Существенно
снизить массу конструкций, а, следовательно, и расход топлива позволит разработка
сверхлегких высокопрочных алюминий-литиевых сплавов. Алюминий-литиевые сплавы
второго поколения 1420, 1441 применяются в самолетах Бе-103, Бе-200, Ту-204 и
ряде других изделий. Al-Li сплавы третьего поколения В-1461,
В-1469, легированные редкоземельными металлами, обладают повышенными
характеристиками прочности и трещиностойкости при пониженной плотности в
сравнении с традиционными алюминиевыми сплавами.
Титановые
сплавы на интерметаллидной основе (ортосплавы), созданные в институте, обладают не только низкой
плотностью и высокой прочностью на уровне стали, но и высокой жаропрочностью
(650–700°С).
Для цельных
кольцевых магнитов с радиальной текстурой создан термостабильный магнитотвердый
материал на принципиально иной композиции с РЗМ. Данные магниты применяются для
навигационных приборов и обеспечивают повышение точности измерения угловой
скорости в два-три раза, снижение энергопотребления гироскопа на 15–20%.
Уплотнительный
материал из металлических волокон с тонкопленочным жаростойким покрытием на
основе керамообразующих полимеров применяется в проточной части компрессора и
турбины ГТД, что позволяет существенно снизить износ дорогостоящих лопаток и сэкономить
топливо. Благодаря этому жаростойкому покрытию ресурс эксплуатации
увеличивается в 1,5–2 раза.
Для авиационной отрасли
ВИАМ создал высокопрочную коррозионностойкую азотсодержащую свариваемую сталь
ВНС-65 для ответственных тяжелонагруженных деталей планера и шасси, а также
теплостойкую сталь ВКС241 для термостойких подшипников, работающих при высоких
температурах в вертолетных редукторах и авиационных ГТД.
Создание
жаропрочных сплавов нового поколения, позволяющих повысить надежность и ресурс
газотурбинных двигателей - одно из приоритетных направлений деятельности ВИАМ.
Для различных узлов и деталей ГТД, работающих при температуре до 1250°С, созданы
высокожаропрочные сплавы серии ВЖМ, превосходящие отечественные и зарубежные аналоги.
Для
противодействия коррозии и биоразрушений разрабатываются системы защиты
конструкций из металлических, полимерных композиционных материалов и их
соединений. Металлокерамические
композиционные материалы (МКМ) обладают такими свойствами, как высокие
жесткость, прочность, трещиностойкость, износостойкость, высокие температуры
эксплуатации. К наиболее перспективным материалам на основе жаропрочных матриц можно
отнести композиты на основе молибдена, ниобия и никеля, выдерживающие рабочую
температуру 1200-1600°С.
МКМ на основе никелевых
сплавов с высоким наполнением перспективны для триботехнического применения в
тяжелонагруженных узлах трения, работающих в условиях высоких температур с
ограниченной подачей смазки. В качестве керамической составляющей применяются
карбиды, нитриды, карбонитриды, бориды, силициды, оксиды, интерметаллиды и другие
более сложные керамоподобные соединения. Дополнительно в состав могут входить
вещества из класса «твердых смазок» (графит, дисульфид молибдена,
гексагональный нитрид бора и др.) и легкоплавкие металлы, выполняющие роль
гидродинамических смазок в тонких слоях.
Для применения в
теплонагруженных элементах конструкций, работающих в условиях высоких
механических напряжений, разрабатываются композиционные материалы на основе тугоплавких
матриц. Так специалистами «ВИАМ» разработана технология получения
керамического композиционного материала марки ВМК-17 с повышенной
термостойкостью до 1700 °С и инертностью к воздействию расплавов металлов.
Для обеспечения длительного
ресурса работы валов газотурбинных двигателей и деталей подшипников в институте
разработана линейка высокопрочных конструкционных безуглеродистых
мартенситностареющих сталей марок ВКС-170, ВКС-180. ВКС-170 заменила более
ранние разработки ЭП517 и ЭП866 в производстве валов турбины низкого давления
(ТНД) и ряда других деталей в двигателе ПД-14. Сталь ВКС-180 будет применяться
в современном двухконтурном турбовентиляторном двигателе ПД-8.
Еще одна разработка ВИАМ
(совместно с АО "ОДК – Авиадвигатель") — сталь ВКС18 с
принципиально новой системой упрочнения, не уступающая по пластичности и
вязкости зарубежным аналогам и превосходящая по прочности отечественные стали
ЭП517 и ЭП866. Чтобы увеличить долговечность подшипников из отечественной стали
ЭИ347-Ш, специалисты ВИАМ разработали теплостойкие подшипниковые стали марок
ВКС241-ИД и ВКС17-ИД. По теплостойкости и твердости сталь ВКС241-ИД находится
на уровне зарубежного аналога М50, по карбидной однородности превышает
применяемую отечественную сталь ЭИ347-Ш в 1,5–2 раза. А ВКС17-ИД,
предназначенная для тяжелонагруженных крупногабаритных подшипников качения, не уступает зарубежной стали М50NiL, не
имеющей российских аналогов.
ГК «Росатом»
Атомная госкорпорация является одним из лидеров развития
новых технологий у нас в стране. Четвертым федеральным
проектом в рамках программы «Развитие техники, технологий и научных
исследований в области использования атомной энергии в Российской
Федерации на период до 2024 г.» (продленной до 2030 г.), стал ФП
«Разработка новых материалов и технологий для перспективных
энергетических систем».
«Росатом»поставил
целью, чтобы к 2030 г. Россия вошла в число мировых технологических лидеров по
4 направлениям: полимерные композиционные материалы, аддитивные технологии,
редкие и редкоземельные металлы, а также новые конструкционные и функциональные
материалы и вещества. Для решения поставленных задач необходимо оптимизировать
составы радиационно стойких, жаропрочных и коррозионно-стойких
конструкционных материалов для реакторных установок нового поколения,
необходимо разработать новые конструкционные материалы, обеспечивающие
эксплуатационные характеристики реакторов IV поколения в ЗЯТЦ,
а также снижение удельной металлоемкости и ресурс основного
оборудования не менее 30 лет и пр. В решении этих задач
задействованы все ведущие организации атомной отрасли.
ВНИИНМ
Высокотехнологический научно-исследоватльскиий нститут материалов им.
ак.А.А.Бочвара является головной организации отрасли по
тематическому направлению «Функциональные наноматериалы для энергетики» [4]. Основные направления исследований
в области нанотехнологий и наноматериалов связаны с разработкой конструкционных
и функциональных наноматериалов для создания нового поколения реакторов атомной
и термоядерной энергетики.
В институте разрабатываются:
наноструктурированные радиационно-стойкие ферритно-мартенситные дисперсионно
упрочненные оксидами стали с уникально высоким уровнем жаропрочности,
ванадиевые многокомпонентные сплавы, топливные композиции на основе оксида
урана и смешанного уран-плутониевого МОХ-топлива для тепловых и быстрых
реакторов, функциональные высокоэнергетические наноструктурные магнитные
материалы на основе системы Nd-Fe-B и все виды технических сверхпроводящих
низко- и высокотемпературных материалов первого и второго поколений. Впервые в
мире разработаны промышленные технологии получения сверхвысокопрочных
высокоэлектропроводных наноструктурных композиционных электротехнических
проводов (системы Cu-Nb, Cu-V и т. д.). Ведутся технологические разработки
наноструктурированных фильтровальных систем для работы в особо агрессивных
жидких и газообразных средах, создана нанотехнология получения
вакуум-плотной особо тонкой рентгенопрозрачной фольги из наноструктурированного
бериллия [5].
Радиационную стойкость
материала оболочки для элементов активных зон перспективных ядерных реакторов обеспечит
новый класс феррито-мартенситных радиационно-стойких сталей, упрочненных
частицами оксидов иттрия нанометрового размера (ДУО-сталь).
В 2021 г. специалисты АО «ВНИИНМ»
разработали:
- комплекс
физико-механических, коррозионных и др. функциональных характеристик
опытных образцов перспективных конструкционных материалов (ферритные стали
на базе системы Fe-Cr-Al, ванадиевые сплавы, сплавы на базе системы
Ni-Cr-Mo);
- технологии изготовления
образцов из перспективных КМ;
- провели сравнительные испытания
после облучения в БН‑600 ДУО-сталей;
-
разработали процесс формования деталей реакторных установок
из безусадочных керамических материалов на основе SiC;
-
разработали технологию нанесения межфазового слоя пироуглерода на волокно
SiC.
В 2022 г. опытные образцы перспективных
конструкционных материалов прошли комплекс физико-механических, коррозионных
испытаний для сравнения их характеристик в исходном состоянии и после
ускорительного облучения для аттестации. По итогам испытаний планируется
отобрать шесть лучших составов сплавов для изготовления элементов твэлов
из радиационно-стойких, жаропрочных и коррозионностойких
композиционных материалов (ДУО-стали, стали системы Fe-Cr-Al, ванадиевые
сплавы, сплавы системы Ni-Cr-Mo), а также изготовить макеты твэлов из SiC.
В рамках
программы «Новые материалы и технологии» разрабатываются перспективные
материалы для высокоэнергетических магнитов. Во ВНИИНМ разработана технология
получения нанокристаллических магнитных материалов, в 6—8 раз превосходящих по
магнитной энергии ферриты бария и стронция. Магниты из сплавов
редкоземельных элементов применяются в авто- и аэрокосмической
отраслях, нефтяном и газовом машиностроении, энергетическом
и химическом машиностроении. Одним из активных потребителей таких магнитов
является ветроэнергетика.
Для создания высокоемких
конденсаторов с рекордными электрофизическими свойствами (удельным зарядом до
150 000 мкКл/г) получены нанопорошки Та и Nb.
Помимо ядерных технологий
ВНИИНМ разрабатывает сверхпроводящие материалы, решения на базе нанобериллия,
композитные наноматериалы, высокопрочные наноструктурные электропровода,
широкий спектр технологий обработки поверхности, а также порошки для аддитивных
технологий [6]. Интересное направление – создание изделий из нанобериллия, в
частности, вакуум-плотной фольги и линз для фокусировки рентгеновских лучей.
Для изготовления линз требуется высокочистый бериллий с наноструктурой,
предотвращающей рассеивание излучения.
Требования к спецсталям в
атомной энергетике серьезнее, чем в других отраслях [7]. Комплекс свойств специальной стали
определяется структурой, на которую влияют состав и технология производства. ЦНИИТМАШ
разработал уникальную коррозионностойкую сталь 03Х23Н6М4Д3АБ-Ш с повышенными
механическими свойствами, выносливую в агрессивных средах. Она отличается более
низкими уровнями примесных элементов (фосфора, серы, меди), новыми технологиями
выплавки, разливки, внепечной и термической обработки. По результатам
дореакторных испытаний эти материалы существенно превосходят не только
применяемые сейчас, но и перспективные корпусные стали.
Специалисты ГНЦ РФ-ФЭИ
и ОЦНТ разработали технологию получения наноматериалов, заключающуюся в
управляемом селективном окислении металла, растворенного в инертной
жидкометаллической среде. Получаемые материалы обладают высокой открытой
пористостью и удельной поверхностью, рекордно низкой теплопроводностью и
плотностью. Синтезируемый наноматериал является уникальным сырьем при создании
новых материалов для прикладных задач: катализ, сорбция, новые керамические
композитные и функциональные мембраны топливных элементов, высокотемпературные
фильтроматериалы, полимерные и резинотехнические изделия и др.
Учёные из АО «ВНИИХТ»
предложили новую технологию получения лигатур редкоземельных металлов для
производства мощных постоянных магнитов. Лигатура добавляется к железу или
кобальту. На основе новых базовых составов «РЗМ-железо» учёные намерены получать
компактные магниты, которые будут применяться в производстве ветрогенераторов.
Применение наноматериалов
в производстве топливных таблеток из диоксида урана - одно из основных направлений
в атомной отрасли [8]. В результате совместных исследований МИФИ и ВНИИХТ
было доказано, что использование нанопорошков позволяет повысить
характеристики топливных таблеток. Добавлением нанопорошков диоксида урана в
крупнокристаллические традиционные порошки при спекании топливных таблеток
можно снизить температуру спекания на 15% либо увеличить размер зерна с 8-10 до
25-30 мн, что увеличивает их ресурс и позволяет использовать в новых типах
реакторов.
Совместно с НИКИМТ
специалисты МИФИ разработали
нанокомпозит с использованием
борсодержащих нанопорошков В4С или BN совместно с нановольфрамом. Поскольку
борсодержащие порошки в наноразмерном состоянии приводят к увеличению
коэффициента поглощения нейтронов в 1,5 раза и коэффициента рассеяния
гамма-излучения на 30-50%, это позволяет получать универсальные
радиационно-защитные материалы. Опытные образцы из разработанного нанокомпозита
подвергли радиационным испытаниям путем гамма и нейтронного облучения. По
результатам исследований предложена новая конструкция транспортного универсального
контейнера ТУК-84, которая позволяет снизить вес ТУКа на 20-30%, что ведет к
уменьшению необходимого парка ТУКов и снижению стоимости обслуживания ОЯТ.
В АО «НИИграфит» были разработаны
компоненты для 3D-печати из полимерных и керамических материалов:
армированный стеклонитью жгут, композиционная основа под силицирование,
реакционносвязанный карбид кремния. Подготовлена конструкторская документация, изготовлены модели узлов 3D-принтера для
печати изделий из полимерных материалов.
На Сибирском
химическом комбинате созданы установки по выпуску нанокристаллических
порошков оксидов металлов (производительностью 24 т/год), которые могут быть
сырьем для получения изделий конструкционной керамики, в состав которой входят
Аl2О3, ZrО2, Y2О3. Керамические изделия успешно работают в тяжелых условиях
трения и износа. Из нанокерамики на основе оксида алюминия с высокой
износостойкостью изготавливаются защитные пластины для центрифуг.
Исследователи Мордовского
государственного университета (МГУ) им. Н.П. Огарева получили патент на
строительный материал — пористую стеклокерамику, по прочности,
теплопроводности, химической и биологической стойкости превосходящую аналоги. Стеклокерамику
можно использовать при утеплении АЭС, создании конструкций в газо- и
нефтедобывающей промышленности. В настоящее время
при строительстве АЭС используется пеностекло, Пористая стеклокерамика по
сравнению с другими материалами обладает рядом преимуществ: более высокая
температура использования, не обрастает плесенью, обладает повышенной
термической и химической стойкостью, более легкая и прочная.
НИЦ
«Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», занимающийся
исследованием фундаментальных основ самоподдерживающихся гетерогенных реакций
в наноструктурированных средах с целью создания эффективных
технологий получения новых материалов в режиме горения,разработал наноструктурированные
бронепластины (SiC и B4C), керамические материалы для режущего инструмента
(Al2O3-SiC, Al2O3-SiC-Si3N4), детекторы-прототипы SiC-Si3N4 (совместно
с Курчатовским институтом) с заданными поверхностным и объемным
электросопротивлением. Для аэрокосмических применений синтезирован керамический
материал на основе карбонитрида гафния HfCxN1-x с теоретической
температурой плавления выше 4400 °С; разрабатываются интерметаллидные
и низкомодульные сплавы для применения в 3D печати (Ni-Al,
Nb-Al, Ti-Al, Ti-Si, Ti-Nb, Ti-Al-Ni и др.)
На основе
высокоэнтропийных материалов (Ti-Cu-Al-Ni-Nb, Fe-Ni-Cr-Co-Mn,
Ni-Al-Cr-Fe-W(Mo), Hf-Zr-Ta-Nb-Ti и Hf-Zr-Ta-Mo-Ti) разрабатываются
суперсплавы для работы в узлах высокотемпературной техники.
Разрабатываются подходы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) по новому классу
керамических высокоэнтропийных карбидов и боридов; соединение тугоплавких
и разнородных материалов (С-С/C-C, SiC/Al, TiN/TiN, SiC/SiC, C-C/Ti, Ti/Ti
и др.); псевдосплавы для вакуумных электроконтактов (Cu-Cr, Cu-Mo, Cu-W,
Cu-Cr-Mo, Cu-SiC, Cu-Cr-SiC и др).
Для прогноза эволюции
конструкционных материалов в условиях реакторного облучения и ускорения поиска
кандидатных материалов специалистами ФГУП «ВНИИА» были разработаны
цифровые инструменты компьютерного материаловедения. Специалистами
АО «Атомэнергопроект», ГНЦ РФ АО «НПО «ЦНИИТМАШ», АО «ВНИИАЭС»,
АО «НИИП» и АО «НТЦД» подготовлены методология управления
старением конструкций АЭС, материалы информационной системы по управлению
старением конструкций на всех этапах жизненного цикла АЭС.
Стратегическая задача
перспективного внедрения РЕМИКС-топлива - многократный рецикл получаемых после
переработки ОЯТ урана и плутония в реакторах на тепловых нейтронах. Предложенная
Радиевым институтом им. В.Г.Хлопина
технология РЕМИКС-топлива предполагает
переработку облученного ядерного топлива – ураново-плутоновой смеси, с
последующим добавлением в него небольшого количества обогащенного урана
(20-40%). Технология подразумевает повторное использование не только плутония,
содержащегося в отработавшем топливе, но и остаточного количества урана-235.
Аналогичность нейтронного спектра РЕМИКС-топлива нейтронному спектру обычного
уранового топлива позволяет использовать его в обычных реакторах без внесения
дополнительных изменений в конструкцию и дополнительных мер по обеспечению
безопасности. К другим плюсам предложенной технологии можно отнести четырехкратное
сокращение накопленных объемов РАО и существенное сокращение сроков, которые эти
отходы будут оставаться опасными - со 100 тыс. лет до нескольких сот лет.
В сентябре 2021 г. на энергоблоке №2 Ростовской АЭС
началась опытно-промышленная эксплуатация тепловыделяющих элементов нового
поколения безопасности – т.н. "толерантное" топливо (Accident
Tolerant Fuel (ATF). Шесть тепловыделяющих элементов были изготовлены из
хром-никелевого сплава 42ХНМ и шесть твэлов с оболочками из циркониевого сплава
с хромовым покрытием, что позволяет либо исключить, либо значительно затормозить
развитие пароцикрониевой реакции в активной зоне реактора в случае внештатной
ситуации. Экспериментальные ТВС содержат твэлы с четырьмя вариантами сочетаний
материалов оболочки и топливной таблетки: помимо диоксида урана в качестве
топливной композиции используется уран-молибденовый сплав с высокой
теплопроводностью. По итогам исследований будет выбран оптимальный вариант
сочетания конструкционных и топливных материалов.
ГК «Ростех»
Крупнейшая промышленная компания России
госкорпорация «Ростех» объединяет порядка 800 научных и производственных
организаций, занимающихся авиастроением, радиоэлектроникой, медицинскими
технологиями, инновационными материалами и др. Разработка композиционных и
других современных конструкционных материалов – одно из ведущих направлений
деятельности корпорации.
Обнинское НПП «Технология» им. А.Г.Ромашина (ГК «Ростех») более
чем в два раза нарастило производство полимерных, стеклопластиковых
и алюминиевых силовых сотовых заполнителей, полностью закрыв потребности
российской авиакосмической отрасли. Мощности предприятия позволяют производить
в год до 600 кубических метров конструкционных материалов, которые
применяются при создании перспективных двигателей ПД-8 и ПД-14,
истребителей пятого поколения Су-57 и космического корабля «Орел». Разработка «Технологии»
поможет увеличить полезную нагрузку космических аппаратов за счет снижения
массы, повысив эффективность их работы.
Предприятие разработало новый композиционный
керамический материал на основе диоксида циркония, который выдерживает
термоудар до 2000 °C и может использоваться в агрессивной
химической среде. К разработке нового материала ученые «Технологии»
приступили в 2019 г. в интересах предприятий атомной промышленности. Диоксид
циркония обладает уникальным комплексом свойств: высокой прочностью
и твердостью, термостойкостью и ионной проводимостью, биологической
инертностью и химической устойчивостью в расплавах металлов. Для
достижения высокой термостойкости и химической устойчивости диоксид
циркония был синтезирован из нанокристаллических порошков с добавками
оксидов магния и кальция. В результате была получена композиция,
обладающая свойствами всех вошедших в нее элементов.
Предприятие «Мотовилиха – гражданское машиностроение» освоило производство
жаропрочной высоколегированной стали для изготовления конструктивных деталей
энергоблока БРЕСТ-ОД-300, который строится в Томской области. Предприятие
поставило первую партию стальных поковок объемом 150 тонн. Освоение атомной
стали проходит в рамках реализации новой концепции – создания на базе
«Мотовилихи» центра компетенций для производства инновационных редких видов
сталей и сплавов с особыми свойствами, с улучшенными характеристиками –
хладостойкостью, износостойкостью и др. в интересах нефтегазовой, атомной,
судостроительной отраслей промышленности.
В телекоммуникациях, цифровом телевещании и мобильных сетях связи для
быстрой и безопасной передачи больших объемов данных используется оптоволокно. Инженеры «Швабе» в кооперации со специалистами «Сколково» и
Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики
разработали новый продукт – оптоволокно для передачи данных по кабельным сетям
в условиях агрессивной окружающей среды. Новый материал может быть использован
при оснащении средствами высокоскоростной передачи информации воздушных судов,
космических аппаратов, железнодорожных локомотивов, пассажирских и грузовых
составов, линий метро. При этом
существует дефицит исходного ресурса – кварцевых труб и стержней для
производства преформ оптических волокон. Холдинг «Швабе» планирует принять
участие в проекте по созданию отечественного производства кварцевых труб и
стержней, используемых при создании преформ, из которых вытягивается
оптоволоконная нить.
Холдинг «Росэлектроника» приступил к исследованиям метода
молекулярного наслаивания для синтеза нового поколения композитов. С помощью данного
метода можно упрочнить поверхность деталей, устройств и защитить элементы от
коррозии, царапин, истирания, а драгоценные металлы – от старения. На
основу наносится равномерный слой толщиной в тысячи раз тоньше волоса, который
соединяется с ней прочной химической связью. Технология позволяет чередовать
различные химические соединения в слоях и обеспечивает их равномерное нанесение
с точностью до 1 ангстрема. Технологический процесс может быть использован
при создании материалов для машиностроения, энергетики, оптики, медицины,
электроники.
«ОДК-Сатурн» Объединённой двигателестроительной
корпорации «Ростеха» разработал технологию нанесения термобарьерных покрытий,
эффективно защищающую детали наземных и морских газотурбинных двигателей от
негативных влияний и позволяющую увеличить коэффициент полезного действия и
срок эксплуатации силовых установок. Электронно-лучевой способ формирования и
нанесения специальных покрытий, препятствующих негативному воздействию нагрева,
коррозии и повреждению деталей из жаростойких сплавов, позволяет создать защиту,
которая вдвое превышает показатели по эффективности у применяемых ранее
аналогов. Благодаря этому решению удалось повысить адгезионные свойства
покрытий, улучшить характеристики силовых установок и значительно уменьшить
влияние высокотемпературной солевой коррозии и окисления, увеличив срок
эксплуатации двигателей.
Университеты
В рамках нацпроекта «Наука и университеты», реализуемого
Минобрнауки России, стартовала программа «Приоритет 2030». В ней принимает
участие более сотни российских вузов. Разработка
новых материалов – это тема, затрагивающая критические технологии в нашей
стране. Работы по созданию технологий новых материалов входят в
перечень приоритетных направлений развития науки, технологии и техники,
утвержденной Президентом РФ.
Институт новых материалов и технологий Уральского федерального университета (УрФУ) готовит материаловедов, способных создавать новые материалы с
уникальными свойствами, разрабатывать алгоритмы, технологии производства
материалов, осуществлять фундаментальные и прикладные научные исследования, уже в
рамках учебной программы выполнять научно-исследовательские работы по заказу
предприятий. Промышленные предприятия заинтересованы в
современных специалистах, которые могут создавать композиты, нано- и
метаматериалы, разрабатывать и внедрять
инновационные технологии.
Ученые УрФУ
совместно с коллегами из Института химии твердого тела УрО РАН, изучая свойства
титаната кальция-меди — полупроводника, способного накапливать энергию под воздействием
электрического поля, получили новые данные о свойствах этого материала. Для титанат
кальция-меди, или ССТО, одновременно характерны хорошая электропроводимость и
диэлектрическая проницаемость, в 1000–10000 раз превосходящая показатели других
материалов с таким эффектом. Исследователям удалось найти способ обработки ССТО
в условиях высоких давлений и температур, после которой диэлектрическая
проницаемость материала увеличивается в 10 раз вследствие увеличения размеров
зерен вещества. «Керамические изделия из ССТО, обработанного по этой
технологии, имеют большой потенциал в микроэлектронике в качестве элементов для
накопителей энергии с большим диапазоном температур, в качестве среды для
миниатюрных конденсаторов или полупроводниковых резисторов с нелинейным
сопротивлением. На основе этих элементов, созданных из ССТО с мелким зерном,
возможна разработка новых систем оперативной памяти и многослойных
конденсаторов. Керамика с крупным зерном будет полезна при защите линий
электропередачи и любой электроники от скачков напряжения.
Совместно с коллегами из Института
электрофизики УрО РАН и Института ионно-плазменных и лазерных технологий
Академии наук Республики Узбекистан физики УрФУ разработали
технологию роста несферических наночастиц. Выращивая наночастицы разной формы,
можно получать необходимые свойства, управлять ими. Так, изменение формы
наночастиц со сферических на несферические позволило увеличить диапазон
оптического поглощения. Поглощенную энергию можно конвертировать в
электричество, тепло. Используя такие наночастицы для лазеров, можно
увеличивать их мощность. В сенсорах это будет увеличиваться их
чувствительность. При контакте с биообъектами плазмонные наноструктуры позволят
более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции.
Опыты с частицами меди
позволили создать метаматериал, который состоит из несферических плазмонных
наночастиц в матрице оптически прозрачной радиационно стойкой керамики. За счет
управляемой морфологии плазмонных наночастиц новый материал обеспечивает
улучшенные спектральные характеристики и эффективность преобразования энергии
поглощаемых фотонов. Материалы, в которых имеет место такой эффект, могут быть
использованы для лазеров нового поколения, навигационных систем космических
аппаратов, квантовых компьютеров и т. д., то есть там, где необходимо
использовать поглощение и преобразование энергии свет
Специалисты Института
водородной энергетики УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной
электрохимии УрО РАН разработали новый вид материалов для водородных топливных
элементов. Разработчики взяли за основу слоистые перовскиты и модифицировали
исходный материал на основе бария, лантана, индия и кислорода, добавив атомы
редкоземельного металла гадолиния, который увеличивает электропроводимость за
счет своих магнитных свойств. Это улучшило проводимость материала в 20 раз.
Исследователи
УрФУ и ИОС УрО РАН разработали новый дешёвый материал для производства
солнечных батарей, в 180 раз тоньше кремния. Альтернативой привычным кремниевым
элементам для солнечных панелей стали перовскитные солнечные элементы (ПСЭ). Ученые
подобрали наиболее эффективную комбинацию молекул, устранив главные недостатки фуллеренов. Оптические, электрохимические и
электронные свойства этих молекул легко модифицируются. Кроме того, они
являются диполями, что открывает ряд возможностей по усовершенствованию ПСЭ.
Также учеными УрФУ был найден
способ защитить перовскитные солнечные батареи на основе йодида
свинца-метиламмония от разрушения под воздействием воды. ПСЭ на основе
йодида свинца-метиламмония превосходят кремниевые элементы по
производительности и простоте синтезирования. Также они способны эффективно
вырабатывать электроэнергию в условиях облачности или тумана, поэтому идеально
подходят для использования в России. Но использование перовскитных солнечных
панелей ограничено по ряду причин, вызывающих их нестабильность.
Сотрудники
Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения (ДВО)
РАН вместе с коллегами из Дальневосточного федерального университета,
Института химии ДВО РАН и Института физики полупроводников СО РАН разработали новый материал на
основе кремния с улучшенными антиотражающими и светопоглощающими свойствами. Особенностью
энергетической структуры кремния - является лимит на поглощение ближнего
инфракрасного излучения - значительной части спектра солнечного света. Добавив
покрытие из силицида магния на черные кремниевые наноконусы, удалось значительно
уменьшить отражение света и увеличить его поглощение, захватывая весь видимый
свет, большую часть ультрафиолета и значительную часть инфракрасного излучения.
В итоге максимальное поглощение достигло 96%. Материал получил название черный
силицид.
Графен
Графен —
это один слой графита. Он имеет плоскую кристаллическую решетку, состоящую из
взаимосвязанных шестиугольников атомов углерода, плотно связанных между собой. Он используется для создания радиочастотных меток (RFID),
светодиодов, гибких сенсорных экранов и солнечных панелей, фотоприемников,
фильтров и мембран. Существует более
десятка методов получения графеновых материалов, работающих с широким спектром
исходных материалов: графитом, метаном, этанолом, ацетиленом, биоуглем, CO2 и
другими формами углеродсодержащих материалов. Этот наноматериал может внести
множество улучшений в традиционные материалы. Графен работает как эффективная
нанодобавка, которая делает материалы-носители легче, прочнее и качественнее.