Неорганический синтез и исследование керамических и органо-неорганических композиционных материалов и покрытий

Отчет на 266 стр., 55 таблиц, 108 рисунков, 329 использованных источников, 2 Приложения Ключевые слова: Ключевые слова: нанопорошки, защитные покрытия, оксиды металлов, органосиликатные материалы, суспензии, совместное соосаждение, золь-гель синтез, электродные материалы, протонопроводящие мембраны, керамика, твердополимерный водородно-воздушный топливный элемент, твердооксидный топливный элемент, псевдоконеденсатор, биокерамика, гидроксиапатит, синтез нанопорошков в микрореактор. Объектом исследования являются продукты жидкофазного синтеза – оксидные нанопорошки, золь-гель и органосиликатные композиции, а также суспензии, керамика и покрытия на их основе. Основными методами синтеза являются ресурсосберегающие технологии – химическое осаждение из водных растворов солей, золь-гель технология, в т.ч. с проведением процессов в микрореакторе, что интенсифицирует процессы и сокращает их длительность, а также традиционные керамическая и лакокрасочная технологии. Основной задачей исследований является установление корреляционных связей «условия синтеза – состав – структура – свойства», чтобы обеспечить направленный, контролируемый синтез материалов и покрытий с заданными прорывными и воспроизводимыми свойствами, оптимизировать технологические процессы. Для проведения исследований использовался целый ряд современных взаимодополняющих методов исследования: рентгенофазовый анализ, ИК-спектроскопия, термический анализ, жидкофазная ЯМР спектроскопия, метод динамического и электрофоретического рассеяния света, низкотемпературная адсорбция азота, метод индикаторного определения активных центров, pH-метрия, микроскопия (оптическая. СЭМ, ПЭМ, АСМ и конфокальная), потенциометрия, вольтамперометрия, методы гидростатического взвешивания, определения микротвердости и модуля упругости, резонансный метод акустического контроля ддя определения скорость звука, методы оценки физико-механических характеристик покрытий согласно ГОСТ и ISO (прочность покрытий на удар, адгезия, твердость), спектрофотометрия, а также использование других специальных методов определения электрофизических и биологических свойств материалов и покрытий. В рамках проведения НИР разработаны и исследованы нанопорошки оксидов железа и титана, предназначенные для использования в качестве пигментов (белый, черный и бурый) и получения седиментационно и агрегативно устойчивых суспензий в неполярных растворителях – электронных чернил для электрофоретических дисплеев, которые по мере их совершенствования со временем могут стать альтернативой используемым сейчас электронным дисплеям. Разработки материалов для альтернативной энергетики – для устройств генерации и хранения электроэнергии с каждым годом становятся все более актуальными. В рамках выполнения НИР продолжены фундаментальные исследования по разработке нанодисперсных материалов на основе диоксида циркония и церия с различными допируюшими добавками, которые являются основой электропроводящей керамики для электродных материалов среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которые можно эффективно эксплуатировать при более низких температурах, чем широко применяемые в настоящее время высокотемпературные ТОТЭ. Проанализированы электрохимические процессы, протекающие на межфазной границе электрод/электролит низкотемпературных твердополимерных топливных элементов (ТПТЭ), что явилось отправной точкой в решении проблемы разработки и внедрения высокоэффективных нанокомпозитных катализаторов. В результате, как альтернатива платиновым катализаторам, разработаны композитные катализаторы, содержащих в своем составе моно- и биметаллические наночастицы Ni, Ag и Pd для использования их в качестве каталитического слоя катода твердополимерного топливного элемента. Электрохимически активная площадь поверхности (ЭАПП) катода ТПТЭ с разработанным катализатором на основе биметаллических наночастиц Ag-Pd/С, в т.ч. со структурой ядро-оболочка (Pd)Ag/С, (Ag)Pd/С в 1.5-2 раза превосходит ЭАПП широко используемого коммерческого катализатора E-tek. Разработана инновационная протонпроводящая мембраны для водородно-воздушного твердополимерного топливного элемента (ТПТЭ) на основе сшитого фурфуролом поливинилового спирта, модифицированные аминосульфоновой кислотой и тетраэтоксисиланом, которая является альтернативой широко применяемой перфторированной сульфокислотной мембране Нафион, превосходя ее по температуроустойчивости вплоть до 105 С. Разработаны методы и подходы для получения экологически безопасных, гибких энергонакопительных устройств – псевдоконденсаторов с нанокомпозитными неорганическими и органо-неорганическими электродами на основе оксидов марганца, гидроксидов железа и кобальта. Биотехнологии развиваются быстрыми темпами во всем мире. Однако материалы для получения имплантатов, как правило, являются импортными. В данном НИР разработаны физико-химические основы водного синтеза нанопорошков на основе стабилизированного оксида циркония и оксида церия, а также керамических материалов и композитов, полученных в процессе совместного синтеза с гидроксиапатитом. Эти материалы успешно апробированы, в т.ч. in vitro и in vivo, в качестве основы для получения высокопористых и механически прочных биосовместимых керамических имплантатов с регулируемлй пористостью. Разработаны новые органо-неорганические золь-гель и органосиликатные композиции на основе различных прекурсоров. высокодисперсных наполнителей и отвердителей, в т.ч. полученные без использования толуола, которые предназначены для получения антиобледенительных, атмосферостойких, противокоррозионных, фунгицидных и противообрастающих защитных покрытий и пропиток древесины. Покрытия успешно прошли испытания в экстремальных условиях Крайнего Севера и в тропиках.