Композитный материал на основе углерода и способ его получения

Авторы патента:

C01B32/00 - Неметаллические элементы; их соединения

Владельцы патента RU 2653127:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) (RU)

Изобретение относится к композитному материалу на основе углерода и способу его получения, который может быть использован в ракетно-космической и авиационной отраслях. Способ включает воздействие на смесь фуллерена С₆₀, серосодержащего соединения CS₂ и наполнителя давлением и температурой, причем в качестве наполнителя используют углеродные нанотрубки. Технический результат заключается в получении высокотвердого, жаростойкого и легкого композитного материала с пределом прочности при поперечном изгибе не ниже σ*_изгиб=700 МПа для изготовления изделий. 2 н.п ф-лы, 3 пр.

Изобретение относится к композитным материалам, а в частности, к композитным материалам на основе углерода и способам их получения, и может быть использовано в ракетно-космической и авиационной отраслях.

Композитные материалы - это многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы, связующего), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что модуль Юнга одностенных углеродных нанотрубок (Iijima S., Ichihashi Т. // Nature. - 1993. - 363. - С. 603) находится в ТРа диапазоне (Treacy М.М.J., Ebbesen Т.W., Gibson J.М. // Nature. - 1996. - 381. - С. 678). Так, расчеты и эксперименты показали, что для нанотрубки (10, 10) модуль Юнга равен 0,64 ТПа и прочность 37 ГПа (Yu M.F., Files В.S., Arepalli S., Ruoff R.S. // Phys. Rev. Lett.. - 2000. - 84. - C. 5552). На основании этих данных NASA (Institute for Advanced Concepts) даже разрабатывало концепцию космического лифта (Edwards В.С., The Space Elevator. 2003, NASA Institute for Advanced Concepts). Однако оказалось, что длина отдельной нанотрубки не превышает нескольких мм (обычно мкм), а прочность сплетенных из нанотрубок волокон все также ограничена слабой связью между графеновыми слоями.

Между тем, существует возможность связать нанотрубки за счет образования sp³ связей между ними (процесс полимеризации). Фаза полимеризованных нанотрубок впервые была получена и исследована в условиях негидростатического нагружения и приложения сдвиговых деформаций при давлении 24 ГПа (Popov М., Kyotani М., Koga Y., Nemanich R.J. Superhard phase composed of single wall carbon nanotubes // Physical Review В. - 2002. - 65. - С. 033408). При этом нанотрубки не коллапсируют по крайней мере до давления 55 ГПа. Модуль объемного сжатия полимеризованных нанотрубок составляет 462-546 ГПа и твердость 62-152 ГПа. Таким образом, существует возможность получить материал на основе нанотрубок с прочностью в ГПа диапазоне.

Недостатком данного способа получения полимеризованных нанотрубок является высокое давление 24 ГПа, практически неприемлемое для получения значимых для производства количеств полимеризованных нанотрубок.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является Способ получения композитного материала на основе углерода и композитный материал (Патент RU 2556673, 10.07.2015, приоритет 29.04.2014, МПК С01В 31/06, В82В 3/00, B82Y 40/00, С04В 35/52). В качестве наполнителя использовали либо керамические материалы, либо углеродные волокна. В качестве матричного материала применялись производные фаз фуллерита. Недостатком данного технического решения является недостаточно высокая прочность при поперечном изгибе σ*_изгиб=570 МПа полученного материала.

Задачей настоящего изобретения является создание способа получения высокотвердого, жаростойкого и легкого композитного материала на основе углерода с пределом прочности при поперечном изгибе не ниже σ*_изгиб=700 МПа для изготовления изделий, которые могут быть использованы в ракетно-космической и авиационной отраслях.

Для достижения поставленной задачи предложен способ получения композитного материала на основе углерода, включающий воздействие на смесь фуллерена С₆₀ и углеродных нанотрубок давлением и температурой, при этом в смесь добавляют серосодержащее соединение, а воздействие ведут при температуре 600-2000 градусов и давлении 0,5-5 ГПа.

Предпочтительно, что в качестве наполнителя используют малостенные (среднее число стенок 2-3) углеродные нанотрубки в количестве от 1 до 99 массовых % от веса углеродсодержащего материала.

Предпочтительно, что воздействие ведут при температуре 800-1200 градусов и давлении 0,5-5 ГПа.

Известно, что высокие механические свойства композитных материалов на основе углерода обусловлены образованием химических связей между матричной и связующей фазами, а также механическими свойствами самого наполнителя и матрицы. Как показали исследования авторов, оказалось возможным подобрать высокопрочный наполнитель (углеродные нанотрубки) и способ, обеспечивающий образованием химических связей между матричной и связующей фазами.

Для характеристики механических свойств проводили по известным методикам измерения твердости и прочности на изгиб.

Твердость измеряли пирамидой Виккерса или Кнуппа в соответствии с ГОСТ 9450-76.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе σ* проводили по схеме трехточечного изгиба в соответствии с ГОСТ 20019-74.

Итоговым параметром, широко используемым в технике, по которому оценивают перспективу применения полученного материала в ракетно-космической и авиационной отраслях, является отношение прочности к плотности σ*(МПа)/ρ(г/см³).

Жаростойкость образца определяли известным методом термогравиметрического анализа.

Следующие примеры иллюстрируют изобретение.

Пример 1. Получение композитного материала в соответствии с изобретением при давлении 2 ГПа.

Сероуглерод CS₂ добавляют в порошок молекулярного C₆₀ в количестве 0,05 мл CS₂ на 1 г С₆₀. В полученную смесь добавляют углеродные нанотрубки в весовом соотношении 50% к фуллерену С₆₀ и тщательно перемешивают шпателем. Затем смесь в количестве 2 г загружают в камеру высокого давления типа наковальня с лункой, нагружают до фиксированного давления 2 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки исследуют механические свойства образцов.

Твердость измеряют пирамидой Виккерса или Кнуппа (ГОСТ 9450-76). Твердость полученного материала находится в пределах 10-70 ГПа и материал является высокотвердым.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе, проведенные по схеме трехточечного изгиба (ГОСТ 20019-74), дают значение предела прочности при поперечном изгибе σ*_изгиб=700 МПа.

Плотность измеряют методом гидростатического взвешивания. Плотность образца ρ составляет 2,1 г/см³.

Указанный параметр σ*/ρ=333 т.е. полученный материал превосходит многие материалы, используемые в ракетно-космической и авиационной отраслях.

Образцы стабильны по крайней мере до 1000° С в инертной атмосфере.

Таким образом, композитный материал является одновременно прочным, легким, высокотвердым и жаростойким.

Пример 2. Получение композитного материала в соответствии с изобретением при давлении 5 ГПа.

Плотность измеряют методом гидростатического взвешивания. Плотность образца ρ составляет 2,2 г/см³.

Указанный параметр σ*/ρ=432, т.е. полученный материал превосходит многие материалы, используемые в ракетно-космической и авиационной отраслях.

Образцы стабильны, по крайней мере, до 1000°С в инертной атмосфере.

Таким образом, композитный материал является одновременно прочным, легким, высокотвердым и жаростойким.

Пример 3. Получение композитного материала при температуре 600-2000 С в соответствии с изобретением.

Сероуглерод CS₂ добавляют в порошок молекулярного С₆₀ в количестве 0,05 мл CS₂ на 1 г С₆₀. В полученную смесь добавляют углеродные нанотрубки в весовом соотношении 50% к фуллерену С₆₀ и тщательно перемешивают шпателем. Затем смесь в количестве 2 г загружают в камеру высокого давления типа наковальня с лункой, нагружают до фиксированного давления 2 ГПа и нагревают до фиксированной температуры с фиксированным временем выдержки при указанной температуре. Были получены образцы при температурах 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600 и 2000°С с временами выдержки 0,1, 1, 10, 30, 60, 120 и 180 с. После разгрузки проводят термогравиметрический анализ образцов и исследуют их механические свойства.

Твердость измеряют пирамидой Виккерса или Кнуппа (ГОСТ 9450-76). Твердость полученных образцов находится в пределах 10-70 ГПа и материал является высокотвердым.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе проводят по схеме трехточечного изгиба (ГОСТ 20019-74). Плотность измеряют методом гидростатического взвешивания. Указанный параметр σ*/ρ полученных образцов не ниже 250. Образцы стабильны по крайней мере до 1000°С в инертной атмосфере.

Таким образом, композитный материал является одновременно прочным, легким, высокотвердым и жаростойким.

1. Способ получения композитного материала на основе углерода, включающий воздействие на смесь фуллерена С₆₀, серосодержащего соединения CS₂ и наполнителя давлением и температурой, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют углеродные нанотрубки.

2. Композитный материал, полученный способом по п.1, может быть использован в ракетно-космической и авиационной отраслях.

Изобретение может быть использовано для получения электродного материала литиевых источников тока. Способ получения композита триоксид ванадия/углерод V2O3/C включает растворение в воде карбоновой кислоты, добавление оксидного соединения ванадия, сушку и последующий отжиг.

Способ утилизации горючих отходящих газов, попутных газов и/или биогазов // 2652720

Изобретение относится к способу утилизации содержащего углеводороды и/или содержащего диоксид углерода горючего отходящего газа, попутного газа и/или биогаза. Содержащий углеводороды и/или содержащий диоксид углерода горючий отходящий газ, попутный газ и/или биогаз вводится в реакционное пространство, а содержащаяся в горючем отходящем газе, попутном газе и/или биогазе многокомпонентная смесь в высокотемпературной зоне при температурах более чем 1000°С и в присутствии носителя преобразуется в газообразную смесь продуктов, которая более чем на 95 об.% состоит из СО, СО2, Н2, Н2О, СH4 и N2, и при необходимости в углеродсодержащее твердое вещество, которое по меньшей мере на 75 мас.% в пересчете на общую массу углеродсодержащего твердого вещества осаждается на носителе.

Способ обработки газа // 2652691

Изобретение может быть использовано при очистке топочного газа от диоксида углерода. Газ, полученный при сгорании угля в первой камере сгорания 10, фильтруют и подают во вторую камеру сгорания 15.

Способ и устройство для производства борогидрида натрия // 2652235

Изобретение может быть использовано для регенерации борогидрида натрия, используемого в качестве носителя водорода. Способ производства борогидрида натрия NaBH4 включает введение в реакцию метабората натрия NaBO2 и гранулированного алюминия в водородной атмосфере.

Способ получения углеродной пленки // 2652206

Изобретение относится к полупроводниковой и сверхпроводниковой электронике и может быть использовано при изготовлении фотонных устройств, сверхъёмких аккумуляторов и суперконденсаторов, высокочувствительных химических сенсоров и разделительных мембран.

Способ выращивания кристаллов фуллерена с60 // 2652204

Изобретение может быть использовано в полупроводниковой оптоэлектронике. Навеску порошка исходного фуллерена С60 загружают в кварцевую ампулу, внутренняя поверхность которой покрыта пироуглеродом для защиты исходного порошка от воздействия УФ излучения.

Водородная установка (варианты) // 2652191

Изобретение относится к установкам для получения водорода паровоздушной конверсией углеводородов и может быть использовано в промышленности. Водородная установка включает узел паровоздушного риформинга, оснащенный линией ввода нагретой смеси кислородсодержащего газа и воды, а также линиями ввода нагретой смеси углеводородного сырья, воды, водного конденсата и вывода водородсодержащего газа с рекуперационным теплообменником или с двумя рекуперационными теплообменниками и конвертором окиси углерода между ними на линии вывода водородсодержащего газа, далее на которой расположен блок выделения водорода, оснащенный линией вывода водорода и линией вывода продувочного газа, на которой расположен узел окисления с линиями подачи воздуха и вывода отходящего газа, сопряженный теплообменной поверхностью с теплообменником, расположенным на линии подачи смеси кислородсодержащего газа и воды.

Устройство и способ получения ацетилена и синтез-газа // 2652124

Предложенное изобретение относится к устройству для получения ацетилена и синтез-газа путем частичного окисления углеводородов кислородом, включающему в себя реактор, причем реактор содержит блок горелок с камерой сгорания для получения ацетилена, дополнительное пространство, выполненное в блоке горелок, и кольцевидное пространство, которое окружает дополнительное пространство, причем блок горелок включает сверленые отверстия для подачи потока смеси углеводородов и кислорода в камеру сгорания и сверленые отверстия для подачи потока вспомогательного кислорода в камеру сгорания, причем сверленые отверстия для подачи потока вспомогательного кислорода в камеру сгорания соединены с дополнительным пространством, причем дополнительное пространство соединено с кольцевидным пространством, причем дополнительное пространство отделено от кольцевидного пространства стенкой, причем стенка оснащена отверстиями для соединения сверленых отверстий для подачи потока вспомогательного кислорода с кольцевидным пространством, причем кольцевидное пространство соединено по меньшей мере с одним подводящим трубопроводом для подачи вспомогательного кислорода.

Процесс катионной полимеризации для синтеза наноструктурных полимеров, содержащих графен // 2652115

Настоящее изобретение относится к способу синтеза наноструктурных полимеров, содержащих графен. Описан способ катионной полимеризации для синтеза наноструктурных полимеров, содержащих графен, который включает осуществление взаимодействия оксида графита, диспергированного в растворителе с помощью ультразвука, с, по меньшей мере, одним виниловым мономером и, по меньшей мере, одним винил-ароматическим мономером в присутствии, по меньшей мере, одной сильной минеральной кислоты, подходящей для активирования катионной полимеризации, где названный оксид графита содержит от 5 до 60% по массе связанного кислорода, названный виниловый мономер содержит, по меньшей мере, одну карбоксильную группу, где отношение между связанным в оксиде кислородом и карбоксильными группами лежит в интервале от 1:10 до 10:1 в молях на моль, и отношение между названным винил-ароматическим мономером и суммой количества оксида графита и винилового мономера, содержащего карбоксильные группы, лежит в интервале от 50% до 99% по массе.

Способ получения синтез-газа // 2651195

Изобретение относится к способу получения синтез-газа каталитической гидроконверсией диоксида углерода в присутствии водорода на специальном катализаторе, позволяющем получить синтез-газ по составу, подходящему для производства метанола.

Способ выращивания острийных нитевидных кристаллов кремния // 2653026

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для создания автоэмиссионных электронных приборов (с «холодной эмиссией электронов) для изготовления зондов и кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов и оперативных запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации, поверхностно-развитых электродов электрохимических ячеек источников тока, а также для использования в технологиях изготовления кремниевых солнечных элементов нового поколения для повышения эффективности антиотражающей поверхности фотопреобразователей.

Способ получения композита триоксид ванадия/углерод // 2653020

Солнечный коллектор // 2652472

Изобретение относится к области энергетики, а именно к области использования солнечной энергии, и может быть применено в солнечных коллекторах с использованием энергии солнечного излучения в качестве источника теплового излучения.

Противораковые наночастицы с улучшенной направленной доставкой и способ их получения // 2652436

Предложенная группа изобретений относится к области медицины. Предложена противораковая наночастица, предназначенная для направленной доставки, включающая противораковое лекарственное средство, сывороточный альбумин и порфириновое соединение в качестве компонента, осуществляющего направленную доставку к опухоли.

Способ получения нанопорошков пористого кремния // 2652259

Изобретение относится к области получения наноматериалов, а именно нанопорошков кремния, и может быть использовано в стоматологии и биомедицине для получения фотолюминесцентных меток.

Способ получения углеродной пленки // 2652206

Способ выращивания кристаллов фуллерена с60 // 2652204

Способ получения суспензии катализатора гидроконверсии тяжелого нефтяного сырья // 2652122

Изобретение относится к области нефтепереработки и, более конкретно, к способам приготовления наноразмерных и ультрадисперсных катализаторов без носителя для гидрогенизационной переработки высокомолекулярного углеводородного сырья, в частности высококипящих остатков переработки нефти, природных битумов, битуминозных нефтей, углеродсодержащих отходов и др., и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности с получением углеводородного газа, бензиновых и дизельных фракций, вакуумного газойля.

Процесс катионной полимеризации для синтеза наноструктурных полимеров, содержащих графен // 2652115

Способ получения наномодифицирующей добавки строительного назначения // 2651720

Изобретение относится к производству строительных материалов и направлено на создание модифицирующих добавок различного вида вяжущих. Способ заключается в получении наномодифицированной добавки строительного назначения, характеризуется тем, что цемент распыляют в камере синтеза совместно с частицами металлоксидного катализатора синтеза углеродных наноматериалов (NiO/MgO) и через предварительно продутую инертным газом камеру-осадитель осаждают на соединенный с приводом вращения рабочий стол-диск, затем включают нагрев до температуры 630-670°С и производят непрерывную подачу пропан-бутановой смеси (углеводородного газа) и отвод газообразных продуктов пиролиза, а по окончании процесса химического осаждения готовый продукт - цемент с синтезированными на поверхности углеродными нанотрубками охлаждают, после чего включают привод вращения диска, готовый продукт скребком сдвигают через выполненное в нижней части камеры синтеза окно в шнековый бункер, привод которого включают одновременно с приводом вращения диска.

Керамический наноструктурированный материал на основе нитрида кремния и способ его получения // 2653182

Изобретение относится к способу получения наноструктурированного керамического материала на основе нитрида кремния Si3N4, модифицированного углеродом. Материал может быть использован для изготовления пластин для бронежилетов, а также различных компонент изделий, требующих повышенную твердость и трещиностойкость. Техническим результатом изобретения является повышение твердости и трещиностойкости керамического материала на основе нитрида кремния. Высокая твердость и трещиностойкость достигается за счет модификации границ зерен нитрида кремния углеродом. При этом весь углерод распределен по границам зерен. Способ получения включает в себя измельчение нитрида кремния с фуллереном в планетарной мельнице до получения среднего размера частиц 20 нм. При этом происходит покрытие нанозерен Si3N4 монослоем фуллерена. Полученный нанопорошок нитрида кремния с фуллереном спекают под давлением 1-5 ГПа при температуре 1100-1850°С. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 5 пр.