ГРАСИЛ

+7(496) 513-01-11

Нанодисперсные коллоидно-графитовые растворы

Раствор марки КГР-1000 предназначен для изготовления обкладок высоковольтных конденсаторов, для создания объемного электропроводящего покрытия при изготовлении радиопоглощающих материалов, для изготовления углеродной теплоизоляции вакуумных и газонаполненных печей, для получения антипригарных покрытий при литье цветных сплавов, для получения электропроводящих нитей и волокон типа «ядро-оболочка».

Раствор марки КГР-1500 предназначен для получения защитного графитового покрытия токоотводов электрохимических батарей, для создания активного покрытия электродов электролитических конденсаторов, для получения высокоплотных карбидных изделий и покрытий. 

Раствор марки КГР-1700 предназначен для экранирования кабельных изделий линий связи от помех, изготовления высокоомных кабелей измерителей напряженности мощных электромагнитных полей, создания слоя сопротивления в углеродных резисторах, для защитных покрытий деталей турбонасосов ракетной техники.

Растворы изготавливаются на основе полярных растворителей (спирты, ацетон, вода или другие) с показателем диэлектрической проницаемости не менее 15.

Нанодисперсные коллоидно-графитовые растворы представляют собой суспензию графита в полярном растворителе и состоят из плоских частиц графита толщиной от 2 нм до 10-16 нм (фото 1) с размером плоскости от 10х10 нм до 300х300 нм (фото 2 и 3).  Благодаря чрезвычайно малой толщине графитовых частиц, графит в нанодисперсном коллоидно-графитовом растворе наиболее близко приближается к графену по сравнению со всеми другими известными углеродными материалами, поскольку состоит из плоских частиц, содержащих по толщине от шести слоев графена до тридцати…пятидесяти слоев графена (фото 1). Это обеспечивает качественно новые свойства материалов и изделий, получаемых из нанодисперсных коллоидно-графитовых растворов.


Фото 1. Частица графита толщиной 7 нм из нанодисперсного коллоидно-графитового раствора, содержащая по толщине 20 атомов графита (20 слоев графена).

  Для справки.

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. По оценкам, графен является самым прочным из известных материалов, обладая механической прочностью, равной примерно 1ТПа [Bunch J. S. et. al. Electromechanical Resonators from Graphene Sheets Science 315, 490 (2007)].  По теплопроводности он превосходит все известные на сегодняшний день материалы, имея теплопроводность примерно 5×10³ Вт·м−1·К−1 [Balandin A. A. cond-mat/0802.1367; Wallace P. R. «The Band Theory of Graphite», Phys. Rev. 71, 622, (1947)]. Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.  Ученые предполагают, что графеновые транзисторы будут работать на порядки быстрее, чем современная кремниевая техника. Графен можно будет использовать для производства прозрачных сенсорных экранов, световых панелей, солнечных батарей. Графен даст возможность создавать композитные проводящие материалы, более устойчивые к действию механических нагрузок и высоких температур. Прочность графена позволит создавать новые сверхтонкие, эластичные и легкие конструкционные материалы. В статье, опубликованной 10 ноября 2005 года Константин Новосёлов и Андрей Гейм показали, что электрические заряды в графене ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой [Novoselov K. S. et al. «Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene», Nature 438, 197 (2005)]. За работы по исследованию графена в 2010 году Новосёлову и Гейму была присуждена Нобелевская премия в области физики.

На фото 2 представлена структура пленки графита, полученного из нанодисперсного  коллоидно-углеродистого раствора.


Фото 2. Частицы графита из нанодисперсного коллоидно-углеродистого раствора в продольном направлении,  размеры по плоскости большинства частиц составляют от 10х10 нм до 300х300 нм)

Благодаря нанодисперсному диапазону частиц графита нанодисперсные коллоидно-графитовые растворы позволяют создавать материалы и изделия с уникальными, качественно новыми физическими и химическими свойствами. К ним относятся:

- очень высокая удельная поверхность (до 2500 м²/г), что недостижимо для других углеродных материалов (например, удельная поверхность активированного угля находится в пределах от 500 до 1500 м²/, материала, названного графеновым сорбентом, от 700 до 1300 м²/г),

-  высокая реакционная способность,

- химическая чистота (содержание графита не менее 99,8%),

- высокая термостойкость (потеря массы при нагревании на воздухе до 400 ºС составляет   5,55%, при нагревании до 500 ºС составляет 13,3%),

- хорошая адгезия к различным материалам,

свойственные графиту низкий коэффициент трения и электропроводность.

Достоинствами  нанодисперсных  коллоидно-графитовых  растворов являются также: способность при высыхании образовывать пленки и покрытия с хорошей адгезией к подложке со стабильной электрической проводимостью и отсутствием газовыделения; возможность широкого изменения электрического сопротивления покрытий; химическая инертность; хорошая смазочная способность за счет низкого коэффициента трения пленок и покрытий, в том числе при повышенных температурах; возможность введения нанодисперсного углерода в пористые изделия путем пропитки при размере пор 0,5 мкм и более.


Фото 3. Структура пленки графита из нанодисперсного коллоидно-углеродистого  раствора в срезе под небольшим углом к поперечному сечению

(частицы графита соприкасаются плоскостями параллельно друг другу)

.

Эти свойства делают  нанодисперсные коллоидно-графитовые растворы весьма  перспективными для использования в различных областях науки и техники, в электронной, электротехнической, машиностроительной, металлургической и др. отраслях промышленности.

Нанодисперсные коллоидно-графитовые растворы успешного использовались и используются для изготовления:

- газоплотных, износостойких защитных покрытий из карбида кремния, способных работать при температурах до 1500°С на воздухе и до 2400°С в защитных средах и в вакууме, в том числе для деталей авиационной и ракетной техники;

- энергонасыщенных материалов, в том числе твердого ракетного топлива, с целью увеличения их баллистических характеристик [Космический вызов ХХI века. Перспективные материалы. Нанокомпозиты. Том 2, стр. 115, под ред. А.А.Берлина, И.Г.Ассовского];

-  радиопоглощающих волокнистых материалов для маскировки объектов вооружений и военной техники;

-  объемных электропроводящих материалов с градиентом проводимости по высоте для создания безэховых электромагнитных камер;

- компонентов защитного антиэрозионного покрытия лопаток турбин криогенных кислородных турбонасосов;

-  защитного графитового покрытия токоотводов фторуглеродлитиевых батарей ракетной техники;

-  углеродной теплоизоляции вакуумных и газонаполненных печей;

-  антипригарных покрытий при литье цветных сплавов;

-  электропроводящих нитей и волокон типа «ядро-оболочка», в том числе для изготовления гибких электрообогревательных изделий.

Перспективно использование нанодисперсных коллоидно-графитовых растворов для изготовления:

- электродов для ионисторов (суперконденсаторов), используемых их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30−40 Вт·ч/кг) [S.R.C.Vivekchand; Chandra Sekhar Rout, K.S.Subrahmanyam, A.Govindaraj and C.N.R.Rao (2008). "Graphene-based electrochemical supercapacitors". J. Chem. Sci., Indian Academy of Sciences 120, January 2008: 9−13]. Это делает перспективным использование их в электроэнергетике не только как преобразующий элемент, но и как высокоэффективный, легкий и нетоксичный источник тока, способный заменить батареи и аккумуляторы;

- материалов для наноэлектроники, способных заменить кремний в интегральных микросхемах;

-  углеродных и карбидокремниевых покрытий шаровых микротвэлов, обеспечивающих радиационную безопасность АЭС;

-  обкладок высоковольтных конденсаторов;

-  антистатических покрытий различных изделий, в том числе оболочек аэростатов и др. летательных аппаратов;

-  активного покрытия электродов электролитических конденсаторов;

-  помехозащитных экранирующих покрытий кабельных изделий линий связи;

-  высокоомных кабелей измерителей напряженности мощных электромагнитных полей;

-  слоя сопротивления в углеродных резисторах.

Отечественных и зарубежных аналогов, приближающихся по техническим характеристикам к  нанодисперсным коллоидно-графитовым растворам, не имеется.