ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ
Главного
конструктора темы ГКНПЦ им. М.В.Хруничева
д.т.н Е.С.КУЛАГА
на проведение НИОКР по теме
« Разработка исходных положений
формирования теории
наноструктурного строения материала и
создание углепластика
на основе наноструктурного подхода»
Шифр темы - « НАНОВЕЩЕСТВО»
Головной
исполнитель:
исполнители: Химфак МГУ,
Институт прикладной механики РАН,
Институт механики МГУ, Институт физики твердого
тела РАН Черноголовка, Курчатовский институт,
ВИАМ, ОАО «Композит»,
ВНИИСВ г. Тверь
ГКНПЦ им. М.В.Хруцничева.
Вариант для первоначального
рассмотрения и обсуждения участниками работы
А Н Н О Т А
Ц И Я
Т Е Х Н И Ч Е С К О Г О П Р Е Д Л О Ж Е Н И Я
Настоящими техническими предложениями формулируется ряд
следующих положений и задач, предлагаемых к разработке.
1. В области теоретических основ нанотехнологий
формулируется ее основное содержание, базирующееся на открытой новой форме
наноструктурного строения вещества, и предлагается разработать критериальные
подходы в формировании теории наноструктурного строения материалов.
2. В механике
композитов, в том числе и нанокомпозитов, предлагается ввести понятия
«микромеханики», занимающейся структурной механикой состава композиционных
материалов и «макромеханики», занимающейся упруго-прочностными свойствами
конструкций из композитов, а также сформулировать предмет исследований и задачи
микромеханики.
3. В
наноматериаловедении предлагается структурировать наноматериалы по способам
использования в них нановещества, введя понятие нанолегированный
макроструктурный материал, композиционный
наноматериал и чистый наноматериал в зависимости от процентного
содержания нановещества в макровеществе.
4. Показывается,
что имеющийся и широко используемый ныне углепластик, является чистым
наноструктурным материалом, в котором угольные волокна определяются
наноразмерными величинами, и предлагается провести его атомно-молекулярное
исследование в зависимости от технологических режимов его получения с целью изучения возможностей и путей
повышения свойств угольных волокон, являющихся непрерывными нановолокнами, и
изучить возможности и оптимизировать технологические методы повышения свойств
углеволокон и углепластикового
материала в целом.
5. Предлагается
провести теоретическое и экспериментальное исследование возможности
наноструктуризации используемого ныне связующего в углепластике, в том числе
путем его самосборки из паровой фазы, и создания на его основе нового типа
наноуглепластика.
6. Показывается
необходимость проведения паспортизации конструкционных наноматериалов всех уже
исследованных, а также вновь разрабатываемых, в том числе и по настоящему
техническому предложению, различных форм и методов их получения.
7. В
материаловедении, предлагается, в качестве определенной систематизации, ввести
понятие «видов материаловедения», в частности: технологического,
конструкторского и эксплуатационного материаловедения. Определить их состав, а также
методологический подход и предмет их исследований применительно к их использованию в таких отраслях техники,
как авиационной, космической, ракетостроении,
судостроении и т.д., ,
8. В качестве
примера, и сохранения опыта в области конструкторского и эксплуатационного
материаловедения, предлагается в ГКНПЦ им. М.В.Хруничева обобщить результаты
проведенных таких работ по вопросам ампулизации жидкостных ракет на токсичных
компонентах и использования углепластиков в ракетной и космической технике.
9. Предлагается
провести опытное опробование нанокомпозитов путем изготовления
экспериментальных баков из таких композитов применительно к созданию баков ракет
с криогенными компонентами.
СОСТАВ ТЕХНИЧЕСКОГО
ПРЕДЛОЖЕНИЯ
1.0
Тематический состав НИР и ОКР
2.0 Введение
3.0
Выполняемая тематика и исполнители
4.0 Исходные данные для составления бизнес
планов
5.0
Авторское послесловие
1.0 ТЕМАТИЧЕСКИЙ СОСТАВ
НИР И ОКР
ТЕМАТИКА НИР-
Разработка исходных положений
формирования теории
наноструктурного строения
материала и наноматериаловедения с
разработкой методов и подходов
в исследовании структуры и
межфазового взаимодействия в
нано материалах.
Выходные
документы – монографии и лекционные пособия
ТЕМАТИКА ОКР-
Разработка термореактивного
связующего наноструктурного
строения и создание на его
основе композита с неприрывным
однонаправленным наполнителем с
его опытной проверкой на
конструктивно подобных экспериментальных образцах
применительно к ракетно-космической
технике.
Выходные документы – 1. Технические условия или паспорта на
разработанные наноматериалы
2.
Технологические регламенты на
получение наноматериалов
3. Конструктивные и технологические
свойства материалов и фрагментов
конструкции из
наноуглепластика
2.0 ВВЕДЕНИЕ
Корпорация «РОСНАНО» провела Первый международный форум по бурно
развивающейся нанотехнологии. Состав тезисов докладов, представленных на нем,
позволил системно представить состояние теории и практики современной
складывающейся нанотехнологии. На основании проработки тезисов этих докладов,
сложилась тематика данного технического предложения на проведение предлагаемой НИОКР.
Это рассмотрение показало, что практическое применение
полученных знаний о наноструктурах значительно опередила теоретические
разработки в этой области, в силу чего теоретические вопросы в данном
предложении вынесены на первое место.
Научно-техническая необходимость проведения выдвигаемых
теоретических исследований и разработок приводится в каждой из далее
рассматриваемых задач, а экономическая их эффективность будет определяться
успехами в разработке каждой из задач данной работы по созданию теории и
разработке нового конструкционного композиционного наноматериала.
Использование нового нанокомпозита, предлагаемого к созданию,
найдет широкое применение в авиационной и ракетно-космической технике наряду с
существующими и все шире используемыми углепластиками, которые позволяют
значительно снизить массу и трудоемкость изготовление таких изделий.
Данное техническое предложение составлено в качестве его проекта
для рассмотрения участниками, после чего, с учетом замечаний и дополнений, будет выработана окончательная редакция с
соответствующими подписями от каждой организации. Она будет представлена на рассмотрение в «РОСНАНО», совместно с
бизнес- планом по всей теме,
составленному на основе исходных данных, представляемых организациями
соисполнителями согласно раздела 4.0 настоящего технического предложения.
3.0 ВЫПОЛНЯЕМАЯ ТЕМАТИКА
И ИСПОЛНИТЕЛИ
3.1. Разработка исходных положений формирования
теории наноструктурного
строения материала.
Последние десятилетия научно-технического прогресса ознаменовались
появлением нового, бурно развивающегося направления, получившего определения
как «нанотехнологии».
Открытие нового вида частиц наноразмерных величин позволило
установить, что свойства этих частиц являются весьма специфичными.
Атомно-молекулярная структура и свойства их принципиально отличаются от
таковых, имеющихся у обычного вещества,
состоящего из таких же химических элементов. Использование этих частиц в
качестве добавок к обычным веществам придает им много новых весьма полезных
качеств, что предопределило преимущественную связь нового научно-технического
направление с технологическим
использованием первых же полученные в нем результатов. Вместе с тем, это
является далеко не достаточным в силу чего следует определить следующее.
К настоящему времени открыта новая форма вещества, находящегося
в определенном атомарно-молекулярном строении, характеризующемся наноразмерными
величинами, имеющему специфические свойства, существенно отличающиеся от
свойств такого же химического состава вещества обычных структурных форм и
размеров.
К настоящему времени получено большое количество наночастиц
разнообразной формы и состоящих из различных химических элементов. Накоплены
определенные знания по способам их получения и определению свойств множества
наночастиц, имеющих различные форы атомно-молекулярного строения, а также по
способам их использования. Поднимается вопрос о необходимости составления своей
«таблицы Менделеева» для наночастиц. Более правильно, очевидно, было бы
формулировать подобную задачу не для «наночастиц», а для «вещества
наноструктурного строения».
В настоящем разделе данной
работы предполагается разработать
исходные положения и рассмотреть возможные критериальные подходы в проведении
систематизации, охватывающей проблемы, начиная от природы и кинетики процесса
самосборки и пакетирования нановеществ и заканчивая созданием на их основе наноматериалов с определением
свойств в зависимости от их структуры и метода использования.
Данная работа явится
первоначальным этапом в формировании теории наноструктурного строения материала
с тем, чтобы по мере ее развития эта теория переросла в науку о
«наноструктуризации материалов» и его
атомно-молекулярном строении.
Исполнители:
Курчатовский институт -
- концептуальных подход, а также в
части
измерения свойств веществ и материалов
в том
числе нейтронной микроскопией
Химфак –
- в части
атомно-молекулярного строения и
измерения
свойств веществ и материалов
3.2. Определение состава и структуры
наноматериаловедения
Изучением процесса получения
материалов для различных видов технических изделий при различных условиях их
эксплуатации занимаются ученые в области получения веществ, изготовители
материалов, материаловеды, конструктора, технологи и эксплуатационники. Во всех
этих областях исследований накоплен и достаточно обобщен большой опыт и
многообразные разработанные методы их проведения. Наступает время, когда
применительно к наноматериаловедению необходимо начинать проводить такую же
работу.
Применительно к наноматериаловедению, очевидно, при
структуризации и рассмотрении свойств таких материалов, целесообразно будет
введение следующей некоторой
классификации веществ и материалов.
Вещества с обычной атомно-молекулярной структурой предлагается
определять, как макроструктурные, а вещества наноразмерных величин определять, как
наноструктурные
вещества.
Материалы, образованные макроструктурными веществами с добавками
наноструктурного вещества, например, до 6%, определять, как нанолегированные
материалы. С добавкой в макроструктурное вещество от 6% до 70%
наноструктурного вещества определять материал, как нанокомпозит. При наличии
в материале более 70% наноструктурного вещества считать его, как наноматериал.
Применительно к общему материаловедению, в состав которого
входит и наноматериаловедение, целесообразно введение понятие «вид
материаловедения» по предмету своего изучения, которые применимы ко всем
областям материаловедения, таким, например, как авиационное,
ракетно-космическое, медицинское, трубопроводного и железнодорожного транспорта
и т
В процессе выполнения работ
по данному разделу будут разработаны критериальные подходы в содержании и
структурировании состава материаловедения по областям и видам материаловедения,
а применительно к конструкторскому и эксплуатационному материаловедению будет
обобщен опыт подобных работ, проведенных в КБ «Салют» при создании
ампулизированных жидкостных стратегических ракет.
Обобщение работ в КБ «Салют» по материаловедению применительно к
ампулизированным ракетам будет проведено с возможностью его использования
применительно к создаваемым изделиям в других областях техники, содержащим
токсичные, взрывоопасные или коррозионно активные жидкости.
Исполнители:
ВИАМ - по авиационному
материаловедению
ОАО «Композит» - по
ракетному и
космическому
материаловедению
ГКНПЦ – по конструкторскому и
эксплуатационному
материаловедению
3.3.
Определение атомарно – молекулярного строения и межфазового
взаимодействия в
наноструктурированных веществах и материалах.
Накопленные определенные
знания в данной области позволяют приступить к их систематизации и тематической
обработке по различны направлениям. Выделение состава этих направлений явится
первым шагом в формировании упоминавшейся «таблицы Менделеева» для наночастиц.
В данном разделе предполагается получить первые данные по
формулированию, рассмотрению и выбору методических подходов в изучении
межфазового взаимодействия в материалах, а также структурировании нановеществ в зависимости от их структуры,
химического состава, методов получения, а также областей и способов
использования.
Проведенное обобщение и разработка дополнительных методов
аналитического расчетов сил межфазового взаимодействия явится исходной базой
для механиков в их изучении упруго –
прочностных свойств композиционных материалов, а конструкторам и технологам
поможет более систематизировано ориентироваться в новой области, кокой является
наноматериаловедение.
Исполнитель - Химфак МГУ
3.4. Исследование и
инструментальное определение атомарно-молекулярного
строения угольного
волокна, получаемого методом пиролиза и сил
межфазового взаимодействия при его нахождении в составе
углепластикового
композита.
Углепластики получили широкое распространение в качестве
основного конструкционного материала в авиации и ракетно-космической
технике. Вместе с тем, угольное
волокно, полученное методом пиролиза из пан-волокна, имеет ярко выраженное
наноструктурное строение с диаметром нановолокон не более 10 нм.
В технической литературе
имеются ограниченные сведения по данному вопросу, в основном в зарубежной
литературе. В отечественной технической литературе первые обстоятельные
сведения о наноструктурном строении углеволокон появились в журнале «Композиты
и наноструктуры» № 2 за 2009 год. В
материалах Форума, проведенного в «РОСНАНО» в 2008 году, сообщения по
данному вопросу вообще отсутствовали. Некоторые сведения подобного характера
появились в докладах второго международного Форума, проведенного Роснано в 2009 году.
В силу этого, существующие углепластики, содержащие угольных
волокон в пределах 70%, с полным основанием следует отнести к чистым
наноматериалам, и к их изучению следует подходить с позиций исследования
нановеществ и наноматериалов.
В данном разделе необходимо будет получить сведения по атомарно - молекулярному
строению угольных волокон, получаемых методом пиролиза при различных его
технологических режимах и качества исходного панволокна, а также изучить
межфазовое взаимодействие в углепластике.
Данная работа позволит материаловедам и практикам подойти к
углепластикам с новых, принципиально иных позиций, что может позволить
изготовителям угольных волокон и
углепластиков еще более усовершенствовать технологию их получения, а
конструкторам и производственникам еще больше расширить область и эффективность
их использования.
Исполнители: Химфак МГУ – в части атомно-молекулярного
строения
Курчатовский институт – в
части измерения свойств
ВНИИСВ г. Перьмь – в части
изготовления волокон
3.5. Разработка основ механики межфазового
взаимодействия в композиционных
материалах.
В области механики композитов широко разработаны и используются
методы изучения упруго-прочностных свойств изделий на основе теории анизотропных
структур. Исходной базой для таких исследований и расчетов являются полученные
экспериментальные данные по свойствам матрицы, наполнителя и препрегов из них.
Аналитические методы их определения отсутствуют, и величины межфазового
взаимодействия в таких расчетах мало учитываются.
В дальнейшей работе по
данному разделу предлагается ввести понятия макро и микро механики композитов. Макромеханика
изучает и разрабатывает методы определения упруго-прочностных и
динамических свойств композиционных
материалов и изделий из них. Микромеханика изучает упруго
прочностные и динамические свойства межфазового взаимодействия в самом
материале. Первая дает методы инженерных расчетов изделий из композиционных
материалов и необходимую степень их анизотропии в изделии. Вторая должна дать
инженерный метод расчеты конструкции самого материала
В результате выполнения работы по данному разделу необходимо
получить аналитический метод определения сил межфазового взаимодействия в
композите и инженерный метод расчета оптимального соотношения
упруго-прочностных свойств матрицы и наполнителя.
Наличие такого метода позволит материаловедам и конструкторам
более оптимально конструировать сам композиционный материал, прежде, чем
конструировать из него изделие.
Исполнител:
– ИФТТ РАН Черноголовка
ИПМ РАН
Институт механики МГУ
3.6. Теоретическое рассмотрение возможности
получения наноструктурированного
термореактивного полимера
В настоящее время
наночастицы получают методом конденсации из паровой фазы или методом
механического дробления макроструктурного вещества с последующим их либо
компактированием, либо чаще путем
добавки к другим макроструктурным веществам, образовывая тем самым материал с новыми свойствами.
Представляет интерес изучить возможность получения органического
вещества полностью наноструктурного строения для использования его в качестве
термореактивного связующего для композиционного материала.
Предлагается теоретически рассмотреть такую возможность с тем,
чтобы на этой основе провести работы по созданию такого материала путем
самосборки при его конденсации из паровой фазы или механическим дроблением
отвержденного полимера с последующим
его компактированием методом сплавления.
В результате данной работы должно появиться заключение о принципиальной
возможности осуществления такого
процесса с техническими рекомендациями по его проведению в лабораторных условиях.
При положительном заключении и успешно проведенных лабораторных
опытах может появиться возможность получения нового класса наноматериала
Исполнитель
- Химфак МГУ
3.7.
Разработка термореактивного полимерного наноматериала
Предлагается рассмотреть и
опробовать два способа получения такого полимера в качестве матрицы композита.
Первый будет состоять в методе пароконденсации при получении
положительного заключения по п. 3.6. а второй путем добавок наночастиц в
макроструктурный полимер.
В результате данной работы должна быть разработана методика получения
наноструктурированного термореактивного связующего с наработкой его опытной
партии для изготовления опытной партии препрега.
При положительных результатах разрабатывается паспорт или
технические условия на такой материал.
Исполнители – ВИАМ
ОАО «Композит»
3.8. Разработка метода получения препрега на основе
наноструктурированной
матрицы
Данная работа проводится с
использованием наноструктурированного связующего, разработанного согласно п.3.7,
и наполнителей в виде угольного волокна и высокомодульного полиэтилена с
определением его физико-механических и химических свойств.
В данной работе должна быть разработана методика получения
препрега с наноструктурированным связующим и наработана опытная партия такого
препрега.
Данная работа должна позволить получить технологический
регламент изготовления нанопрепрега.
Исполнители:
ВНИИСВ г. Пермь- в части наработки препрега,
ВИАМ – в
части определения физико-механических
свойств препрега,
Курчатовский
институт – в части определения
физико - химических свойств
препрега и композита из него.
3.9. Опытно-экспериментальное опробование
наноуглепластика
Из наработанного препрега по п.3.8. изготавливаются и испытываются конструктивно-подобные фрагменты и опытная
конструкция экспериментального бака применительно к ракетной технике,
разрабатываемой в ГКНПЦ. Номенклатура и
форма конструктивно подобных фрагментов будет разрабатываться применительно к
выше указанным конструкциям.
В результате проведения данной работы будут отработаны техпроцессы
изготовления конструкции ракет из наноуглепластиков, а также получены прочностные ее свойства и
характеристики по герметичности .
Полученные технологические регламенты могут быть использованы не
только для ракет, но и для изготовления других типов конструкций из
углепластика.
Исполнитель
– ГКНПЦ им. М.В.Хруничева
ОАО
«Композит»
4.0. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ СОСТАВЛЕНИЯ СВОДНОГО
БИЗНЕС-ПЛАНА
ПО
ВСЕЙ ТЕМЕ
Каждая из участвующих
организаций представляет проект исходных данных для составления бизнес плана по
всей работе содержащие следующее материалы:.
1. Техническое задание,
составляемое по установленной форме
данной организацией на
выполняемую ею работу, с пояснительной запиской к нему.
2. Календарный план
выполнения работы по этапам.
3. Перечень и стоимость
амортизации используемого имеющегося оборудования
4. Перечень и стоимость
вновь приобретаемого оборудования и материалов.
5. Состав и квалификация
исполнителей выполняемых работ.
6. Сетевой график с
календарными сроками проведения работ
7.Структура цены и ее величина, привязанная по этапам
выполняемых работ.
8. Перечень привлекаемых
сторонних организаций с обоснованием необходимости и
привлечения.
9. Структура цены
выполняемых работ сторонними организациями
Документы подписывается
руководителями организаций и скрепляются печатями
5.0. АВТОРСКОЕ ПОСЛЕСЛОВИЕ
5.1.
Данное
техническое предложение, в рабочем порядке, было передано его автором на
рассмотрение в химфак МГУ. Декан химфака академик РАН Лямин В.В.
одобрил его и с ним лично вышел к Чубайсу с предложением развернуть данные
работы и выделить для этого необходимое финансирование, на что получил отказ со
ссылкой на то, что подобный НИР должно проводить Минообр, в ведении которого
находится наука. Это заявление противоречит положению о Роснано, записанному в
Указе о его образовании. В нем говорится, что первой задачей Роснано является
финансирование НИОКР в области нанотехнологий, а потом уже финансирование
внедренческих работ. Дальнейшие работы на химфаке по данному предложением не проводятся.
5.2.
После проведенного рассмотрения и одобрения данного технического предложения на
химфаке МГУ, оно было представлено Первому заместителю генерального
конструктора и начальнику КБ «Салют» ГКНПЦ им. М.В.Хруничева Бахвалову Ю.О.и не
получило у него одобрения и согласия на официальное выставление данного
предложения и участия в нем ГКНПЦ в силу того, что в НИР этот Центр не
участвует, а ОКР он считает бесперспективным в силу невозможности создания герметичного бака из углепластика для
криогенных ракетных топлив.
5.3.
Утверждение Бахвалова Ю.О. о бесперспективности НИОКР является полностью
необоснованным, поскольку он не обладает необходимым опытом в разработке и реализации такого сложного проекта, как
создание баков из углепластика, в силу того, что за всю его практику в ГКНПЦ им
не осуществлена ни одна подобная разработка.
5.4.
Перспективность данной работы подтверждена проведенными в 2006-2008 годах под
руководством автора в ГКНПЦ работами по Госкантракту с Роскосмосом по теме
«Разработка техпроцесса изготовления из углепластика с полимерным лейнером
баков для ракет и разгонных блоков» стоимостью 7,4 млн. рублей. Фирма Microсоsm
в США создала такие баки
диаметром 1000мм и начала их летные испытание в составе ракеты Sprat,
затратив четыре года на экспериментально –исследовательские работы, которые
обошлись в 40 миллионов долларов. Это
является главным подтверждением необходимости продолжения таких работ в России.
5.5.
Правильность постановки вопроса о научных разработках, сформулированных в
данном предложении, подтверждена и одобрена редакцией журнала «Композиты и
наноструктуры», в редакцию которого входят ученые восьми стран, начиная от США
и кончая Израилем. В его втором номере
за 2009 год помещена статья автора «О разработке теории наноструктурного
сртроения материала и материаловедения композитов» в которую вошли все
упоминавшиеся научные задачи по наноструктурам, сформулированные в данном
техпредложении.
5.4.
За время рассмотрения данного технического предложения автором обобщены
результаты проводившихся работ в ГКНПЦ под его руководством, о которых упоминалось
в данном техпредложении. По их результатам им написаны в электронном виде
следующие работы в качестве «Выпусков научно-технических разработок КБ «Салют»
ГКНПЦ им. М.В.Хруничева»:
1.Выпуск 3. «Стойкость
промышленным изделиям к воздействиям внешних и внутренних факторов»
Состоят из двух разделов :
«Детоксикация» и «Ампулизация» изделий с жидкими
токсичными и коррозионно-опасными
жидкостями. Изложены обобщения на базе
проведенных работ применительно к
ракетам типа УР-100 и «Протон –М»
2.Выпуск 4. «Конструкторские
экспериментально-исследовательские работы, выполненные в 60-80- годах»
Приведена тематика исследований,
номенклатура видов испытаний и формы
испытывавшихся
стандартных и конструктивно подобных образцов
Страниц – 43, разделов – 10, таблиц – 5, рисунков 17.
3.Выпуск 5. «Разработка техпроцессов изготовления баков из углепластиков с
полимерным лейнером для
ракет и разгонных блоков»
Итоговое обобщение с подробными результатами
проведенных работ в КБ «Салют» по
Госконтракту с Роскосмосом.
Страниц 174, глав – 10 с приложением, таблиц –19,
рисунков 92. (С приложением)
4.Выпуск 6. « Корпус разгонного блока КВТК из углепластика»
Техническое
предложение, разработанное на основе экспериментальных данных полученных при
выполнении Госконтракта, результаты которого изложены в выпуске 5. Корпус с
баками из углепластика позволяет уменьшить массу корпуса не мене, чем на 35% по
сравнению с корпусом из алюминиевых сплавов.
Страниц – 34, таблиц 1, рисунков 16.
5.«Основы конструкторского
материаловедения.»
Концептуальное
обобщение материалов всех предыдущих выпусков
Страниц
– 110, глав – 5, таблиц – 19, рисунков – 23, формул - 19