Ученые ТГУ создают горючие композиты для газогенераторов методом 3D-печати

В отличие от традиционных составов, разработка научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения» Томского государственного университета основана на смешанном окислителе — фазостабилизированном нитрате аммония в комбинации с перхлоратом аммония. Это позволяет снижать токсичность отходов и делать системы более экологичными. 

Изображения поперечных сечений 3D-печатных образцов, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Образцы однородные по плотности, без пустот, с равномерно распределенными частицами двух разных окислителей

Аддитивные технологии производства высокоэнергетических материалов — одно из самых молодых направлений в аддитивном производстве в целом: первые системные работы по 3D-печати таких составов появились менее десяти лет назад, сообщает пресс-служба вуза.

«Эта сфера сейчас развивается стремительно: технологии 3D-печати, материалы и подходы к безопасности обновляются каждый год. Ученые здесь работают на стыке наук, им нужно хорошо разбираться в химии, физике, материаловедении и инженерии. Наш НЦМУ здесь в лидерах. В России мы на первом месте в сфере аддитивного производства высокоэнергетических материалов, а также входим в число ведущих мировых научных коллективов, развивающих это направление», — рассказал директор Центра управления научно-технологическими и инновационными проектами ТГУ, профессор Александр Ворожцов.

Исследователи изучают возможность 3D-печати экологически безопасных горючих систем для газогенераторов. Сотрудники НЦМУ предложили использовать нитрат аммония — бесхлорный окислитель, образующий только азот, воду и углекислый газ. Нитрат аммония не поддерживает горение при атмосферном давлении, поэтому требует добавления более сильного окислителя — перхлората аммония. Таким образом, перспективными являются композиции на смешанных окислителях.

Ученые проверили, можно ли с помощью 3D-печати создавать горючие образцы из смеси двух окислителей. В качестве связующего использовали фотополимерную смолу, наполнение окислителями достигало семидесяти процентов от общей массы. Оптимизация физико-механических, фотохимических, оптических и технологических параметров позволит печатать энергетические материалы с повышенной плотностью, однородной бездефектной внутренней структурой.

Оказалось, что добавление окислителей резко повышает вязкость смеси с почти жидкого состояния (0,5 Па·с) до чрезвычайно густого (более 800 Па·с). Чтобы смесь стала пригодной для 3D-печати, ученые разработали схему предварительной обработки материалов для получения суспензий с требуемыми характеристиками. 

«Одна из практических сложностей DLP 3D-печати высокоэнергетических композиций связана с вязкостью рабочих суспензий. При введении твердого наполнителя динамическая вязкость смеси возрастает в несколько раз по сравнению с чистой, немодифицированной смолой. Такая суспензия перестает вести себя как жидкость в привычном смысле и требует специального подбора состава связующего, чтобы сохранить текучесть, достаточную для послойной печати», — рассказала научная сотрудница лаборатории нанотехнологий металлургии и научно-исследовательской лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов ТГУ Яна Дубкова.

Исследователи также измерили глубины проникновения ультрафиолетового излучения в смесь: для составов на основе нитрата аммония она составила 144 мкм, а для перхлората аммония — 426 мкм. Разницу объяснили более сильным светорассеянием на кристаллах нитрата аммония, при этом даже такие показатели глубины проникновения УФ-излучения оказались достаточными для отверждения полимерного связующего при печати слоями толщиной 100 мкм. Это подтверждает принципиальную применимость технологии DLP 3D-печати к составам с нитратом аммония.

При исследовании структуры образцов методом растровой электронной микроскопии частицы окислителя — как нитрата, так и перхлората аммония — оказались равномерно распределены в объеме полимерной матрицы, независимо от состава. Расслоений или скоплений частиц не обнаружено. Это подтвердило предположение о том, что DLP 3D-печать не нарушает однородность материала по толщине изделия.

Термические исследования выявили, что добавление нитрата аммония снижает температуру начала разложения, однако его окислительной способности недостаточно для полного сжигания полимерного связующего в отличие от перхлората аммония, который обеспечивает полное разложение, что также было подтверждено исследованиями характера горения образцов.

Исследование проведено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. 

Источник: Томский государственный университет