тонны, но не в месяц, а в день.

Многое, что заложено в наши технологические процессы, — продолжение фундаментальных работ в области синтетических металлов, того, с чего мы начинали. Например, мы создали установку для бесконтактного, на частоте 100 килогерц, измерения сопротивления для химически активных материалов, а сегодня этот принцип используется для неразрушающего метода контроля за плотностью ГГФ. В гибкой графитовой фольге не только сохранены все свойства, присущие графиту, но и добавлены такие новые потребительские качества, как большая упругость, пластичность, гибкость. К тому же «Графлекс» не изменяет своих механических свойств в диапазоне температур от минус 200 до плюс 3000 °C, не боится термических ударов, обладает высокой химической стойкостью.

Первыми поверили в «Графлекс» энергетики МосЭнерго, ЧелябЭнерго, ТюменьЭнерго — конкретные люди. Прокладки и сальники на основе гибкой графитовой фольги были успешно опробованы на самых тяжелонагруженных узлах энергетического оборудования. Их применение позволило в 8—10 раз увеличить время межремонтного периода, повысило надежность и коэффициент полезного действия установок, существенно снизило величину вредных выбросов и трудоемкость ремонта. Более того, появилась возможность исключить использование канцерогенных асбестовых материалов, запрещенных к применению во всех развитых странах мира.

Чтобы где-то внедрить, важно иметь хорошую приборную базу, нужно иметь возможность делать НИР, проводить измерения и исследования. Потому что для внедрения в новых условиях, у нового потребителя, нужно что-то исследовать, изменять, проверять, контролировать то, что он от вас требует. Причем эти исследования обычно приходится вести за свои деньги. Завоевать новый рынок непросто. Например, когда мы работали с Всероссийским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта, нам пришлось довольно долго доказывать, что по сжимаемости, восстанавливаемости, упругости наши материалы лучше и надежнее в эксплуатации, чем традиционные парониты.

Вторым объектом коммерциализа­ции для нашей компании стали пассивные огнезащитные материалы (ОЗМ) серии «Огракс»: краски и пасты для защиты электрических кабелей, металлических и деревянных строительных конструкций, полимерных материалов, кабелей связи и других. Под воздействием пламени (или теплового удара) терморасширяющиеся покрытия резко увеличиваются в объеме в десятки раз с образованием слоя пены, имеющей низкую теплопроводность и высокую устойчивость по отношению к огню. Образующийся слой пены покрывает защищаемые поверхности, заполняет щели и отверстия, изолируя очаг пожара. Эффективность материалов терморасширяющегося типа определяется тем, что для защиты от пожаров достаточно нанесения очень тонких покрытий — толщиной от нескольких десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. О качестве наших ОЗМ, свидетельствует то, что после пожара на Останкинской башни, где не соблюдались меры противопожарной безопасности, был проведен тендер, участвовало более 100 компаний, в том числе и иностранных. Мы его выиграли, и сейчас все фидеры, все кабели внутри Останкинской башни выкрашены нашей краской.

На этапе становления компании существенную помощь нам оказали Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и Российский фонд технологического развития. Благодаря поддержке ряда проектов и полученным кредитам от этих фондов нам удалось принципиально усовершенствовать технологии получения интеркалированных графитов и расширить номенклатуру выпускаемой продукции.

Одним из значительных событий для нашей компании стала победа во всероссийском конкурсе важнейших инновационных проектов государственного значения в 2003 году. Конкурс был объявлен Министерством промышленности науки и технологий РФ. Всего на конкурс было представлено 500 проектов, из которых экспертная комиссия в составе известных ученых, промышленников, представителей крупного российского бизнеса оставила только девять. Реализация проекта «Разработка техно­логий и освоение серийного производства нового поколения уплотнительных и огнезащитных материалов общепромышленного применения» позволила НПО «Унихимтек» перейти из категории малого бизнеса в средний.

В настоящее время в клиентской базе НПО «Унихимтек» более 8000 предприятий, «Графлекс» и «Огракс» широко применяются на атомных электростанциях России, Украины, Китая, Индии и Восточной Европы — там, где самые высокие требования к используемым материалам. Потребителей нашей продукции могло бы быть гораздо больше, если бы пользователи учитывали не только сиюминутную выгоду, а оценивали комплексную эффективность применения наших материалов. Хорошие материалы стоят дороже, но если учесть срок службы, надежность и эргономичность, то они оказываются существенно дешевле.

Мы хорошо понимаем, что нельзя останавливаться на достигнутом, и продолжаем фундаментальные исследования в области современного материаловедения. Для развития новых направлений инновационного бизнеса в области материалов, создания научной и сертификационной базы, организации производств новых видов продукции, ЗАО «Унихимтек» с участием МГУ имени М. В. Ломоносова, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и Российского фонда технологического развития учрежден Институт новых углеродных материалов и технологий (ИНУМиТ), лаборатории которого оснащены самым современным исследовательским оборудованием.

В последнее время в ИНУМиТ разработаны новые интеркалированные соединения, которые позволяют получать графитовую фольгу с механическими характеристиками (напряжение на разрыв, сжимаемость и восстанавливаемость), существенно превышающими лучшие мировые аналоги. Предложены два новых способа модифицирования графитовой фольги оксидом бора, что повышает термическую стабильность графитовой фольги на воздухе на 150 °С) и увеличивает прочность при растяжении. Совсем недавно разработан простой способ получения материала для очистки морских вод от нефтяных пятен на основе терморасширенного пенографита. Новая технология позволяет на порядки ускорить процесс получения важного сорбента и сделать его намного безопаснее. Результаты исследования опубликованы в мае этого года в «Journal of Physics and Chemistry of Solids». Впервые получены соединения внедрения на основе вермикулита — слоистого минерала группы гидробиотитовых слюд, что уже в настоящее время позволило провести разработку ряда новых низкоплотных теплоогнезащитных материалов на основе пеновермикулита. Нами также активно ведутся работы по созданию новых конструкционных углерод-углеродных материалов для космической и авиационной техники.

Полученные нами данные по физико-химическим свойствам: сжимаемости, восстанавливаемости, упругости, коэффициенту трения, модулю Юнга, коэффициенту Пуансона, удельной теплоемкости и теплопроводности, коэффициенту линейного термического расширения графитовой фольги и композиционных материалов на ее основе постоянно используются конструкторами НПО «Унихимтек» при проектировании новых уплотнений для сотен промышленных предприятий России и других стран.

Говорят, что «нет ничего более практичного, чем фундаментальный научный результат». «Графлекс», «Огракс» и другие новые материалы, получаемые на основе интеркалированных слоистых неорганических матриц — наглядное тому подтверждение.

 

Источник: журнал Знание-сила

Добавьте свой комментарий

Plain text

  • Переносы строк и абзацы формируются автоматически
  • Разрешённые HTML-теги: <p> <br>
LiveJournal
Регистрация

Новости в фейсбук

Случайные статьи

Мы можем жить до 120 лет

Исследователи из Московского Государственного Университета заявили, что в настоящий момент проводят испытания на животных таблеток, способных радикально продлить срок человеческой жизни – и они уже показали выдающиеся результаты.

Учёные нашли верхнепалеолитическое изображение верблюда в пещере на Урале

Что человек должен знать о своих снах

Вокруг снов человека существует множество домыслов и мифов, в череде которых порой бывает довольно трудно разобраться. Однако медицина в последние годы сделала серьезный рывок в плане понимания того, что такое сны, для чего они нужны и что означают.

Химики из России выяснили, как повысить емкость батареек в 1,5 раза

В инженеры б я пошел — пусть меня научат!