| 16. |
Аннотация |
Стратегии развития Арктической зоны России и национальной безопасности до 2035 года, утвержденной 26.10.2020 г., основными направлениями являются: внедрение специального экономического режима в формате замкнутого цикла; создание новых и модернизация существующих производств; развитие наукоемких и высокотехнологичных производств. Они предусматривают развитие транспортной, энергетической инфраструктуры, промышленных кластеров, которое, в силу уникальных климатических факторов, во многом зависит от бесперебойной работы техники и технологического оборудования. Наиболее подверженными и зависимыми деталями от климатических условий и рабочей среды являются уплотнительные детали и узлы трения, которые определяют работоспособность и долговечность техники. Повышение надежности и долговечности гидравлических, питательных узлов и узлов трения техники и оборудования, эксплуатируемых в регионах Арктики и Субарктики, представляет собой одну из острых проблем вследствие недостаточной приспособленности промышленных конструкционных материалов к условиям эксплуатации. В связи с этим применение композиционных материалов позволяет решить проблему повышения работоспособности деталей (подшипников, втулок, муфт, шестерен, звездочек, уплотнительных элементов и т. д.) технических систем и технологического оборудования горнодобывающей промышленности и транспортных средств. Как правило, используются специальные смазки в основном импортного производства с высокой стоимостью. Также использование металлических изделий предполагает усложнение технологий из-за их слабой способности гасить удары и вибрации. В связи с этим замена металлических деталей на полимерные самосмазывающиеся детали в узлах трения представляет интерес и приводит к снижению трудозатрат, загрязнения окружающей среды, повышает безопасность эксплуатации и решает проблемы импортозамещения.
Решением этой задачи является разработка новых полимерных нанокомпозитов, способных выдерживать экстремальные условия эксплуатации. Наиболее перспективными материалами из термопластов являются политетрафторэтилен и сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированные различными наноразмерными наполнителями, функциональных добавок, и эластомерные материалы на основе каучуков высокой морозостойкости. Изделия на основе разработанных полимерных композиционных материалов с повышенным ресурсом эксплуатации позволят заменить зарубежные аналоговые детали машин и техники, в основном уплотнительного и герметизирующего назначения, что является в настоящее время одним из приоритетов экономического развития страны. Современные наземные и авиационные транспортные средства и технологическое оборудование комплектуются значительным количеством (до тысячи различных типоразмеров) деталей уплотнительного назначения, входящих в состав уплотнительных устройств. Резина является непревзойденным материалом, который применяется для создания уплотнительных устройств, так как она обладает высокоэластическими свойствами, способна к обратимым деформациям, имеет практическую несжимаемость, невысокую плотность, обладает большим внутренним трением и демпфирующими свойствами. К резинам, из которых изготавливаются резинотехнические (РТИ) изделия, эксплуатирующиеся в условиях холодного климата, предъявляются особые требования. Две трети территории России находится в зоне холодного климата, наиболее экстремальное сочетание факторов наблюдается в регионах Крайнего Севера и Арктики, климатические условия которых характеризуются значительными (20–30 °С) среднесуточными колебаниями температур с переходом через 0 °С в осенне-весенний период и низкими значениями зимних минимальных температур, которые могут достигать <–60 °С. Практика эксплуатации различной техники в РС(Я) показывает, что до 30% отказов обусловлены неисправностями различных РТИ в составе уплотнительных устройств. До недавнего времени данная задача частично решалась за счет применения импортных каучуков таких как фторсилоксановые, эпихлоргидриновые, акрилатные, гидрированные бутадиен-нитрильные и др. Эти материалы сочетают в себе высокую маслобензостойкость и определенный уровень морозостойкости, что несмотря на их высокую стоимость делало их популярными для решения ряда практических задач. В нынешних условиях, когда остро стоит проблема импортозамещения, когда подобные каучуки или хорошо известный натуральный каучук, который широко себя зарекомендовал для изготовления шин, становятся менее доступными, задача создания новых рецептур резин на основе отечественных каучуков становится особо актуальной. Задача усложняется, когда, кроме высокой морозостойкости, материалы должны обладать износо-, маслостойкостью. В ранее проведенных исследованиях нами были получены маслобензостойкие и морозостойкие материалы на основе смесей отечественных бутадиен-нитрильных и диеновых каучуков, в которых уровень свойств регулировался за счет создания определенной фазовой морфологии. Подобные исследования нуждаются в продолжении, как и исследования климатической устойчивости полимерных материалов в условиях Крайнего Севера и Арктики. Для достоверной оценки работоспособности разработанных новых материалов и серийных резин необходимо проведение натурных климатических испытаний, методология которых была отработана при выполнении прошлых проектов Госзадания МОН.
Считается, что два термодинамических несовместимых полимера, не образующие равновесную термодинамическую систему, не могут образовывать прочного соединения между собой. В ранних исследовательских работах исполнителей по Госзаданию, было установлено, что между термопластом и эластомером возможно формирование прочного адгезионного взаимодействия за счет образования на межфазной границе химических связей в присутствии некоторых ускорителей вулканизации. В связи с этим установление закономерностей влияния ускорителей вулканизации на взаимодействие термопласта с эластомером позволит расширить технологические пути создания различных комбинаций материалов на основе разных по химической природе полимеров.
Особую и существенную проблему представляет необходимость создания биодеградируемых материалов, способных имитировать свойства биологических структур. Эта проблема обусловлена тем, что восстановление утраченных кожных покровов при заболеваниях, ожогах, повреждениях различной этиологии и травм является наиболее острой задачей, требующей решения во всем мире. Ожоги занимают третье место среди травм мирного времени и составляют до 8 % от их общего количества, а трофические язвы и длительно незаживающие раны составляют от 1% до 4% в России и Западной Европе. При этом число пострадавших непрерывно растет, а лечение ожоговых ран и трофических язв является долгим и высоко затратным процессом. Для решения данной проблемы будут разработаны биосовместимые и подвергаемые контролируемой резорбции материалы на основе полилактида (PLA) и сополимера лактида и гликолида (PLGA). Основной задачей создания этих материалов является создание матриксов для дермальных эквивалентов.
С бурным развитием носимой электроники, актуальной задачей является разработка методов получения электронных текстилей с применением новых наноматериалов. Одним из наиболее активно исследуемых материалов в данной области является оксид графена (ОГ). Благодаря графеновым электронным текстилям, возможно создание «умной» одежды, выполняющей функцию различных функциональных электронных устройств. При этом, благодаря свойствам ОГ, возможно создание различных датчиков (влажности, температуры, освещения, пульса, газоанализаторы и т.д.), пассивных элементов (резисторы, проводящие дорожки и т.д.), а также устройств хранения электрической энергии (суперконденсаторы). Графеновый электронный текстиль может применяться в различных сферах, например, для создания одежды с электрическим подогревом, различных устройств ввода для управления электронными устройствами, а также одежды для мониторинга жизненных показателей человека в реальном времени и т.д. Однако, графеновый текстиль имеет ряд недостатков, таких как слабая устойчивость к механохимическим нагрузкам, большое электрическое сопротивление, а также несовместимость многих технологических операций с текстильным производством и носимой одеждой. Решение данных проблем требует проведения новых научно-технологических исследований.
Другой актуальной областью носимой электроники является печатная электроника. ОГ, содержащий различные кислородсодержащие функциональные группы, может обладать полупроводниковыми или диэлектрическими свойствами в зависимости от степени окисления. Благодаря этому можно печатать различные электронные структуры и устройства используя печатные технологии. Принципиально новой задачей для печатной электроники является печать на текстильных подложках. Из-за трехмерной структуры ткани и его собственной химической структуры, актуальной задачей является исследование физики и химии взаимодействия графеновых чернил с различными тканями, а также разработка методик и технологических основ печати на текстильных подложках.
Одними из наиболее перспективных материалов в качестве люминофоров являются углеродные точки. Углеродные точки (УТ) по сравнению с полупроводниковыми квантовыми точками, которые нашли широкое применение в электролюминесцентных приборах, имеют ряд преимуществ: могут быть синтезированы из различных экологически безопасных и недорогих материалов различными способами, при этом синтез не требует использования дорогостоящих оборудования и реагентов; возможность настройки длины волны излучения с помощью изменения условий синтеза; возможность регулирования гидрофильности и гидрофобности; химическая инертность; высокая стабильность. Также УТ демонстрирует уникальные оптические свойства: область излучения фотолюминесценции зависит от размера частиц и однородности распределения размеров частиц; поверхностная пассивация гетеро-атомами (соединениями) влияет не только на область излучения, но и повышает интенсивность излучения; углеродные материалы легко можно функционализировать органическими молекулами, что также способствует настройке диапазона длины волны излучения. Возможность настройки фотолюминесценции УТ с помощью простых изменений условий синтеза делает УТ перспективным материалом в различных областях в зависимости от необходимых условий фотолюминесценции (длина волны излучения, интенсивность излучения, квантовый выход, ширина запрещенной зоны и др. параметры). Углеродные точки обладают рядом интересных свойств, такими как настраиваемая люминесценция, низкая токсичность, легкая биосовместимость, отличная фотостабильность, высокая растворимость в воде. Эти качества позволяют использовать их в биологии и медицине для биовизуализации, а также в качестве эффективных носителей лекарственных средств.
Наиболее важным требованием к материалам в наноэлектронике является наличие запрещенной зоны. В связи с этим появился большой интерес к двумерным полупроводникам, в частности, дихалькогенидам переходных металлов. Среди них наиболее исследуемыми являются MoS2 , WS2. Однослойные дихалькогениды являются прямозонными полупроводниками с шириной запрещенной зоны равной примерно 1,8 эВ, поэтому они обладают яркой люминесценцией. Исследование свойств MoS2 , WS2 настоящее время являются перспективными и актуальными для разработки физико-технологических основ создания фотодетекторов и солнечных элементов. Графен является полуметаллом, а его производные (оксид графена и фторографен) имеют диэлектрические свойства. Варьирование типами материалов двумерных пленок и комбинацией их укладки в гетероструктурах позволяет получать устройства с разными интересными свойствами, которые открывают беспрецедентные возможности для фундаментальных исследований и практического применения. Ван-дер-Ваальсовые гетероструктуры, созданные из двухмерных материалов, таких как дисульфид молибдена, графен и его производные являются основными элементами в наноэлектронных приборах. Вертикальные гетероструктуры рассматриваются в настоящее время как основное направление развития тонкопленочной электроники, что обуславливает актуальность темы предлагаемого проекта. |