Новосибирская компания запатентовала уникальную технологию получения композитных материалов на основе алюминиевых и медных сплавов с использованием углеродных нанотрубок.
Компания «Карбон тех» была создана в 2015 году. Резидент «Сколково» и новосибирского Технопарка занимается разработками в сфере инновационных наноуглеродных модифицирующих материалов. Сейчас работает над уникальной
технологией синтеза модификаторов на основе углеродных нанотрубок (УНТ), позволяющая вводить их непосредственно в расплав металлов. Вторым ключевым направлением деятельности является разработка технологии синтеза углеродных материалов для применения в суперконденсаторах (СК) и источниках тока. Также начаты работы по использованию наноуглеродных материалов в 3D печати.
Углеродные нанотрубки – материал XXI века
Научный руководитель компании «Карбон тех» – доктор химических наук, профессор Владимир Чесноков, эксперт в области механизмов формирования углеродных материалов на различных металлических и оксидных катализаторах. Его разработки по синтезу углеродов в промышленности была замечена на научном симпозиуме Виктором Рябых, тогда бывшим исполнительным директором нанотехнологического центра «Сигма». «Я понял, что у этой технологии большой потенциал. Углеродные нанотрубки делают многие, но введение углеродных модификаторов в расплавы металла – такого еще не было. Мы решили рискнуть», – вспоминает Виктор Рябых.
«Карбон тех» была зарегистрирована как технологическая компания, и без труда получила статус резидента Академпарка. Через год идея доктора Чеснокова была реализована и научно подтверждена.
«На данный момент введение УНТ в металлы возможно только в области порошковой металлургии, – рассказывает Виктор Рябых. – Но это дорогая технология. Введение трубок в порошок металла требуют специального подготовительного процесса, перестройки производственного цикла на предприятии, поэтому она не получила широкого распространения. Вся порошковая металлургия занимает не более 5% мирового рынка изделий из металла. А наша технология легко встраивается в существующую технологию литья металла без существенных затрат со стороны предприятия».
Углеродные нанотрубки – материал капризный. Они обладают высокой химической инертностью, низкой термической стабильностью и низкими показателями смачиваемости металлом, что не позволяет ввести УНТ в расплав металла без предварительной модификации. Идея доктора Чеснокова заключалась в том, что нужно сначала модифицировать углеродные материалы, а уже потом вводить модифицированный материал в расплав металла. В течение года технология была разработана, испытана и запатентована.
Производственные испытания прошли на кафедре металловедения и термической обработки металлов Сибирского федерального университета. Выплавленные образцы сплавов меди и алюминия на основе модифицирования УНТ показали отличные результаты: прочность увеличилась на 30%, при этом концентрация введения модифицированных материалов составила всего 0,03%. Не смотря на высокую стоимость УНТ, данная технология не приводит к существенному удорожанию производства за счет низких концентраций введения модификатора.
Самолеты, автомобили, ЛЭП
Технология «Карбон теха» имеет конкурентные преимущества. За счет улучшения механических свойств без потери электропроводности металлов можно существенно облегчить и удешевить материалы, применяемые в проводниках. Если, например, электропроводку в самолете (а это 10-15 километров) заменить на облегченную, модифицированную, то вес самолета значительно уменьшится, следовательно, меньше будет расход топлива. В автомобиле новые технологии позволят улучшить качество многих автокомпонентов, например, литых дисков.
Разработка новосибирских ученых будет интересна энергетикам. Алюминий – очень пластичный материал. Чтобы он не растягивался под собственным весом, используются композитные провода – сложные конструкции на основе стального троса или углеродного полотна. Средняя стоимость композитного провода – 850 рублей за метр. Специалисты «Карбон тех» подсчитали, что с помощью технологии армирования УНТ стоимость провода можно снизить до 300 рублей за метр, не уступая по характеристикам проводам нового поколения.
По аналогии с алюминием повышаются свойства модифицированной меди. Медь – основной материал для контактного провода. Обладая высокой электропроводностью, медные провода имеют один минус – недостаточную прочность, что является частой причиной повреждения контактных сетей. Ученые давно ищут альтернативный материал, который бы обладал хорошей электропроводностью, хорошей прочностью и низкой себестоимостью. Модифицированная медь, выплавленная по технологии «Карбон теха», прошла статические испытания в независимой лаборатории. Образцы показали высокую прочность и электропроводность.
Технология получения композитных материалов на основе алюминиевых и медных сплавов с использованием углеродных нанотрубок УНТ была признана фондом «Сколково» лучшим проектом в области формирования и исследования новых материалов в 2016 году. Компания «Карбон тех» вне конкурса получила статус резидента, что открыло новосибирским ученым путь в мировое научное сообщество, а также обеспечило финансирование – получен грант.
Суперконденсатор: быстро взять и отдать
Другое направление компании – применение модифицированных материалов в электрохимических источниках тока. Научный руководитель проекта Алексей Кузнецов держит в руках маленький пузырек: «Примерно такого размера выпускаются коммерческие суперконденсаторы. Наш суперконденсатор будет еще меньше, в виде электронной таблетки, а мощность – более тысячи фарад».
Суперконденсатор – накопительный источник энергии. В отличие от аккумуляторов, которые долго накапливают энергию и медленно ее отдают, суперконденсатор отличается импульсивностью – быстро накапливает заряд и мгновенно его отдает. Ключевая характеристика суперконденсатора – мощность.
Задача, над которой работал Алексей Кузнецов, – получение новых материалов для электродов и электролитов, позволяющих накапливать энергию уровня свинцовых аккумуляторов. «Свинцовые аккумуляторы есть в каждом автомобиле. Автомобилисты знают, что запустить машину в холодное время года невозможно без прогрева двигателя. А суперконденсатор, который дает мощный импульс, эту проблему решает», – объясняет научный сотрудник Кузнецов. По мнению ученого, суперконденсаторы незаменимы в космической, военной, авиапромышленности, системе защиты данных – там, где требуется мощный импульс энергии.
Материалом для суперконденсатора также стал углерод. Ученые протестировали различные его модификации (углеродные трубки, графен, активированный уголь) и выбрали самый перспективный, который позволит дать высокую электроемкость.
Объем мирового рынка суперконденсаторв стремительно растет. В 2016 году он составлял 460 миллионов долларов, в 2020 году экономисты прогнозируют более 1,1 миллиарда. Основные производители – в Китае, США, Японии и Корее. В России аналогов нет. Разработка «Карбон тех» открывает огромные перспективы для отечественной промышленности. Новосибирский завод «Оксид» уже стал партнером компании, предложив свою производственную площадку для испытаний. Независимые лабораторные тесты прошли в Китае и показали хорошие результаты. «Наши материалы позволят в два-три раза больше запасать энергии, чем свинцовые аккумуляторы. Они мощные и в то же время миниатюрные, меньше, чем это баночка», – Алексей снова показал пузырек с волшебным модификатором.
Разработка материалов на основе модифицированных углеродных матриц для суперконденсаторов стала лучшим проектом Академпарка в 2017 году. Совсем недавно компания получила еще одну награду: в рамках празднования дней российской науки в Новосибирске ООО «Карбон тех» признано лучшим инновационным предприятием – стартапом. Разработка технологии, позволяющая увеличить емкость суперконденсаторов в два раза, отмечена дипломом мэрии Новосибирска.
В ближайших планах компании – открытие собственного мелкосерийного производства модификаторов для тестирования на промышленных предприятиях. Также компания осваивает новое направление – применение углеродных модификаторов для модифицирования расходных материалов для 3D-принтеров. Первый заказ пришел Америки. Stony Brook Universiny (Нью-Йорк) обратился к новосибирским ученым с просьбой улучшить механические свойства конструкций для самолетов, получаемые при помощи 3D-печати. Присланные образцы наши ученые подвергнут модифицированию наноуглеродными материалами и отправят в США для тестов. В случае положительного результата это станет новым направлением в развитии компании.
