user — Отдел нанотехнологий

К 85-летию Центра Келдыша

85 лет назад Постановлением Совета труда и обороны СССР от 31 октября 1933 года № 104 была создана первая в стране и мире государственная ракетная организация — Реактивный научно-исследовательский институт РНИИ (ныне ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»).

РНИИ был создан на базе Ленинградской газодинамической лаборатории и Московской группы по изучению реактивного движения. Возглавил институт военный инженер 1-го ранга Иван Терентьевич Клейменов.

В короткий срок РНИИ стал научно-исследовательской и опытно-конструкторской организацией, в которой органически сочетались проектирование, изготовление и испытание ракет и ракетных снарядов, летательных аппаратов и двигателей для них с научными исследованиями, обеспечившими создание этих объектов ракетной техники.

Впоследствии институт был переименован в НИИ Тепловых процессов (1965 г.), вошел в состав Министерства общего машиностроения и стал головным научно-исследовательским предприятием ракетно-космической отрасли по ракетному двигателестроению, в 1995 году переименован в ФГУП «Центр Келдыша», а в 2008 году постановлением Правительства РФ ФГУП «Центр Келдыша» присвоен статус Государственного научного центра.

В 1992 г. институт вошёл в состав Российского космического агентства (РКА, Роскосмос).

В настоящее время ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» – многопрофильное головное предприятие ракетно-космической отрасли по ракетному двигателестроению, космической энергетике и функциональным наноматериалам и нанотехнологиям для космической техники. Он входит в структуру Госкорпорации «Роскосмос» и активно участвует в разработке, производстве и испытании перспективных образцов различных типов ракетных двигателей (РД), космических энергоустановок, генераторов пучков высокой энергии и ускорителей частиц. При этом особое внимание уделяется качеству и надежности разрабатываемых изделий.

В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» осуществлены масштабные космические проекты исследовательского, оборонного и народно-хозяйственного назначения, активно развивается новый аспект деятельности – международный, что позволило установить взаимодействие и реализовать ряд совместных перспективных проектов с ведущими ракетно-космическими фирмами США, Европы и Азии.

С 2003 года в институте ведутся работы в области создания инфракрасной гиперспектральной аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы Земли. Создан бортовой инфракрасный фурье-спектрометр серии ИКФС-2 (спектральный диапазон 5…15 мкм, спектральное разрешение 0,4 см^-1), предназначенный для обеспечения нужд глобальной и региональной оперативной метеорологии и климатологии. Высокое спектральное разрешение позволяет по измеренным спектрам восстанавливать вертикальные профили температуры, влажности, озона, которые являются исходными данными для численного прогноза погоды. В 2014 году ИКФС-2 введен в эксплуатацию в составе космического аппарата «Метеор-М» №2, до сегодняшнего дня находится на орбите и продолжает работать. По основным характеристикам ИКФС-2, за исключением пространственного разрешения, не уступает зарубежным аналогам (европейский прибор IASI, американский CrIS), а по энергомассовым характеристикам превосходит их. К настоящему времени изготовлен образец ИКФС-3 для отработочных испытаний и электротехнический макет.

В 2007 году постановлением Правительства ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» определен головной организацией Роскосмоса в области нанотехнологий по направлению «функциональные материалы для космической техники» и Центром по применению нанотехнологий в энергетике и электроснабжении космических систем. Сотрудниками Центра по применению нанотехнологий в энергетике и электроснабжении космических систем освоены технологии плазменно-кластерного нанесения покрытий, атомно-слоевые осаждения, синтеза алмазных пластин, получения порошков (наноразмерного диапазона оксидов и микронного диапазона для аддитивных технологий), разработаны работающие на новых материалах сенсоры газового состава, датчики физических величин, находятся интересные применения для материалов с эффектом памяти формы. Ведется большой объем исследований в обеспечение работы аварийных комиссий для понимания причин нештатных запусков, а также исследований узлов и материалов ракетно-космической техники (РКТ) с целью определения изменений, имевших место при огневых испытаниях.

С 2009 года ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» является головной организацией в реализации проекта по созданию космического транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) на основе ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ), не имеющего мировых аналогов, ориентированного на осуществление масштабных программ по изучению космического пространства, на создание качественно новых средств высокой энерговооруженности. В кооперации с предприятиями ГК «Роскосмос», «Росатом» и РАН ведутся работы по разработке, изготовлению и наземной отработке элементов, блоков и узлов ЯЭДУ мегаваттного класса и ТЭМ на ее основе.

Успешно ведутся работы по моделированию рабочих процессов в РД и их проектированию, включая газовую динамику и тепломассообмен, горение и термохимические процессы, проблемы вибрационного горения в ЖРД, процессы взаимодействия конструкционных материалов с окислительной и восстановительной средой. Также проводятся исследования и теоретические разработки, которые способствуют внедрению передовых технических решений в практику двигателестроения.

Сегодня работы ведутся по созданию и разработке основных элементов и агрегатов маршевых многоразовых ЖРД, включая систему диагностики и аварийной защиты, двигателей новых схемных решений для разгонных блоков, работы по модернизации эксплуатируемых двигательных установок РН и РБ с целью повышения их надежности, внедрению и использованию в изделиях РКТ элементов конструкции из углерод-углеродных и углерод-керамических композиционных материалов, новых РДТТ на перспективных компонентах топлива для двигательных установок средств выведения и средств межорбитальной транспортировки.

В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» разработана и изготовлена серия электроракетных двигателей различного типоразмера, широкого диапазона мощности и повышенного удельного импульса, используемые в составе КА различного назначения. Созданы двигатели с мощностью 100 Вт до 10 кВт.

Ведутся работы по созданию ионных двигателей с удельным импульсом 3500…7000с. Разработаны и испытаны лабораторные модели и опытные образцы двигателей номинальной мощностью 50…35000 Вт.

Накоплен большой опыт работ в области взаимодействия электрических магнитных волн с плазменными образованиями.

Институт широко внедряет ключевые космические технологии в народное хозяйство, обращая особое внимание на создание экологически безопасных технологий и процессов. Изготавливается широкий спектр водоочистного оборудования для очистки природных и опреснения морских и солоноватых вод до уровня питьевой воды, для очистки сточных вод промышленных предприятий.

В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» обладает уникальной научно-исследовательской и опытно-экспериментальной базой. Многие испытательные установки и стенды по комплексу технических характеристик относятся к категории уникальных, не имеющих аналогов в России и других странах с развитой ракетно-космической промышленностью.

Начиная с 1942 г, более 700 сотрудников Центра Келдыша были награждены орденами, более 80 – стали лауреатами Государственных премий, премий Правительства РФ, более 13 — получили почетные звания Заслуженных деятелей науки.

За успешную разработку нового оружия в 1942 году указом Президиума Верховного Совета СССР коллектив института был награжден орденом Красной Звезды.

За большой вклад в создание высокосовершенных боевых ракетных комплексов наземного и морского базирования НИИТП указом Президиума Верховного Совета СССР от 17 февраля 1975 годы был награжден орденом Трудового Красного Знамени.

ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» в настоящее время обладает большим количеством высококвалифицированных специалистов, а также уникальной научно-исследовательской и опытно-экспериментальной базами, соответствующими мировому уровню. В Центре Келдыша работают 2 действительных члена РАН, 18 докторов наук, 73 кандидата наук. Для повышения научного потенциала сотрудников в институте создана и успешно работает заочная аспирантура. В 2017 году аспирантура получила свидетельство о государственной аккредитации.

В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» работает диссертационный совет, проводятся заседания научно-технического совета. Многие ведущие специалисты института участвуют в деятельности различных российских научно-технических организаций.

Все достижения ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» за 85 лет – это результат огромной творческой деятельности нескольких поколений его сотрудников (ученых, инженеров, техников, рабочих), результат тесного взаимодействия с нашими коллегами и партнерами в России и за рубежом, результат огромной помощи со стороны руководства ГК «Роскосмос».

Видео об отделе нанотехнологий ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»

Отрывок о ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» из цикла «О сети центров метрологического обеспечения продукции технологий наноиндустрии». Школьник ТВ, 2011 г.
Полное видео: http://www.portalnano.ru/

Отрывок о ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» из цикла «О сети головных организаций отраслей по тематическим направлениям деятельности национальной нанотехнологической сети». Школьник ТВ, 2011 г.
Полное видео: http://www.portalnano.ru/

Передача NANOtech о полетах на Марс, освоении космоса с помощью нанотехнологий, снятая в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша». НаноТВ, 2012 г.

Учёные разработали нанокарандаш, способный рисовать газовые сенсоры

Химики создали устройство в форме карандаша, способного рисовать тонкие газовые химические сенсоры прямо на листе бумаги.

Грифель карандаша сделан из спрессованных нанотрубок, каждая из которых в 50 000 раз тоньше человеческого волоса.

Работа была проделана учёными из Массачусетского технологического института, результаты опубликованы в немецком журнале Angewandte Chemie.

Учёные говорят, что сенсоры способны обнаруживать аммоний, бесцветный газ, который власти США отнесли к потенциально опасным ядам, которые могут быть использованы террористами. Помимо этого, нанотрубки можно приспособить для обнаружения и других не менее опасных газов.

Доктор Katherine Mirica:

«Эти сенсоры могут найти применение в пищевой промышленности, в системе здравоохранения и безопасности».

Традиционный метод, связанный с нанесением нанотрубок на сенсоры, предполагает использование жидкостной печати в агрессивных органических растворителях. Но применение грифеля значительно упростит процесс нанесения.

Для создания грифеля столь необычного карандаша команда учёных использовала спрессованные углеродные нанотрубки. Затем их поместили в карандаш. Используя полоску обычной бумаги, на которую были нанесены золотые контактные электроды, учёные нарисовали созданным грифелем полоски, соединяющие электроды.

Нанотрубки довольно чувствительны к присутствию чужеродных молекул на их поверхности. В данном случае сопротивление углерода довольно низкое, но при появлении некоторых газов сопротивление возрастает. Определив изменение сопротивления, можно сделать вывод о количественном наличии активного газа.

Исследователи полагают, что этот девайс можно активно использовать и в военных целях. Так, снабдив солдат, подобным портативным набором, можно будет своевременно выявить присутствие вредных газов.

Дженнифер Коул (Jennifer Cole):

«Причина заинтересованности военных заключается в существующей угрозе химических атак»

Источники:
1. http://www.nanonewsnet.ru
2. http://www.infuture.ru

Порошковая технология получения нанокерамических изделий

В отделе 30 ГНЦ ФГУП «Центра Келдыша» реализована порошковая технология получения нанокерамических и нанокомпозиционных изделий. Данная технология включает в себя следующие основные этапы изготовления изделий: получение порошка, приготовление исходных смесей, формование, удаление связующих (если необходимо), компактирование.

Исходные нанопорошки изготавливаются на плазмохимической установке, которая предназначена для синтеза неорганических нанопорошков с размером частиц 10-80 нм с заданным дисперсным и химическим составом. Установка универсальна, позволяет синтезировать широкий спектр соединений (металлов, оксидов, карбидов, карбонитридов, композиций). Установка создана сотрудниками ИМЕТ РАН и предназначена как для проведения НИОКР, так и в мелкосерийном промышленном производстве.

Плазмохимическая установка для получения нанопорошков

Приготовление смесей нанопорошков происходит в ультразвуковом смесителе-диспергаторе. Нужные наночастицы (порошки, нанотрубки и т. п.) помещаются в жидкую среду и прокачиваются через цепочку пяти ультразвуковых генераторов мощностью по 1 кВт. Ультразвуковое воздействие приводит к разбиванию агломератов наночастиц и созданию гомогенной суспензии.

Ультразвуковой смеситель-диспергатор

Получение сухой агломерированной смеси наночастиц проводится на испарительной сушке фирмы GEA. Распыление в горячем воздухе приводит к удалению излишней влаги и получению сухих смесей для приготовления шликеров или проведения сухого компактирования.

Испарительная сушка GEA

Изготовление заготовок керамических деталей проводится на установке объёмного шликерного литья 06 ФКЛ-100 с ёмкостью для приготовления шликера.
Литьё тонких керамических плёнок толщиной 10 — 400 мкм шириной до 200 мм осуществляется на установке плёночного литья модели CAM — L252TB фирмы КЕКО.

Установка плёночного литья модели CAM — L252TB фирмы КЕКО

Для прессования заготовок используются гидравлические прессы Mecamaq MD-30 усилием 30 т и Mecamaq DE-100 усилием 100 т, а также гидростат CIP 62330 с рабочим давлением 207 МПа.
Перед проведением спекания керамических изделий из заготовок следует удалить органические связующие. Легколетучие фракции отгоняются в вакуумных сушильных камерах при температуре до 350 оС в вакууме либо контролируемой инертной газовой среде. Процесс завершается в специализированной печи для удаления пластификатора при температурах до 1050 оС в вакууме либо контролируемой инертной газовой среде.
Для традиционного спекания и термической обработки изделий используется комплекс печного оборудования, включающий автоматизированные печи спекания, отжига и высокотемпературную. Все печи с углеродными нагревателями, процесс происходит в вакууме 10-7 Па либо чистой контролируемой инертной или восстановительной газовых средах. Предельные температуры составляют 2200 оС для печей спекания и отжига и 2800 оС для высокотемпературной.

Комплекс печного оборудования для спекания и термической обработки изделий

Кроме традиционного спекания реализованы другие современные методы компактирования: горячее прессование, электроимпульсное компактирование, импульсное плазменное спекание.

В установке горячего прессования на образец в процессе спекания воздействует как температура, так и внешнее одноосное давление. Температура спекания до 2200оС, внешнее усилие до 20 т, среда вакуум 10-7 Па либо контролируемый инертный газ.

Установка горячего прессования

В установке электроимпульсного компактирования реализован один из лучших динамических методов компактирования наноматериалов. Через образец пропускается импульс тока амплитудой 300000 А длительностью 10-3 сек, в результате полностью сохраняется исходный размер зёрен материала. Установка позволяет получать наноматериалы с уникальными свойствами.
Импульсное плазменное спекание — один из лучших в мире методов компактирования наноматериалов. В установке FCT-HP D 25 в процессе спекания образец разогревается прямым пропусканием коротких импульсов постоянного тока 8000 А, в результате время цикла нагрева до 2400˚С сокращается до нескольких минут. Благодаря этому повышается агломерационная активность материалов за счет идущих в точках соприкосновения порошковых частиц процессов и не происходит роста размера зерна материала.

Установка импульсного плазменного спекания FCT-HP D 25

3D-печать в космосе

Государственный университет Монтаны (США) анонсировал планы по созданию части спутника CubeSat спутника, т.н. PrintStar, которая представляет из себя 3d принтер. С помощью этого устройства в условиях длительной невесомости будут созданы наноуглеродные пластики.
Проект PrintStar был выбран НАСА (США) в качестве одной из инициатив разработок в 2012 году и сможет попасть в космос уже в 2013 г.
Кроме того, в США существует компания-стартап «Made in Space» (финансируется НАСА), в планы которой входи крупномасштабная реализация производства деталей в космосе с помощью трёхмерной печати.
Отметим, что трёхмерная печать позволяет создавать изделия не только из пластика, но и из металлов. Например, исследователь Поль Брид (Paul Breed) продемонстрировал таким образом производство ракетных двигателей (rocket engines).
В России пока не реализована данная технология, однако, в Роснано и Роскосмосе совместно с Центром Келдыша существуют планы по созданию технологии 3d-печати изделий ракетно-космической техники из нанокерамических порошков.

ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» получил поддержку Роскосмоса на внедрение разработок в области нанотехнологий в сфере ракетно-космической техники

ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» стал единственным участником и выиграл конкурс на «исследования по созданию научно-технического задела по применению разработок в области нанотехнологий для создания перспективных изделий ракетно-космической техники с увеличенными показателями надежности и качества» — сокращенное наименование «Магистраль» (Нано).

Данные работы станут частью комплексных изучений научно-технических проблем и разработки предложений по развитию космического потенциала РФ на период до 2030 года. Начальная цена контракта составляет 583,3 миллиона рублей. Срок выполнения работ — с даты подписания госконтракта 21 ноября 2012 года по 25 ноября 2015 года.

Для реализации проекта ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» привлек порядка 30 организаций-соисполнителей как из космической отрасли (ОАО «Композит», ОАО «НПП «Квант», ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», ОАО «НПО Энергомаш», ОАО «РКК «Энергия» и др.), так и других отраслей (ИФХЭ РАН, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, МАИ, ИОФ РАН и др.).

Отдел нанотехнологий, созданный в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» в 2007 г., уже имеет задел по данной работе и готов к выполнению контракта.

Композитные материалы на основе нанотрубок — вдесятеро лучше обычных!

Углепластики — материал современный, легкий и прочный, используемый повсеместно. Но и их вскоре могут вытеснить новые композитные материалы на основе углеродных нанотрубок, длинных полых цилиндров, стенки которых выложены всего одним слоем атомов. Теоретически, при равной прочности, они будут весить еще раз в десять меньше, чем углепластики — или при том же весе иметь вдесятеро большую прочность. И первый такой композитный материал уже создан группой работающего в США профессора Юньтяня Чжу (Yuntian Zhu).

Ученым всего мира понадобилось более десятилетия на то, чтобы достичь этой цели: настоящий композит на основе углеродных нанотрубок должен удовлетворять четырем критериям.

Во-первых, нанотрубки должны быть достаточно длинными для того, чтобы брать на себя существенную часть нагрузки (они отличаются потрясающей механической прочностью).
Во-вторых, они должны быть упорядочены в достаточно ровные ряды.
В-третьих, материал должен содержать подходящую полимерную основу, способную удерживать нанотрубки вместе и позволять им работать, не разрушаясь сам.
Наконец, сами нанотрубки должны быть максимально ровными и прямыми, чтобы в структуре материала не имелось «шероховатостей».

По заявлению группы Юньтяня Чжу, им это удалось первым. Для этого ученые разработали специальный процесс, начинающийся с выращивания массива длинных углеродных нанотрубок на плоской подложке. Затем они выравниваются и накручиваются на ровно вращающийся ротор, причем параллельно на них распыляется полимерная основа, застывающая и закрепляющая всю структуру материала.

Для получения резиноподобного композитного материала с высоким содержанием нанотрубок использовался вращающийся ротор

Таким путем авторы получили готовый композит — упругий материал, который может быть использован повсюду, от велосипедов до авиалайнеров будущего. Ведь, помимо прочего, он обладает еще и другими полезными свойствами: отличной тепло- и электропроводностью.

Источники:
1. http://www.popmech.ru/
2. http://www.nanonewsnet.ru

Ученые ЕКА начинают поиски материала, способного защитить астронавтов от космической радиации

В последнее время все чаще и чаще появляется информация от космических агентств различных стран, касательно их планов по отправке экспедиций с людьми на Марс, Луну и астероиды, летающие в открытом космосе. Но, как только космические аппараты выйдут из-под защиты земной магнитосферы в открытое космическое пространство, на организмы людей-астронавтов обрушится губительный поток космического излучения и радиации. Понимая необходимость в дополнительной защите людей, исследователи Европейского космического агентства (ЕКА) начали программу по поиску материала, который может обеспечить максимально эффективную защиту от космических лучей.

Космические лучи представляют собой ядра атомов вещества, которое было извергнуто в космическое пространство с поверхности активных и умирающих звезд. Эти ионы, имеющие большую массу, разогнаны до огромных скоростей и поэтому имеют собой высокую опасность для организма человека и его здоровья. Помимо космических лучей в космосе есть еще и космическая радиация, в основном состоящая из высокоэнергетических протонов, которые в больших количествах излучает наше Солнце. К счастью, от второго вида космического излучения защититься достаточно легко. А магнитное поле Земли защищает нас и тех, кто находится на низкой околоземной орбите на борту Международной космической станции, одинаково хорошо от большей части обоих видов космического излучения.

Использование более толстых и более плотных металлических радиационных щитов не является надежным и эффективным решением. Высокоэнергетические частицы, двигающиеся с огромными скоростями, при столкновении с металлическим препятствием могут произвести целый ливень более мелких частиц вторичного излучения, которые в некоторых случаях могут представлять для человеческого организма еще большую опасность.

Все вышеперечисленное является большой проблемой, которая не решена на сегодняшний день. Именно поэтому агентство ЕКА начало двухлетний проект, в ходе которого будут изучены самые различные материалы и выбраны материалы, обеспечивающие максимальный уровень защиты от различных видов радиации.

В этом проекте, имеющем название ROSSINI (Radiation Shielding by ISRU (In-Situ Resource Utilisation) and/or Innovative Materials for EVA, Vehicle and Habitat), используется линейный ускоритель Центра исследований тяжелых ионов GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, Дармштадт, Германия. Этот ускоритель является единственным в Европе средством, способным смоделировать поток высокоэнергетических ядер тяжелых элементов, которые составляют основу межгалактических космических лучей.

Однако, первый этап программы был выполнен учеными из Лаборатории НАСА по изучению космической радиации (NASA Space Radiation Laboratory), расположенной в Брукхевене, Нью-Йорк. Ученые провели испытания различных многообещающих материалов, включая алюминий, воду, полиэтиленовый пластик, сложные многослойные материалы и даже образцы лунного грунта. Последние два материала были выбраны потому, что они будут доступны в качестве местных материалов для членов будущей лунной экспедиции.

«Оказалось, что чем легче атомы материала, тем лучшую защиту от радиации обеспечивает этот материал» – рассказывает Алессандра Меникуччи (Alessandra Menicucci). Используя набор инструментов Geant4 для моделирования ударов частиц по материалу, исследователи выяснили, что вода и полиэтилен работают в качестве защиты лучше, чем алюминий. Но самый высокий уровень защиты обеспечил насыщенный водородом материал, изначально разработанный британской компанией Cella Energy, который используется в емкостях для хранения запасов водорода.

В ходе и по окончанию выполнения программы ROSSINI ученые ЕКА сделают все полученные данные и материалы доступными для всех заинтересованных организаций и лиц, которые смогут использовать их при планировании и в подготовке к полетам в дальний космос.

Источники:
1. http://www.dailytechinfo.org/
2. http://www.gizmag.com/

Наноразмерные плёнки в оборонном комплексе

Исторически сложившаяся тенденция развития промышленно-экономического потенциала государства в прямой зависимости от развития военно-промышленного комплекса во все времена побуждала государства уделять первостепенное внимание состоянию средств защиты и нападения

Новые идеи в технике, в материаловедении, в технологиях начинают свою жизнь, как правило, в приложении к конкретным задачам в сфере производства военной техники, а уже затем переходят в сферу гражданского производства. Баланс между этими составляющими (средства защиты и средства нападения) определяется проводимыми в жизнь государственными военными доктринами и конкретной внешнеполитической обстановкой. При этом главное значение придаётся надёжности и безотказности узлов, механизмов, устройств, т. е. компонентов, прямо влияющих на фактор времени – важнейший фактор, определяющий исход операции при решении любой задачи оперативно-тактического планирования. Эти качества нередко вступают в конфликт с другими не менее важными характеристиками (технологичность и экологичность производства, экономическая оправданность, удобство в использовании в определённых условиях, ремонтопригодность или быстрая заменяемость).

Стремительный переход общества от Пятого технологического уклада (эра зарождения и развития электроники и микроэлектроники, атомной энергетики, информационных технологий и т. д.) к Шестому (постиндустриальному) технологическому укладу при динамичном развитии нано- и биотехнологии, наноэнергетики, молекулярной, клеточной и ядерной технологии, нанобиотехнологии, биомиметики, нанобионики, нанотроники и других наноразмерных производств – безальтернативный вызов каждому государству, требующий обновления в ранжировании государственных приоритетов и мобильной перестройки промышленности.

В общем многообразии тем и направлений исследований и практического применения нанопродуктов и нанотехнологий особое место занимают наноразмерные многофункциональные покрытия, наносимые на твёрдые поверхности для придания этим поверхностям новых, прогнозируемых заранее свойств и характеристик, позволяющих существенным образом и в самых неожиданных вариациях расширять диапазон условий эксплуатации изделий или отдельных ответственных узлов.

Количество патентов, научных публикаций и диссертаций, касающихся проблем нанесения нанопокрытий (технологии) в мире растёт по экспоненте, и в числе этих работ – работы по конкретным заказам ВПК разных стран.

Постоянно расширяется круг проблем, которые решаются в подотраслях ВПК с помощью наноразмерных покрытий.

Покрытия играют огромную роль в авиационной и космической промышленности:
• повышают долговечность, надёжность и эффективность разных компонентов;
• препятствуют эрозии и износу;
• повышают качество поверхностей;
• препятствуют коррозии, радиации, отслаиванию, окислению и перегреву.

Новые разработки позволяют расширять функции нанопокрытий. Так, новое отечественное покрытие, наносимое на внутреннюю сторону фонаря кабины пилота самолёта, ослабляет теплоту солнечного потока на 40%, радиацию – на 30%, при этом уменьшает воздействие электромагнитного излучения в 250 раз и повышает абразивостойкость и износоустойчивость, снижая радиолокационную заметность кабины пилота на 30%; радиосигнал отражается от обработанных стёкол и, ослабленный, рассеивается в разных направлениях. Общая толщина покрытия составляет около 80 нанометров (нм). Для нанесения нанослоёв металла на стекло применяется специальная аппаратура магнетронного напыления. Покрытие наносится на фонари кабины пилотов истребителей Т-50 (ПАК ФА), МиГ-29К, Су-30 и бомбардировщиков Су-34. Пределов поискам новых применений нанопокрытий нет и быть не может.

И у нас, и за рубежом разрабатываются многофункциональные нанопокрытия для аэрокосмической промышленности, которые должны обеспечить износостойкость и коррозийную защиту с помощью специальных материалов. Предполагается, что они будут способны обнаруживать коррозию и механические повреждения и препятствовать их дальнейшему развитию, при этом противодействуя им, а также реагировать на химическое и физическое воздействие, улучшать адгезию и повышать долговечность металлических конструкций. В технологиях создания новых покрытий, в частности, используется золотое напыление для защиты стеклянной кабины пилота истребителя Т-50 от радиоволн и солнечного излучения; помимо золота для напыления также используются индий и олово. Толщина одного слоя составляет 20 нм, а всего напыления – не превышает 90 нм. В отдельную проблему выделена борьба с коррозией. Для постоянной борьбы с коррозией требуется много ресурсов. Так, общая стоимость таких работ в вооружённых силах США оценивается в 10 млрд долларов в год, из них 2 млрд долларов уходит на обычные операции соскабливания старой краски и нанесения новой. Учёные разрабатывают «умные» покрытия, которые в случае коррозионного повреждения или появления обычной царапины могли бы самостоятельно залечиваться. Кроме того, разрабатываются нанопокрытия для танков и другой военной техники, которые меняли бы цвет для создания маскировки в разных условиях.

При использовании любого способа нанесения покрытий есть технологические проблемы. Учитывая важность экономической составляющей, предприятия ВПК охотно замещают энергоёмкие и трудозатратные методы нанесения покрытий более простыми, но не менее эффективными. Многофункциональные нанопокрытия на основе фторсодержащих поверхностно-активных веществ (фторПАВ) (сайты epilam.ru, эпилам.рф) доказали свою эффективность в решении проблем по уменьшению коэффициента трения в трибологических узлах ответственных механизмов и приборов, способность существенно уменьшить износ контактирующих поверхностей. Отдельные виды композиций (эпиламы) предназначены для защиты поверхностей изделий из сталей, сплавов и цветных металлов от воздействия агрессивных сред (вода, пар, туман, растворы солей и щелочей). Также немаловажно, что поверхности, покрытые эпиламами, намного дольше сохраняют эксплуатационные свойства при воздействии температуры в диапазоне от –120 до +520 °С. Снимаются проблемы залипания и заедания в указанных диапазонах температур.

Созданные отечественными разработчиками эпиламы успешно отработали в ряде военно-космических и гражданских проектов. Защищая печатные платы, сплавы, микросборки и узлы трения, покрытия на базе фторПАВ не изменяют электрофизических характеристик элементов, позволяют отказаться от использования традиционных долгосохнущих смазок, лаков. Обладая хорошей адгезией, покрытия надёжно закрепляются на обрабатываемой поверхности, хемосорбируясь на ней и не отслаиваясь в процессе эксплуатации изделия.

Широкое распространение получили многофункциональные композиции (эпиламы) таких марок, как Эфрен-К, 6СФК-180-05, а также инновационные разработки Эпилам «ЭлектроникС» (для микросхем и электронных блоков), Эпилам «ЭлектроникА» (для сплавов, микросборок). Они успешно выдерживают конкуренцию с зарубежными аналогами, значительно дешевле и менее энергоёмки при использовании, не требуют дорогостоящего оборудования.

Любое предприятие ВПК – от малых мастерских до крупного производства – может при минимальных затратах организовать участок эпиламирования и оснастить его необходимым оборудованием (установка для механической или ультразвуковой очистки узлов/деталей от механических загрязнений; герметично закрывающиеся ёмкости для обработки деталей методом окунания при сохранении температуры в замкнутом объёме от 42 до 45 °С; термошкаф для выдержки деталей после эпиламирования при температуре от 90 до 120 °С).

Наносить покрытия можно методами напыления (аэрозольные баллоны, что удобно при обработке крупногабаритных деталей или труднодоступных поверхностей), тампонирования (при проведении ремонтно-восстановительных работ без поагрегатной разборки механизмов и оборудования) и окунания. Технологические параметры процессов эпиламирования приведены в «Технологической инструкции» для каждого из методов, а общие сведения о составах – в соответствующих «Технических условиях».

Входя в новую технологическую эру, Россия принимает на себя и новые обязательства в сфере организации и подготовки производств на новых основах, когда неизбежным становится оснащение любого производственного участка аппаратурой и средствами контроля нового поколения. Не будут исключением и предприятия ВПК, изготавливающие технику нового поколения с применением различных технологий нанесения наноразмерных покрытий. Создание единой сети исследовательских и контрольных межзональных лабораторных центров в системе ВПК (подобно центрам коллективного пользования ) будет способствовать более чёткому распределению средств, направляемых на развитие нанотехнологий, и сокращению расходов на приобретение уникального специального оборудования.

Вохидов А. С., канд. экон. наук, Добровольский Л. О., чл.-кор. ПАНИ

Права на данный материал принадлежат Новый Оборонный Заказ
Материал был размещен правообладателем в открытом доступе.

Транзисторы на основе нанотрубок пригодны для космических условий

Последние исследования американских ученых показали, что транзисторы, построенные на основе однослойных углеродных нанотрубок и включающие в себя диэлектрический затвор из оксинитрида, могут быть идеальными с точки зрения использования в суровых условиях открытого космоса. Проведенная серия экспериментов доказывает, что эти устройства устойчивы к большим дозам гамма-излучения (до 2 МРад).

Тонкопленочные транзисторы, построенные на основе обычных однослойных углеродных нанотрубок, чувствительны к ионизирующему излучению, точно также, как полевые транзисторы на основе кремния.

Однослойные углеродные нанотрубки, как полупроводники, не восприимчивы к ионизирующему излучению. Излучение взаимодействует с электронами в материале, что приводит к быстрому возбуждению, а затем – к релаксации атомов. Таким образом, сами углеродные нанотрубки остаются не поврежденными. Но основная причина неработоспособности тонкопленочных транзисторов в подобных условиях заключается в эффекте «застревания» дырок проводимости в диэлектрическом затворе.

Для большинства электронных устройств со временем такое воздействие приводит к снижению производительности.

Чтобы преодолеть эту проблему, группа ученых из US Naval Research Laboratory (США) создала альтернативную конструкцию устройства – так называемые радиационно-устойчивые тонкопленочные транзисторы, построенные на базе однослойных углеродных нанотрубок (SWCNT-TFT). Предложенная ими конструкция подразумевает использование оксинитрида в качестве диэлектрического затвора, т.к. это вещество менее подвержено изменениям под действием ионизирующего излучения. Таким образом, излучение практически не влияет на транспорт заряда в разработанном тонкопленочном транзисторе.

Серия экспериментов, проведенных учеными, показала, что созданные ими транзисторы устойчивы к гамма-излучению суммарной дозы 2 МРад. Чисто теоретически ионизирующее излучение, конечно, может косвенно повредить кристаллическую структуру однослойных углеродных нанотрубок, сначала обеспечив возбуждение атома до энергии выше порога смещения, а затем – вытеснив атом из кристаллической решетки. Но, как показали исследования, для излучения в 2 МРад вероятность этого события не велика.

Стоит отметить, что интерес к подобному уровню излучения вызван наличием у нашей планеты так называемых поясов Ван Алена – областей тороидальной формы, в которых удерживаются и накапливаются заряженные частицы из космических лучей. Энергетический спектр и углы падения лучей в этих поясах и были смоделированы в лаборатории. Таким образом, доказанная работоспособность устройств на базе созданных транзисторов в поясах Ван Алена означает их применимость для космических программ.

Команда отмечает, что на данный момент разработанные ими транзисторы работают в режиме диффузионного транспорта носителей заряда, в котором электроны и дырки проводимости многократно рассеиваются на всевозможных объектах: дефектах кристаллической решетки нанотрубок, их границах, фононах. Таким образом, именно дефекты контролируют, каким образом устройства проводят заряд и реагируют на излучение.

Ученые считают, что в будущем в транзисторах на базе одностенных углеродных нанотрубок будет задействован другой режим транспорта заряда – баллистический. В результате определяющую роль с точки зрения проводимости будут играть металлические контакты устройства. В будущем исследователи планируют направить свои усилия на работу именно в этом направлении.

Результаты своей работы исследователи опубликовали в журналах IEEE Transactions on Nuclear Science и MRS Communications and Electronics.

Источники:
1. nanonewsnet.ru/
2. sci-lib.com
3. nanotechweb.org