CC BY
34УДК 544.653
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОСТРУКТУРНЫЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ
ПОКРЫТИЯ И СЛОИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ. МАТЕРИАЛЫ,
ТЕОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ
А. И. Мамаев, В. А. Мамаева, Е. Ю. Белецкая, А. К. Чубенко
Национальный исследовательский Томский государственный университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36. E-mail: aim1953@yandex.ru
Описаны наноструктурные неметаллические неорганические покрытия, их получение, характеристики, применение, преимущества. Показана возможность получения функциональных материалов посредством изменения состава и структуры покрытий. Приведены перспективы применения в авиационной и космической технике функциональных наноструктурных неметаллических неорганических покрытий и слоистых материалов.
Ключевые слова: функциональные наноструктурные неметаллические неорганические покрытия, слоистые материалы, структура, физико-механические характеристики.
FUNCTIONAL NANOSTRUCTURE NONMETALLIC INORGANIC COVERINGS AND LAYERED MATERIALS FOR SPACE TECHNOLOGY APPLICATIONS. MATERIALS, THEORY,
TECHNOLOGY, EQUIPMENT
A. I. Mamaev, V. A. Mamaeva, E. Yu. Beletskaya, A. K. Chubenko
National Research Tomsk State University 36, Lenina Av., Tomsk, 634050, Russian Federation. E-mail: aim1953@yandex.ru
Formation, characteristics, application, advantages of nanostructure nonmetallic inorganic coverings are described. The possibility of reception of functional materials by means of change of covering structure is presented. Application perspectives of functional nanostructure nonmetallic inorganic coverings and layered material applications in the aviation and space technologies are given.
Keywords: functional nanostructure nonmetallic inorganic coverings, layered materials, structure, physical and mechanical characteristics.
Фундаментальные работы по исследованию физики и химии плазменных процессов в растворах, по созданию теории микроплазменного процесса, проведенные нами ранее, позволили выйти на получение нового класса покрытий [1] - функциональных наноструктурных неметаллических неорганических покрытий (НННП). Метод микроплазменного оксидирования позволяет изменять состав, структуру и, как следствие этого, функциональные свойства покрытий [2]. Кроме того, данный метод позволяет создавать специализированные слоистые материалы. Последнее особенно интересно в сложных высокотехнологичных изделиях в авиации и космонавтике.
Разрабатываемые в рамках данной области исследования функциональные наноструктурные неметаллические неорганические покрытия обладают следующими характеристиками:
а) состав покрытий - простые и сложные оксиды магния, алюминия, титана, циркония, кремния (в зависимости от сплава образца, на котором формируется покрытие, и электролита);
б) структура покрытий - аморфная, наноструктур-ная;
в) толщина - 5.. .20 мкм;
г) пористость - 5.15 %;
д) размер пор - от 20 нм;
е) шероховатость - не выше 0,63;
ж) микротвердость - до 21 ГПа;
з) адгезия - до 350 МПа;
и) высокие антикоррозийные свойства (при испытаниях по ГОСТ 9.302-88 и ГОСТ 9.031-74 на поверхности алюминиевых образцов нет очагов коррозии и разрушений под действием испытательных растворов в определенный период времени);
к) увеличение износостойкости - в 2-8 раз образцов с НННП относительно образцов без покрытия;
л) модуль упругости - не менее 50 ГПа;
м) степень черноты - не менее 0,93;
н) пробивное напряжение при толщине 20 мкм -не менее 350 В при импульсных токах;
о) теплопроводность - 0,2.200 Вт/(мК).
Понятно, что иногда существует необходимость получения изделия с покрытием, сочетающим много различных свойств, например, коррозионную стойкость, высокую температуропроводность, высокую степень черноты, высокие изоляционные свойства и др. Возможность создания такого покрытия - одно из преимуществ метода микроплазменного оксидирования.
Технологические возможности практического применения результатов:
Решетневскуе чтения. 2014
1. Обработка деталей сложной формы. Технология позволяет наносить покрытия на детали различной формы без последующей обработки.
2. Изменение состава покрытия. Технология позволяет наносить покрытия различного состава. В частности, введение в покрытия редкоземельных элементов с высоким сечением захвата нейтронов позволит получить покрытия, защищающие космическую аппаратуру при работе в областях с высокой радиацией. Существует возможность разработки технологии защиты от кратковременного и долговременного воздействия протонов, нейтронов.
3. Получение изоляционных и электропроводных покрытий. Изоляционные свойства покрытий необходимы для обеспечения дополнительной электрической изоляции узлов и деталей космической техники. Преимущество разработанных покрытий заключается в том, что они не горят (в отличие от полимерных материалов), не подвергаются радиационной деструкции. Величина электрической прочности 350 В достаточна для использования таких материалов в низковольтной аппаратуре.
В процессе работы космических аппаратов последние подвергаются жесткому радиационному воздействию космическими протонами. На поверхности ряда деталей в случае использования полимерных и других изоляционных материалов происходит накопление статического заряда, пробой материала покрытия может привести к выходу из строя электронной аппаратуры. Сток электричества должен обеспечиваться электропроводным покрытием. Для создания такого покрытия нами была использована возможность введения в поры неметаллического неорганического покрытия функциональных электропроводных материалов, например, меди или никеля. Возможность квазиравномерного заполнения пор металлическими материалами позволяет исключить накопление статического электричества.
Такие покрытия, по сути, являются слоистыми материалами и характеризуются следующими свойствами:
а) состав покрытий - простые и сложные оксиды алюминия, титана (в зависимости от сплава образца, на котором формируется покрытие);
б) структура покрытий - аморфная, наноструктур-ная;
в) толщина - 5.. .20 мкм;
г) размер пор - от 20 нм;
д) шероховатость - не выше 2;
е) электропроводный материал покрытия - медь, никель;
ж) доля электропроводного материала в покрытии - до 15 %;
з) переходное электрическое сопротивление - не менее 0,5-10-3 Ом.
Слоистые покрытия имеют структуру сложной иерархии, представляющую микронные структуры, созданные посредством микроплазменной технологии микронной точности, и наноструктуры. Такая структура характеризуется следующими параметрами:
а) размеры трехмерных металлических структур в наноструктурной неметаллической основе - до 20 мкм;
б) протяженность трехмерных металлических структур в наноструктурной неметаллической основе -от 20 до 40 мкм;
в) основной материал покрытия представляют структуры размером в пределах 3.100 нм.
4. Изменение теплофизических свойств. Изменение состава покрытия позволяет менять теплофизи-ческие свойства покрытия. Разработаны покрытия с высоким значением температуропроводности, что позволяет применять их для обеспечения сброса тепла с поверхности алюминиевых, магниевых и титановых деталей. Особенностью таких покрытий является то, что они не создают термического сопротивления на поверхности.
Другая особенность данных покрытий - высокая степень черноты, составляющая не менее 0,96. Это позволяет использовать их для сброса тепла аппаратуры с температурой до 400 °С в вакууме. Важно, что толщина покрытия 20 мкм не влечет за собой увеличение веса космического аппарата.
5. Уменьшение веса конструкции. Увеличение коррозионной стойкости при применении НННП позволяет заменить алюминий (плотность 2,7 г/см3) на магний (плотность 1,3.1,7 г/см3), что приводит к уменьшению веса конструкции космической аппаратуры примерно на треть. Это в свою очередь позволяет увеличить вес полезной нагрузки и коммерческую загрузку запусков.
6. Повышение износостойкости. Износостойкие покрытия на алюминии и магнии в промышленности редкость, и нужно точно определить перечень и номенклатуру изделий для нанесения покрытий. Это связано с тем, что стоимость таких деталей и затраты на разработку технологии будут высоки, в то время как номенклатура обрабатываемых деталей мала. Необходимость повышения износостойкости деталей, выполненных из сплава магния, есть, и технология микроплазменного оксидирования позволяет вести разработки в этом направлении.
7. Снижение шероховатости. Значение шероховатости 0,63 мкм - достаточное для машиностроительных деталей. Для узлов, где нужно меньшее значение, метод позволяет получать покрытия с нужной шероховатостью путем изменения параметров нанесения. Поскольку, как и микротвердость, этот параметр специальный, по нашему мнению, обычная шероховатость должна быть 0,63 мкм с возможностью варьирования значения для некоторых узлов и поверхностей.
Перспективность описанного класса покрытий потребовала разработки специализированного оборудования для технологического процесса. Нами разработаны пилотное технологическое оборудование с производительностью до 20 тысяч квадратных метров в год при работе в три смены. Процесс отличается высокой производительностью и небольшими затратами энергии.
Таким образом:
- разработан новый класс специализированных покрытий для возможного применения в космических аппаратах;
- разработанный метод позволяет наносить слоистые материалы и создавать слоистые конструкции;
- разработанные покрытия обеспечили необходимые функциональные характеристики и адаптацию технологии под некоторые задачи для аэрокосмической техники;
- разработанные покрытия создали предпосылки для выхода на новые конструкционные материалы; обоснована возможность применения в качестве конструкционного материала магниевых сплавов взамен алюминиевых, что влечет за собой уменьшение веса космического аппарата;
- проведенные работы позволили создать технологию и оборудование для обработки деталей сложной формы.
Библиографические ссылки
1. Мамаев А. И., Мамаева В. А. Сильнотоковые процессы в растворах электролитов. Новосибирск : СО РАН, 2005. 255 с.
2. Мамаев А. И., Мамаева В. А., Дорофеева Т. И., Бориков В. Н. Формирование наноструктурных неметаллических неорганических покрытий путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз : учеб. пособие. Томск : Изд-во Томск. ун-та, 2010. 360 с.
References
1. Mamaev A. I., & Mamaeva V. A. High current microplasma processes. Novosibirsk, SB RAS, 2005, 255 p.
2. Mamaev A. I., Mamaeva V. A., Dorofeeva T. I., & Borikov V. N. Formation of nanostructured inorganic non-metallic coatings by localization of high flows at the interface. Publ TomSU, 2010, 360 p.
© Мамаев А. И., Мамаева В. А., Белецкая Е. Ю.,
Чубенко А. К., 2014
УДК 661.693
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ГЕРМАНИЯ В МИНЕРАЛЬНОМ СЫРЬЕ
О. И. Подкопаев1, С. А. Копыткова1, Е. С. Балакчина1, М. А. Грачёва1, А. Ф. Шиманский2
1ОАО «ГЕРМАНИЙ»
Российская Федерация, 660027, г. Красноярск, Транспортный проезд, 1/107. E-mail: gelkp@mail.ru 2 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: shimanaf@mail.ru
Предложена методика выполнения измерений концентрации германия и сопутствующих элементов в лиг-нитах и другом минеральном сырье - углях, углистых аргиллитах, алевролитах и т. п. Установлено, что содержание германия в лигнитах бассейна реки Енисей составляет в среднем 200 г/т.
Ключевые слова: германий, сырье, лигнит, атомно-эмиссионная спектроскопия, элементный состав.
THE GERMANIUM CONCENTRATION DETERMINATION IN THE MINERAL RAW MATERIALS O. I. Podkopaev1, S. A. Kopytkova1, E. S. Balakchina1, M. A. Gracheva1, A. F. Shimanskiy2
1OJSC «GERMANIUM» 1/107, Transportny passway, Krasnoyarsk, 660027, Russian Federation. E-mail: gelkp@mail.ru
2 Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: shimanaf@mail.ru
The concentration determination procedure of germanium and other elements in the lignite and mineral raw materials such as coal, carbonaceous mudstones, siltstones is developed. The germanium contents in the lignite of Yenisei River basin are, on average, 200 g/1.
Keywords: germanium, raw, lignite, atomic emission spectroscopy, elemental composition.
Первое применение германий нашел около полувека назад, как полупроводниковый материал для изготовления транзисторов. В настоящее время сфера его использования непрерывно расширяется и включает космическую технику, волоконно-оптические линии связи, полупроводниковые детекторы, инфракрасную аппаратуру, тепловизоры и т. п. [1]. Выпуск
германия достиг в настоящее время уровня ~200 т/год [2]. Основным производителем германия в России, имеющим полный цикл переработки - от сырья (отходы производства ве, зола от сжигания углей, германиевые концентраты и др.) до готовой продукции, является ОАО «ГЕРМАНИЙ» (г. Красноярск), доля которого в мировом производстве составляет прибли-
