Лаборатория тонкоплёночных технологий.
Инжиниринговый центр.
Лаборатория по испытанию композитных материалов.
Композитные материалы – одно из направлений исследований Инжинирингового центра. Это неоднородные материалы, состоящие из двух и более компонентов: слоя-матрицы, слоя-наполнителя – при сохранении границы раздела между ними. Обычно один из компонентов образует непрерывную фазу, которая называется матрицей, другой компонент называется наполнителем. Компоненты существенно различаются по свойствам, а их сочетание должно дать некий синергетический эффект [1]. Благодаря этому, на основе веществ с различными физическими и механическими свойствами создаются новые материалы, которые по своим качествам могут в значительной мере превосходить материалы, из которых полученный композит состоит.
Композитные материалы нашли широкое применение в авиационной и железнодорожной промышленности, в производстве современной ракетно-космической техники. Также, активно развивается их применение в наземном строительстве. Их перспективность обусловлена тем, что композиты зачастую превосходят традиционные материалы и сплавы по механическим свойствам, и в тоже время они легче [2].
Одним из ключевых этапов создания нового композиционного материала является определение его прочностных характеристик. Проведение испытаний на механическое воздействие в различных условиях позволяет определить ключевые компоненты нового материала, имеющие принципиальное значение при выборе условий эксплуатации и процесса получения материала [3].
|
|
|
На базе лаборатории по испытанию композитных материалов проводятся следующие механические испытания [4]:
- Испытание прочности на растяжение при разных температурах;
- Испытание прочности на сжатие;
- Испытание прочности на изгиб;
Также проводятся различные исследовательские и аналитические испытания:
- Климатические испытания образца при разных показателях относительной влажности и температуры;
- Определение теплоёмкости образца;
- Циклические усталостные испытания образца;
Примером используемого в лаборатории оборудования может послужить серво-гидравлическая испытательная машина (Рис.1.1.). С её помощью могут проводится испытания на растяжение, сжатие и изгиб с определением разрушающей нагрузки, предела прочности и модуля упругости, а также усталостные испытания.
Рис.1.1. Серво-гидравлическя машина для механических испытаний с усилением до 50 тонн (Instron 8803).
Для проведений климатических испытаний в диапазоне температур от -75 °C до 180 °C используется специальная климатическая камера (Рис.1.2.).
|
|
|
Рис.1.2. Камера климатическая испытательная типа Discovery DY340.
Химические источники тока.
На сегодняшний день, наиболее используемыми накопителями энергии являются литий-ионные аккумуляторы. Литий-ионный аккумулятор состоит из катода и анода, разделённых веществом, называемым сепаратором, который пропитан электролитом. Всё это упаковано в герметичный корпус. Катод и анод подключены к клеммам-токосъемникам. При разряде Li-ion аккумулятора происходят деинтеркаляция (извлечение) лития из углеродного материала (на аноде) и интеркаляция (внедрение) лития в оксид (на катоде). При заряде аккумулятора процессы идут в обратном направлении [5]. Все вышеописанное изображено на Рис.2.1. Из этого следует, процессы разряда и заряда представляют собой перенос ионов лития с одного электрода на другой. Поэтому такие аккумуляторы получили название “литий-ионных” [6].
Рис.1.3. Принцип работы литий-ионного на примере аккумулятора на основе LiFePO4 (сверху – зарядка, снизу – разрядка).
Чаще всего, аккумуляторы такого типа используются в различных портативных устройствах. С развитием микроэлектроники наблюдается тенденция к миниатюризации и повышению функциональности портативных устройств, следовательно современные технологии всё меньше отвечают требованиям со стороны производителей этих устройств. Именно это определяет вектор развития технологий создания более эффективных и компактных накопителей энергии – разработку новых активных электродных материалов.
|
|
|
В Инжиниринговом центре проводятся исследования, направленные на разработку и изучение наноструктурированных материалов для химических источников тока, а также прототипирование аккумуляторов в корпусах различного стандарта. Примером перспективного катодного материала может послужить материал на основе V2O5. Его использование может повысить удельную энергию аккумулятора до 300-350 Вт*ч/кг. Эти значения стоит рассматривать как предел электрохимических систем, основанных на принципе интеркаляции ионов лития. Поэтому, помимо разработки и исследования физико-химических характеристик новых электродных материалов, немаловажное значение имеет и разработка новых электрохимических систем [7].
Помимо этого, Инжиниринговый центр занимается прототипированием аккумуляторов в корпусах различных стандартов: кнопочные элементы питания, pouch cell и др. Комплекс проводимых работ для создания прототипа аккумулятора можно разделить на следующие стадии:
|
|
|
1. Выбор электродных материалов и проводящей добавки;
2. Перемешивание компонентов до однородного состояния;
3. Нанесение пасты на фольгу;
4. Сушка и прессование;
5. Резка электродов;
6. Сборка электродов и сепаратора и приваривание токовыводов;
7. Размещение в корпусе;
8. Вакуумная сушка;
9. Добавление электролита и герметизация в условиях инертной среды;
10. Тестирование;
Герметизация ячейки проводится в специальной системе из двух перчаточных боксов в которых поддерживается инертная среда. Боксы оборудованы системой очистки инертного газа от воды и кислорода, а также шлюзами для внесения внутрь оборудования и компонентов без разгерметизации системы [8].
Рис.1.4. Система из двух перчаточных боксов для работы в особо чистой газовой среде.
Лаборатория тонкоплёночных технологий.
Тонкие плёнки – тонкие слои материала, толщина которых варьируется от нескольких ангстрем (толщина моноатомного слоя) до нескольких микрон. Структура и свойства тонкой плёнки и объемной фазы, из которой она изготовлена, могут существенно отличаться [9].
Тонкоплёночные структуры имеют широкое применение в различных областях техники. Например, твёрдые тонкие плёнки из оксидов металлов используются для создания различных приборов, в том числе и микроэлектронных. Они используются для создания тонкоплёночных солнечных батарей, газовых датчиков. Также, тонкие плёнки наносятся на материалы в качестве защитных, проводящих, резистивных или декоративных покрытий [10].
Лаборатория тонкоплёночных технологий Инжинирингового центра проводит работы по синтезу тонких плёнок и исследованию их характеристик, которые напрямую зависят от методов их нанесения и условий осаждения [11].
Одним из основных методов нанесения тонких плёнок является метод вакуумного напыления. Принцип вакуумного напыления состоит в получении покрытия путём конденсации пара наносимого материала: сначала из частиц материала создаётся газ, который транспортируется к подложке и конденсируется на ней, формируя тонкоплёночное покрытие [12].
Рис.1.5. Вакуумная напылительная система на платформе VSR.
Ниже перечислены основные методы осаждения тонких плёнок, которые используются в лаборатории [11]:
- Вакуумное осаждение;
- Электроспреевое осаждение;
- Плазмохимическое осаждение;
Список литературы
1. Кербер. М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С., и др., Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии: учебное пособие-СПб:Профессия, 2008.
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Композиционный_материал - Википедия
3. http://in-cub.ru/node/11 - Инжиниринговый инкубатор. Композиционные материалы.
4. http://in-cub.ru/node/21 - Инжиниринговый инкубатор. Испытания материалов.
5. https://visual-science.com/ru/projects/lithium-ion-accumulators/infographics/ - Visual Science
6. http://www.powerinfo.ru/accumulator-liion.php - PowerInfo.ru
7. http://in-cub.ru/node/15 - Инжиниринговый инкубатор. Химические источники тока.
8. http://in-cub.ru/node/24 - Инжиниринговый инкубатор. Прототипирование аккумуляторов
9. http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1805 - Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов
10. http://in-cub.ru/node/12 - Инжиниринговый инкубатор. Тонкие плёнки.
11. http://in-cub.ru/node/41 - Инжиниринговый инкубатор. Синтез новых материалов.
12. https://ru.wikipedia.org/wiki/Вакуумное_напыление - Википедия.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 214; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!