Tilda Publishing
ЖУРНАЛ
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ISSN 1028-978X (print)
ISSN 3033-733X (online)
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Tilda Publishing
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2024, № 9, аннотации статей
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Особенности применения установок Плазменный фокус в радиационном
и космическом материаловедении

А. С. Демин, Е. В. Морозов, Н. А. Епифанов, С. А. Масляев, В. Н. Пименов

Рассмотрены особенности применения установок Плазменный фокус (ПФ) в сфере радиационного и космического материаловедения, связанные со спецификой генерации в рабочих камерах ПФ нескольких видов излучений. Отмечено, что основную роль в повреждаемости и модифицировании структурного состояния поверхностных слоев материалов, облучаемых в катодной зоне рабочей камеры ПФ, играют мощные импульсные пучки ионов рабочего газа и потоки высокотемпературной плазмы нано- и микросекундного диапазона длительности импульса. Показано, что помимо распространенного комбинированного пучково-плазменного воздействия на образец-мишень установки ПФ допускают возможность раздельного облучения материала мишени ионным и плазменным потоками. Представлен обзор экспериментальных работ по разделению в установке ПФ импульсных потоков горячей плазмы и быстрых ионов в пространстве и во времени. Отмечено, что установки ПФ являются перспективным инструментом для решения фундаментальных и прикладных задач радиационного и космического материаловедения, в том числе для имитационных экспериментов, ориентированных на задачи термоядерной энергетики и аэрокосмической техники. Обсуждается возможность использования импульсов жёсткого рентгеновского излучения с длительностью импульса в наносекундном диапазоне, возникающих при разрядах в рабочей камере ПФ, для неразрушающей динамической дефектоскопии деталей машин и механизмов в процессе их работы.

Ключевые слова: импульсные потоки, плазма, ионы, плазменный фокус, космическое материаловедение, радиационное материаловедение.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-5-17
Дёмин Александр Сергеевич — Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119334, Москва, Ленинский проспект, 49), научный сотрудник, специалист в области радиационного материаловедения. E-mail: casha@bk.ru.
Морозов Евгений Вадимович — Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119334, Москва, Ленинский проспект, 49), научный сотрудник, специалист в области наноматериалов. E-mail: lieutenant@list.ru.
Епифанов Никита Андреевич — Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН (119334, Москва, Ленинский проспект, 49), младший научный сотрудник. E-mail: mophix94@gmail.com.
Масляев Сергей Алексеевич — Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119334, Москва, Ленинский проспект, 49), кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, специалист в области радиационного и космического материаловедения. E-mail: maslyaev@mail.ru.
Пименов Валерий Николаевич — Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119334, Москва, Ленинский проспект, 49), доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, специалист в области радиационного и космического материаловедения. E-mail: pimval@mail.ru.
Ссылка на статью:
Демин А.С., Морозов Е.В., Епифанов Н.А., Масляев С.А., Пименов В.Н. Особенности применения установок Плазменный фокус в радиационном и космическом материаловедении. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 5 – 17. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-5-17
Литература содержит 41 ссылку.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Демин А.С., Морозов Е.В., Епифанов Н.А., Масляев С.А., Пименов В.Н. Особенности применения установок Плазменный фокус в радиационном и космическом материаловедении. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 5 – 17. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-5-17
1. Lee S., Lee P., Zhang G., Feng X., Gribkov V., Liu M., Serban A., Wong T.K.S. High rep rate high performance plasma focus as a powerful radiation source. IEEE Trans. Plasma Sci., 1998, v. 26, pp. 1119  1126. DOI: 10.1109/27.725141
2. Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А., Якушин В.Л. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов. М.: Круглый год, 2001, 528 с. / Gribkov V.A., Grigoriev F.I., Kalin B.A., Yakushin V.L. Perspektivnye radiacionno-puchkovye tekhnologii obrabotki materialov [Promising radiation beam technologies for material processing]. Moscow, Kruglyj god Publ., 2001, 528 p. (In Russ.).
3. Gribkov V.A., Banaszak A., Bienkowska B., Dubrovsky A.V., Ivanova-Stanik I., Jakubowski L., Karpinski L., Miklaszewski R.A., Paduch M., Sadowski M.J., Scholz M., Szydlowski A., Tomaszewski K. Plasma dynamics in the PF-1000 device under full - scale energy storage: II. Fast electron and ion characteristics versus neutron emission parameters and gun optimization perspectives. J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, v. 40, pp. 3592  3607. DOI:10.1088/0022-3727/40/12/008
4. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. (Гл. редактор академик Фортов В.Е.). Серия Б. Том IX-3. Радиационная плазмодинамика (под ред. Грибкова В.А.). М.: Янус-К, 2007, 590 с./ Enciklopediya nizkotemperaturnoj plazmy [Encyclopedia of low temperature plasma]. (Ed. by akad. Fortov V.E.). Seriya B. Tom IX-3. Radiacionnaya plazmodinamika [Series B. Volume IX-3. Radiation plasmodynamics]. (Ed. by Gribkov V.A.). Moscow, Yanus-K Publ., 2007, 590 p. (In Russ.).
5. Крауз В.И., Ананьев С.С., Данько С.А. и др. Исследование импульсных плазменных потоков, создаваемых в нецилиндрических z-пинчевых системах, электронно-оптическими методами. ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2013, т. 36, № 4, с. 102 – 110./ Krauz V.I., Ananev S.S., Danko S.A. et al. Issledovanie impulsnykh plazmennykh potokov, sozdavaemykh v netsilindricheskikh z-pinchevykh sistemakh, elektronno-opticheskimi metodami [Investigation of the pulsed plasma flow, generated in non-cylindrical z-pinch systems, by electron-optical methods]. VANT. Ser. Termoiadernyi sintez [Problems of Atomic Science and Technology. Series Thermonuclear fusion], 2013, v. 36, no. 4, pp. 102 – 110. (In Russ.).
6. Dulatov A.K., Lemeshko B.D., Mikhailov Yu.V. et al. Generation of hard x-ray emission by the electron beam in plasma focus facilities. Plasma Physics Reports, 2014, v. 40, no. 11, pp. 902  909. doi: 10.1134/S1063780X14100031
7. Дулатов А.К., Лемешко Б.Д., Михайлов Ю.В., Прокуратов И.А., Селифанов А.Н. Экспериментальное изучение параметров жесткого рентгеновского излучения установок плазменного фокуса. ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2016, т. 39, № 3, с. 66 – 72. / Dulatov A.K., Lemeshko B.D., Mikhailov Iu.V., Prokuratov I.A., Selifanov A.N. Eksperimentalnoe izuchenie parametrov zhestkogo rentgenovskogo izlucheniia ustanovok plazmennogo fokusa [Experimantal study of hard x-ray parameters in plasma focus devices]. VANT. Ser. Termoiadernyi sintez [Problems of Atomic Science and Technology. Series Thermonuclear fusion], 2016, v. 39, no. 3, pp. 66 – 72. (In Russ.).
8. Akel M., Alsheikh Salo S., Ismael Sh., Saw S.H., Lee S. Deuterium plasma focus as a tool for testing materials of plasma facing walls in thermonuclear fusion reactors. J. Fusion Energ., 2016, v. 35, pp. 694 – 701. DOI 10.1007/s10894-016-0092-z
9. Ivanov L.I., Dedurin A.I., Borovitskaya I.V., Krokhin O.N., Nikulin V.Ya., Polukhin S.N., Tikhomirov A.A., Fedotov A.S. Plasma focus installations as a tool for study of the interaction of high power plasma streams with condensed matter. Problems of atomic science and technology. Series: Plasma phycics, 2002, v. 8, no. 5, pp. 83 – 85.
10. Rawat R.S., Zhang T., Thomas Gan K.S., Lee P., Ramanujan R.V. Nano-structured Fe thin film deposition using plasma focus device. Applied Surface Science, 2006, v. 253, pp. 1611 – 1615.
11. Feugeas J., Rico L., Nosei L., Gomez B., Bemporad E., Lesage J., Ferron J. Austenite modification of AISI 316L SS by pulsed nitrogen ion beams generated in dense plasma focus discharges. Surface and Coatings Technology, 2010, v. 204, pp. 1193 – 1199.
12. Saw S., Damideh V., Ali J., Rawat R., Lee P., Lee S. Damage study of irradiated tungsten using fast focus mode of a 2.2 kJ plasma focus. Vacuum, 2017, v. 144, pp. 14 – 20.
13. Roshan M.V., Roshan N.V., Seong Ling Yap. High energy ion beams from the plasma focus. Applied Radiation and Isotopes, 2022, v. 185, art. 110224.
14. Roshan M.V., Rawat R.S., Babazadeh A.R., Emami M., Sadat Kiai S.M., Verma R., Lin J.J., Talebitaher A.R., Lee P., Springham S.V. High energy ions and energetic plasma irradiation effects on aluminum in a Filippov-type plasma focus. Applied Surface Science, 2008, v. 255, pp. 2461 – 2465.
15. Qi N., Fulghum S.F., Prasad R.R., Krishnan M. Space and time resolved electron density and current measurements in a dense plasma focus z-pinch. IEEE Trans. Plasma Sci., 1998, v. 26, pp. 1127 – 1137.
16. Choi P., Deeney C., Herold H., Wong C.S. Characterization of self-generated intense electron beams in a plasma focus. Laser and Particles Beams, 1990, v. 8, pp. 469 – 476.
17. Rawat, R.S., Zhang T., Lim G.J. et al. Soft X-ray imaging using a neon filled plasma focus X-ray source. Journal of Fusion Energy, 2004, v. 23, no. 1, pp. 49 – 53.
18. Zakaullah M., Alamgir K., Shafiq M. et al. Characteristics of x-rays from a plasma focus operated with neon gas. Plasma Sources Sci. Technol., 2002, v. 11, pp. 377 – 382.
19. Raspa V., Sigaut L.; Llovera R. et al. Plasma focus as a powerful hard x-ray source for ultrafast imaging of moving metallic objects. Braz. J. Phys., 2004, v. 34, pp. 1696 – 1699.
20. Clausse, A., Soto, L., Tarifeno-Saldivia, A. Influence of the anode length on the neutron emission of a 50 J plasma focus: Modeling and experiment. IEEE Trans. Plasma Sci., 2015, v. 43, pp. 629 – 636.
21. Bernard A., Cloth P., Conrads H. et al. Dense plasma focus—high intensity neutron source. Nuclear Instrum. Methods, 1977, v. 145, pp. 191 – 218. doi:10.1016/0029-554x(77)90569-9
22. Soto L. New trends and future perspectives on plasma focus research. Plasma Phys. Control. Nucl. Fusion, 2005, v. 47, pp. A361–A381.
23. Rawat R.S. Dense plasma focus - from alternative fusion source to versatile high energy density plasma source for plasma nanotechnology. Journal of Physics: Conference Series, 2015 v. 591, art. 012021.
24. Боровицкая И.В., Иванов Л.И., Дедюрин А.И., Крохин О.Н., Никулин В.Я., Тихомиров А.А. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на ванадий. Перспективные материалы, 2003, № 2, с. 24 – 27. / Borovitskaia I.V., Ivanov L.I., Dediurin A.I., Krokhin O.N., Nikulin V.Ya., Tikhomirov A.A. Vozdeistvie vysokotemperaturnoi impulsnoi deiterievoi plazmy na vanadii [Effect of high temperature pulsed deuterium plasma on vanadium]. Perspektivnye Materialy [Advanced Materials], 2003, no. 2, pp. 24 – 27. (In Russ.).
25. Грибков В.А., Демин А.С., Демина Е.В., Дубровский А.В., Масляев С.А., Пименов В.Н., Прусакова М.Д., Сасиновская И.П., Шольц М., Карпинский Л. Воздействие экстремальных потоков энергии на хромомарганцевую аустенитную сталь Х12Г14Н4ЮМ, модифицированную скандием. Физика и xимия обработки материалов, 2012, № 4, с. 5 – 12. / Gribkov V.A., Demin A.S., Demina E.V., Dubrovskii A.V., Maslyaev S.A., Pimenov V.N., Prusakova M.D., Sasinovskaia I.P., Sholts M., Karpinskii L. Vozdeistvie ekstremalnykh potokov energii na khromomargantsevuiu austenitnuiu stal Kh12G14N4IuM, modifitsirovannuiu skandiem [The effect of extreme energy flows on chromium manganese austenitic steel Cr12Mn14Ni4AlMo modified with scandium]. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov [Physics and Chemistry of Materials Treatment], 2012, no. 4, pp. 5 – 12. (In Russ.).
26. Латышев С.В., Грибков В.А., Масляев С.А., Пименов В.Н., Падух М., Желиньска Э. Генерация ударных волн в материаловедческих экспериментах на установках плазменный фокус. Перспективные материалы, 2014, № 8, с. 5 – 12. / Latyshev S.V., Gribkov V.A., Maslyaev S.A., Pimenov V.N., Padukh M., Zhelinska E. Generatsiia udarnykh voln v materialovedcheskikh eksperimentakh na ustanovkakh plazmennyi focus [Generation of the shock waves in the material science experimentswith dense plasma focus device]. Perspektivnye Materialy [Advanced Materials], 2014, no. 8, pp. 5 – 12. (In Russ.).
27. Демин А.С., Масляев С.А., Пименов В.Н., Грибков В.А., Демина Е.В., Латышев С.В., Ляховицкий М.М., Сасиновская И.П., Бондаренко Г.Г., Гайдар А.И., Падух М. Воздействие мощных импульсных потоков ионов дейтерия и дейтериевой плазмы на молибденовую пластину. Физика и химия обработки материалов, 2017, № 6, c. 5 – 17. / Demin A.S., Maslyaev S.A., Pimenov V.N., Gribkov V.A., Demina E.V., Latyshev S.V., Liakhovitskii M.M., Sasinovskaia I.P., Bondarenko G.G., Gaidar A.I., Padukh M. Vozdeistvie moshchnykh impulsnykh potokov ionov deiteriia i deiterievoi plazmy na molibdenovuiu plastinu [The effect of powerful pulsed fluxes of deuterium ions and deuterium plasma on a molybdenum plate.]. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov [Physics and Chemistry of Materials Treatment], 2017, no. 6, pp. 5 – 17. (In Russ.).
28. Грибков В.А., Демина Е.В., Дубровский А.В., Иванов Л.И., Ковтун А.В., Лаас Т.И., Масляев С.А., Пименов В.Н., Тартари А., Угасте Ю.Э., Шольц М. Воздействие импульсных потоков плотной дейтериевой и водородной плазмы на ферритные и аустенитные стали в установке плазменный фокус. Перспективные материалы, 2008, № 1, с. 16 – 25. / Gribkov V.A., Demina E.V., Dubrovskii A.V., Ivanov L.I., Kovtun A.V., Laas T.I., Maslyaev S.A., Pimenov V.N., Tartari A., Ugaste Iu.E., Sholts M. Vozdeistvie impulsnykh potokov plotnoi deiterievoi i vodorodnoi plazmy na ferritnye i austenitnye stali v ustanovke plazmennyi focus [The effect of pulsed flows of dense deuterium and hydrogen plasma on ferritic and austenitic steels in the installation plasma focus]. Perspektivnye Materialy [Advanced Materials], 2008, no. 1, pp. 16 – 25. (In Russ.).
29. Демина Е.В., Иванов Л.И., Масляев С.А. Пименов В.Н., Сасиновская И.П., Грибков В.А., Дубровский А.В. Модифицирование поверхностных слоев стальных труб импульсными потоками ионов и высокотемпературной плазмы. Перспективные материалы, 2008, № 5, с. 41 – 48. / Demina E.V., Ivanov L.I., Maslyaev S.A. Pimenov V.N., Sasinovskaia I.P., Gribkov V.A., Dubrovskii A.V. Modifitsirovanie poverkhnostnykh sloev stalnykh trub impulsnymi potokami ionov i vysokotemperaturnoi plazmy [Modification of surface layers of steel tubes by pulsed flows of ions and high temperature plasma]. Perspektivnye Materialy [Advanced Materials], 2008, no. 5, pp. 41 – 48. (In Russ.).
30. Масляев С.А., Пименов В.Н., Грибков В.А., Демин А.С. Повреждаемость хромомарганцевых сталей импульсными потоками ионов и плотной плазмы при их раздельном воздействии на материал в установке Плазменный фокус. Перспективные материалы, 2011, № 1, с. 15 – 22. / Maslyaev S.A., Pimenov V.N., Gribkov V.A., Demin A.S. Povrezhdaemost khromomargantsevykh stalei impulsnymi potokami ionov i plotnoi plazmy pri ikh razdelnom vozdeistvii na material v ustanovke Plazmennyi focus [Damage to chromium-manganese steels by pulsed flows of ions and dense plasma when they act separately on the material in the Plasma Focus installation]. Perspektivnye Materialy [Advanced Materials], 2011, no. 1, pp. 15 – 22. (In Russ.).
31. Грибков В.А., Демин А.С., Демина Е.В., Дубровский А.В., Карпинский Л., Масляев С.А., Падух М., Пименов В.Н., Шольц М. Физические процессы, протекающие при взаимодействии импульсных ионных и плазменных потоков с поверхностью мишени в форме пластины и трубы в рабочей камере установки Плазменный фокус. Прикладная физика, 2011, № 3, c. 43 – 51. / Gribkov V.A., Demin A.S., Demina E.V., Dubrovskii A.V., Karpinskii L., Maslyaev S.A., Padukh M., Pimenov V.N., Sholts M. Fizicheskie protsessy, protekaiushchie pri vzaimodeistvii impulsnykh ionnykh i plazmennykh potokov s poverkhnostiu misheni v forme plastiny i truby v rabochei kamere ustanovki Plazmennyi focus [Physical processes occurring during the interaction of pulsed ion and plasma flows with the surface of a target in the form of a plate and tube in the working chamber of the Plasma Focus installation]. Prikladnaia fizika [Applied Physics], 2011, no. 3, pp. 43 – 51. (In Russ.).
32. Gribkov V.A., Paduch M., Zielinska E., Demin A.S., Demina E.V., Kazilin E.E., Latyshev S.V., Maslyaev S.A., Morozov E.V., Pimenov V.N. Comparative analysis of damageability produced by powerful pulsed ion/plasma streams and laser radiation on the plasma-facing W samples. Radiation Physics and Chemistry, 2018, v. 150, pp. 20 – 29
33. Демин А.С., Морозов Е.В., Масляев С.А., Пименов В.Н., Грибков В.А., Демина Е.В., Сасиновская И.П., Сиротинкин В.П., Спрыгин Г.С., Бондаренко Г.Г., Тихонов А.Н., Гайдар А.И. Влияние мощных потоков ионов дейтерия и дейтериевой плазмы на структурное состояние поверхностного слоя титана. Физика и химия обработки материалов, 2016, № 6, c. 42 – 50. / Demin A.S., Morozov E.V., Maslyaev S.A., Pimenov V.N., Gribkov V.A., Demina E.V., Sasinovskaia I.P., Sirotinkin V.P., Sprygin G.S., Bondarenko G.G., Tikhonov A.N., Gaidar A.I. Vliianie moshchnykh potokov ionov deiteriia i deiterievoi plazmy na strukturnoe sostoianie poverkhnostnogo sloia titana [Influence of powerful flows of deuterium ions and deuterium plasma on the structural state of the surface layer of titanium]. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov [Physics and Chemistry of Materials Treatment], 2016, no. 6, pp. 42 – 50. (In Russ.).
34. Боровицкая И.В., Дёмин А.С., Епифанов Н.А., Латышев С.В., Масляев С.А., Михайлова А.Б, Морозов Е.В., Пименов В.Н., Сасиновская И.П., Бондаренко Г.Г., Гайдар А.И. Комбинированная обработка титана импульсными потоками ионов гелия и гелиевой плазмы. Металлы, 2022, № 5, c. 31 – 40. / Borovitskaya I.V., Demin A.S., Epifanov N.A., Latyshev S.V., Maslyaev S.A., Mikhailova A.B., Morozov E.V., Pimenov V.N., Sasinovskaia I.P., Bondarenko G.G., Gaidar A.I. Combined pulsed helium ion and helium plasma treatment of titanium. Russian Metallurgy (Metally), 2022, no. 9, pp. 1010 – 1018. https://doi.org/10.1134/S0036029522090051
35. Пименов В.Н., Грибков В.А., Иванов Л.И., Шольц М., Угасте Ю.Э., Демина Е.В., Масляев С.А., Дубровский А.В., Миклашевский Р., Колман Б., Коденцов А. О новых возможностях применения установок Плазменный фокус для модифицирования поверхностных слоев материалов. Перспективные материалы, 2003, № 1, с. 13 – 23. / Pimenov V.N., Gribkov V.A., Ivanov L.I., Sholts M., Ugaste Iu.E., Demina E.V., Maslyaev S.A., Dubrovskii A.V., Miklashevskii R., Kolman B., Kodentsov A. O novykh vozmozhnostiakh primeneniia ustanovok Plazmennyi fokus dlia modifitsirovaniia poverkhnostnykh sloev materialov [Use of plasma focus equipment for materials surface layers modification]. Perspektivnye Materialy [Advanced Materials], 2003, no. 1, pp. 13 – 23. (In Russ.).
36. Бондаренко Г.Г. Радиационная физика, структура и прочность твердых тел. М.: Лаборатория знаний, 2016, 462 с. / Bondarenko G.G. Radiatsionnaia fizika, struktura i prochnost tverdykh tel [Radiation physics, structure and strength of solids]. Moskow, Laboratoriia znanii Publ., 2016, 462 p. (In Russ.).
37. Грибков В.А., Латышев С.В., Масляев С.А., Пименов В.Н. Численное моделирование взаимодействия импульсных потоков энергии с материалом в установках Плазменный фокус. Физика и химия обработки материалов, 2011, № 6, c. 16 – 22. / Gribkov V.A., Latyshev S.V., Maslyaev S.A., Pimenov V.N. Chislennoe modelirovanie vzaimodeistviia impulsnykh potokov energii s materialom v ustanovkakh Plazmennyi focus [Numerical modeling of the interaction of pulsed energy flows with material in Plasma Focus installations]. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov [Physics and Chemistry of Materials Treatment], 2011, no. 6, pp. 16 – 22. (In Russ.).
38. Чалмерс Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968, 288 с. / Chalmers B. Principles of solidification. Wiley series on the science and technology of materials. First Edition. 1964, 319 p.
39. Грибков В.А., Пименов В.Н. Мощные импульсные потоки энергии в фундаментальных и прикладных исследованиях в области радиационного материаловедения, биологии и медицины. Сб. трудов “Институту металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН 75 лет”. Москва, Интерконтакт наука, 2013, с. 294 – 316. / Gribkov V.A., Pimenov V.N. Moshchnyye impul’snyye potoki energii v fundamental’nykh I prikladnykh issledovaniyakh v oblasti radiatsionnogo materialovedeniya, biologii i meditsiny [Powerful pulsed energy flows in fundamental and applied research in the field of radiation materials science, biology and medicine]. Sb. trudov «Institutu metallurgii i materialovedeniya im. A.A. Baykova RAN 75 let» [Collection of works “The A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences is 75 years old”]. Moskva, Interkontakt nauka, 2013, s. 294 – 316.
40. Dubrovsky A.V., Silin P.V., Gribkov V.A., Volobuev I.V. DPF device application in the material characterization. Nukleonika, 2000, v. 45, no 3, pp. 185 – 187.
41. Kanani A., Shirani B., Jabbari I., Mokhtari J. Assessment of image quality in X-ray radiography imaging using a small plasma focus device. Radiat. Phys. Chem., 2014, v. 101, 59 – 65. https://doi. org/10.1016/j.radphyschem.2014.04.010
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Разработка и исследования перспективного материала
для высокомощных фторуглеродных катодов

П. Д. Иванов, И. А. Пуцылов, С. Е. Смирнов

Разработан оригинальный метод синтеза оксида ванадия серебра (Ag2V4O11), включающий механоактивацию смеси пентаоксида ванадия и нитрата серебра на планетарной мельнице с последующей термообработкой в муфельной печи при температуре 700 °С в течении 5 ч в воздушной атмосфере и обеспечивающий выход продукта 99,5 % в высокодисперсном состоянии. Установлено, что введение 8 масс. % Ag2V4O11позволило вдвое улучшить поляризационные характеристики в сравнении с обычным (CFx)n образцом. Показано, что при плотности разрядного тока выше 1,0 мА/см2 наблюдается существенное снижение разрядной удельной емкости и среднеразрядного потенциала у традиционного (CFx)n образца и у образцов с малым содержанием оксида ванадия серебра. Увеличение содержания Ag2V4O11 свыше 8 масс. % приводит к снижению удельной емкости образцов из-за более низкой энергоемкости данного материала по сравнению с энергоемкостью (CFx)n. Наивысшей энергоемкостью при более высоком разрядном потенциале обладает образец с 8 масс. % содержанием оксида ванадия серебра (630 (мА·ч)/г, а у традиционного образца — 570 (мА·ч)/г). Электроды на основе композиции фторуглерод – оксид ванадия серебра и первичные элементы на их основе по емкости, стабильности и сохраняемости превосходят известные аналоги.
Ключевые слова: оксид ванадия серебра, литий, фторуглерод, катод, разряд, ток.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-18-23
Иванов Павел Дмитриевич — Национальный исследовательский университет “МЭИ” (111250 Москва, Красноказарменная ул., 14), аспирант, специалист в области химических источников тока. E-mail: pa1995@mail.ru.
Пуцылов Иван Александрович — Национальный исследовательский университет “МЭИ” (111250 Москва, Красноказарменная ул., 14), кандидат технических наук, доцент, cпециалист в области электрохимии. E-mail: Putsylov@yandex.ru.
Смирнов Сергей Евгеньевич — Национальный исследовательский университет “МЭИ” (111250 Москва, Красноказарменная ул., 14), доктор технических наук, профессор, cпециалист в области химических источников тока. E-mail: sesmirnov53@mail.ru.
Ссылка на статью:
Иванов П.Д., Пуцылов И.А., Смирнов С.Е. Разработка и исследования перспективного материала для высокомощных фторуглеродных катодов. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 18 – 23. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-18-23
Литература содержит 15 ссылок.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Иванов П.Д., Пуцылов И.А., Смирнов С.Е. Разработка и исследования перспективного материала для высокомощных фторуглеродных катодов. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 18 – 23. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-18-23
1. Watanabe N., Fukuda M. Primary cell for electric batteries. US Patent no. 3536532. Declared 27.10.1970.
2. Toyoguchi Y., Iijima T., Fukuda M. Active material for positive electrode of battery. US Patent no. 4271242. Declared 02.06.1981.
3. Фатеев С.А. Тенденции развития источников тока для имплантируемых медицинских приборов. Вестник МЭИ, 2018, т. 2, с. 102  113./. Fateev S.A. Tendencii razvitiya istochnikov toka dlya implantiruemyh medicinskih priborov [Trends in the development of current sources for implantable medical devices]. Vestnik MEI [Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute], 2018, v. 2, pp. 102  113. (In Russ.).
4. Dai Y., Fang Y., Cai S., Wu L., Yang W. et al. Surface modified pinecone shaped hierarchical structure fluorinated mesocarbon microbeads for ultrafast discharge and improved electrochemical performances. Journal of The Electrochemical Society, 2017, v.164, no. 2, pp. A1  A7.
5. Leung K., Schorr N., Mayer M., Lambert T., Meng Y., Harrison K. Edge-propagation discharge mechanism in CFx batteries  A first principles and experimental study. Chemistry of Materials, 2021, v. 33, pp. 1760  1770.
6. Jayasinghe R., Thapa A., Dharmasena R., Nguyen T., Pradhan B. et al. Optimization of multi-walled carbon nanotube based CF electrodes for improved primary and secondary battery performances. Journal of Power Sources, 2014, v. 253, pp. 404 – 411.
7. Chen G., Cao F., Li Z., Fu J., Wu B., Liu Y., Jian X. Helical fluorinated carbon nanotubes/iron(iii) fluoride hybrid with multilevel ransportation channels and rich active sites for lithium/fluorinated carbon primary battery. Nanotechnology Reviews, 2023, v. 12, no. 1, art. 20230108.
8. Пуцылов И.А., Негородов М.В., Иванов П.Д., Смирнов С.Е., Фатеев С.А. Повышение энергоотдачи фторуглеродного катода. Электрохимическая энергетика, 2020, т. 20, № 2, с. 61 – 67./. Putsylov I.A., Negorodov M.V., Ivanov P.D., Smirnov S.E., Fateev S.A. Povyshenie energootdachi ftoruglerodnogo katoda [Increasing the energy output of a fluorocarbon cathode]. Elektrohimicheskaya energetika [Electrochemical Energetics], 2020, v. 20, no. 2, pp. 61 – 67. (In Russ.).
9. Ahmad Y., Guérin, K., Dubois M., Zhang W., Hamwi A. Enhanced performances in primary lithium batteries of fluorinated carbon nanofibres through static fluorination. Electrochimica Acta, 2013. v. 114, pp. 142 – 151.
10. Фатеев С.А., Пуцылов И.А., Смирнов С.Е., Фомин Д.В. Литий-фторуглеродный источник тока для гастроскопии. Электрохимическая энергетика, 2017, т.17, № 3, с. 23 – 29./. Fateev S.A., Putsylov I.A., Smirnov S.E., Fomin D.V. Litii-ftoruglerodnii istochnik toka [Lithium-fluorocarbon current source for gastroscopy.]. Elektrohimicheskaya energetika [Electrochemical Energetics], 2017, v. 17, no. 2, pp. 23 – 29. (In Russ.).
11. Luo Z., Wang X., Chen D., Chang Q., Xie S. et al. Ultrafast Li/fluorinated graphene primary batteries with high energy density and power density. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, v. 13, no. 16, pp. 18809 – 18820.
12. Le Calvez E., Crosnier O., Brousse Thierry. Ag2V4O11: from primary to secondary battery. Journal of Solid State Electrochemistry, 2022, v. 26, pp. 1951 – 1960.
13. Nieves I., Yew R., Greenbaum S., Sideris P. Transfer in Li/CFx-Silver vanadium oxide hybrid cathode batteries revealed by solid state 7Li and 19F nuclear magnetic resonance. Journal of Power Sources, 2014, v. 254, pp. 293 – 297.
14. Смирнов С.Е., Пуцылов И.А., Иванов П.Д., Фатеев С.А. Способ изготовления активной массы катода литиевого источника тока. Патент РФ № 2800976. Заявлен 14.03.2023. Опубл. 01.08.2023./. Smirnov S.E., Putsylov I.A., Ivanov P.D., Fateev S.A. Sposob izgotovleniya aktivnoj massy katoda litievogo istochnika toka [Method of manufacturing the active mass of the cathode of a lithium current source]. Patent RF no. 2800976. Declared 14.03.2023. Publ. 01.08.2023.
15. Zlokazov V.B., Chernyshev V.V. MRIA – a program for a full profile analysis of powder multiphase neutron-diffraction time-of-flight (direct and Fourier) spectra. J. Appl. Cryst., 1992, v. 25, рp. 447 – 451.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Бактериостатический и бактерицидный эффекты органо-неорганического гибридного
материала йодид меди-полипиррол

А. О. Конаков, М. В. Дмитриева, К. В. Горьков, Е. В. Золотухина

Органо-неорганический гибридный (ОНГ) материал йодид меди-полипиррол (CuI-PPy), полученный однореакторным методом в водных смешанных растворах прекурсоров, применяли в качестве бактериостатического и бактерицидного средства на средах, содержащих культуру Escherichia coliBB. Внесение в культуральные среды материала ОНГ в концентрации 1 мг/мл подавляло рост E.coli в течение 60 ч, после чего эффективность бактериостатического действия составила более 80 %. Использование CuI-PPy в качестве добавки к лакокрасочному покрытию приводит к гибели бактерий через 1 ч контакта раствора с клетками бактерий со стеклянными пластинами, покрытыми модифицированной CuI-PPy лакокрасочными покрытиями. После 12 ч контакта бактерицидный эффект пленки, модифицированной CuI-PPy, остается неизменным. Обсуждены преимущества использования ОНГ материала по сравнению с чистым CuI.

Ключевые слова: бактериостатический эффект, бактерицидный эффект, E. coli, CuI, CuI-PPy.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-24-32
Конаков Артём Олегович — ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН (142432 Черноголовка, МО, проспект ак. Семенова, 1), младший научный сотрудник, специалист в области электрохимического осаждения металлов и сплавов, получения наноматериалов и органо-неорганических гибридов, амперометрических сенсоров. E-mail: artjom7777@gmail.com.
Дмитриева Мария Валерьевна — ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН (142432 Черноголовка, МО, проспект ак. Семенова, 1), младший научный сотрудник, специалист в области биоэлектрокатализа и биотопливных элементов. E-mail: angel.maria@mail.ru.
Горьков Константин Владимирович — ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН (142432 Черноголовка, МО, проспект ак. Семенова, 1), кандидат химических наук, научный сотрудник, специалист в области электрокатализаторов окисления спиртов, альдегидов, получения наноматериалов и органо-неорганических гибридов. E-mail: gorkovk@yandex.ru.
Золотухина Екатерина Викторовна — ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН (142432 Черноголовка, МО, проспект ак. Семенова, 1), доктор химических наук, главный научный сотрудник; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), (141701 Долгопрудный, МО, Институтский переулок, 9), профессор, специалист в области биоэлектрокатализа, амперометрических биосенсоров, электрокатализаторов окисления спиртов, альдегидов, создания органо-неорганических гибридов и наноструктурированных композитных катализаторов. E-mail: zolek.ya@yandex.com.
Ссылка на статью:
Конаков А.О., Дмитриева М.В., Горьков К.В., Золотухина Е.В. Бактериостатический и бактерицидный эффекты органо-неорганического гибридного материала йодид меди-полипиррол. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 24 – 32. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-24-32
Литература содержит 28 ссылок.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Конаков А.О., Дмитриева М.В., Горьков К.В., Золотухина Е.В. Бактериостатический и бактерицидный эффекты органо-неорганического гибридного материала йодид меди-полипиррол. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 24 – 32. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-24-32
1. Alkhudhiri A., Darwish N., Hilal N. Membrane distillation: A comprehensive review. Desalination, 2012, v. 287, pp. 2- 12.
2. Drioli E., Ali A., Macedonio F. Membrane distillation: Recent developments and perspectives. Desalination, 2015, v. 356, pp. 56 - 84.
3. Woo Yu.Ch., Tijing L.D., Park M.J., Yao M., Choi J.-S., Lee S., Kim S.-H., An K.-J., Shon H.K. Electrospun dual-layer nonwoven membrane for desalination by air gap membrane distillation. Desalination, 2017, v. 404, pp. 187 – 198.
4. El-Bourawi M.S., Ding Z., Ma R., Khayet M. A framework for better understanding membrane distillation separation process. J. Membr. Sci., 2006, v. 285, pp. 4  29.
5. Essalhi M., Khayet M. Surface segregation of fluorinated modifying macromolecule for hydrophobic/hydrophilic membrane preparation and application in air gap and direct contact membrane distillation. J. Membr. Sci., 2012, v. 417 - 418, pp. 163 - 173.
6. Gancarz I., Bryjak M., Kujawski J., Wolska J., Kujawa J., Kujawski W. Plasma deposited fluorinated films on porous membranes. Mater. Chem. Phys., 2015, v. 151, pp. 233  242.
7. Agbaje T.A., Al-Gharabli S., Mavukkandy M.O., Kujawa J., Arafar H.A. PVDF/magnetite blend membranes for enhanced flux and salt rejection in membrane distillation. Desalination, 2018, v. 436, pp. 69- 80.
8. Wang J., Chen X., Reis R., Chen Zh., Milne N., Winther-Jensen B., Kong L., Dumee L.F. Plasma modification and synthesis of membrane materials – A mechanistic review. Membranes, 2018, v. 8, art. 56.
9. Кравец Л.И., Гильман А.Б. Модифицирование трековых мембран с использованием низкотемпературной плазмы. Изв. вузов. Химия и хим. технология, 2018, т. 61, № 45, с. 4  30. / Kravets L.I., Gilman A.B. Modification of track-etched membranes by low-temperature plasma. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.], 2018, v. 61, no. 4-5, pp. 4 - 30. (In Russ.).
10. Кравец Л.И., Гильман А.Б., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Формирование ‘diode-like’ композитных мембран методом полимеризации в плазме. Перспективные материалы, 2017, № 9, с. 5  21. / Kravets L.I., Gilman A.B., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Formation of diode-like composite membranes by plasma polymerization. Inorg. Mater.: Appl. Res., 2018, v. 9, no. 2, pp. 162 - 174.
11. Kravets L.I., Dmitriev S.N., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Structure and electrochemical properties of track membranes with a polymer layer obtained by plasma polymerization of acetylene. J. Phys. Confer. Ser., 2014, v. 516, art. 012006.
12. Kravets L.I., Dmitriev S.N., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Fabrication and electrochemical properties of polymer bilayered membranes. Surf. Coat. Technol., 2011, v. 205, s. 2, pp. 455 - 461.
13. Chapman Ch.I., Bhattacharyya D., Eberhart R.C., Timmons R.B., Chuong Ch.-J. Plasma polymer thin film depositions to regulate gas permeability through nanoporous track etched membranes. J. Membr. Sci., 2008, v. 318, pp. 137 - 144.
14. Daoud W.A., Xin J.H., Zhang Y.H., Mak C.L. Pulsed laser deposition of superhydrophobic thin teflon films on cellulosic fibers. Thin Solid Films, 2006, v. 515, pp. 835 - 837.
15. Drabik M., Polonskaya O., Kylian O., Cechvala J., Artemenko A., Gordeev I., Choukourov A., Slavinska D., Matolinova I., Biederman H. Super-hydrophobic coatings prepared by RF magnetron sputtering of PTFE. Plasma Process. Polym., 2010, v. 7, pp. 544 – 551.
16. Satulu V., Mitu B., Pandele A.M., Voicu S.I., Kravets L., Dinescu G. Composite polyethylene terephthalate track membranes with thin teflon-like layers: preparation and surface properties. Appl. Surf. Sci., 2019, v. 476, pp. 452 – 459.
17. Henda R., Wilson G., Gray-Munro J., Alshekhli O., McDonald A.M. Henda R., Wilson G., Gray-Munro J., Alshekhli O., McDonald A.M. Preparation of polytetrafluoroethylene by pulsed electron ablation: Deposition and wettability aspects. Thin Solid Films, 2012, v. 520, pp. 1885 – 1889.
18. Kravets L.I., Altynov V.A., Gilman A.B., Yablokov M.Yu., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Deposition of fluorinated polymer films onto track-etched membrane surface. Rom. Rep. Phys. 2018, v. 70, art. 516.
19. Ярмоленко М.А., Рогачев А.А., Лучников П.А., Рогачев А.В., Джанг Сянь Хун. Микро- и нанокомпозиционные полимерные покрытия, осаждаемые из активной газовой фазы. Под ред. А.В. Рогачева. Москва: Радиотехника, 2016, 424 с. / Yarmolenko M.A., Rogachev A.A., Luchnikov P.A., Rogachev A.V., Zhang S.K. Micro- and nanocomposition polymer coatings deposited from active gas phase. Ed. by Rogachev A.V. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2016, 424 p. (in Russ.).
20. Apel P.Yu., Dmitriev S.N. Micro- and nanoporous materials produced using accelerated heavy ion beams. Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol., 2011, v. 2, art. 013002.
21. Kravets L.I., Dmitriev S.N., Apel P.Yu. Production and properties of polypropylene track membranes. Collect. Czech. Commun., 1997, v. 62, pp. 752 - 760.
22. Kravets L.I., Yarmolenko M.A., Rogachev A.A., Gainutdinov R.V., Altynov V.A., Lizunov N.E. Deposition of double-layer coatings for preparing composite membranes with superhydrophobic properties. High Temp. Mater. Proc., 2019, v. 23, pp. 77 – 96.
23. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999, 514 с. / Mulder M. Basic principles of membrane technology. Dordrecht: Kluwer, 1996, 564 p.
24. Racz G., Kerker S., Kovacs Z., Vatai G., Ebrahimi M., Czermak P. Theoretical and experimental approaches of liquid entry pressure determination in membrane distillation processes. Per. Pol. Chem. Eng., 2014, v. 58, no. 2, pp. 81 - 91.
25. Кравец Л.И., Алтынов В.А., Загоненко В.Ф., Лизунов Н.Е., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Композитные двухслойные мембраны, содержащие гидрофобные слои. Перспективные материалы, 2018, № 1, с. 5 - 16. / Kravets L.I., Altynov V.A., Zagonenko V.F., Lizunov N.E., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Composite bilayer polymer membranes with hydrophobic layers. Inorg. Mater.: Appl. Res., 2018, v. 9, no. 5, pp. 777 - 784.
26. Kravets L., Gainutdinov R., Gilman A., Yablokov M., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Morphology and wettability of polytetrafluoroethylene-like films deposited onto track-etched membrane surface in vacuum. Plasma Phys. Technol., 2018, v. 5, pp. 110 - 116.
27. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение. Усп. хим., 2008, т. 77, № 7, с. 619- 638. / Boinovich L.B., Emelyanenko A.M. Hydrophobic materials and coatings: principles of design, properties and applications. Usp. Khim., 2008, v. 77, pp. 583 - 600.
28. Кравец Л.И., Алтынов В.А., Яблоков М.Ю., Гильман А.Б., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Исследование морфологии и химической структуры наноразмерных пленок политетрафторэтилена, осажденных на поверхности трековых мембран плазмохимическими методами. Химия высоких энергий, 2018, т. 52, № 4, с. 318  325. / Kravets L.I., Altynov V.A., Yablokov M.Yu., Gilman A.B., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Investigation of morphology and chemical structure of nanosized polytetrafluoroethylene films deposited on the surface of track-etched membranes by plasma processing. High Energy Chemistry, 2018, v. 52, pp. 335 - 342.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Композиционные мембраны для обессоливания воды

Л. И. Кравец, М. А. Ярмоленко, А. Б. Гильман, V. Satulu, B. Mitu, G. Dinescu

Рассмотрены способы формирования покрытий на поверхности трековой мембраны из полиэтилентерефталата путем магнетронного распыления и электронно-лучевого диспергирования политетрафторэтилена в вакууме. Показано, что применение данных методов модифицирования приводит к образованию композиционных мембран, состоящих из двух слоев, одним из которых является исходная трековая мембрана, характеризующаяся средним уровнем гидрофильности. Второй слой имеет гидрофобную природу. Краевой угол смачивания этого слоя изменяется в зависимости от его толщины и используемого метода модифицирования. Осаждение покрытий методом магнетронного распыления политетрафторэтилена ведет к сглаживанию структурных неоднородностей поверхности исходной трековой мембраны. Осаждение методом электронно-лучевого диспергирования полимера, напротив, вызывает повышение поверхностной шероховатости. Наблюдаемые различия в морфологии поверхностного слоя композиционных мембран связаны с размерами осаждающихся полимерных наноструктур. Наноструктуры, образующиеся на поверхности трековых мембран при диспергировании политетрафторэтилена под действием электронного пучка, имеют существенно большие размеры. Значительное повышение шероховатости за счет роста размеров наноструктур позволяет получать покрытия, обладающие высоко- и супергидрофобными свойствами. Композиционные мембраны, состоящие из гидрофильной основы с осажденным на поверхности гидрофобным покрытием, обеспечивают более высокую селективность разделения в процессе обессоливания водного раствора хлорида натрия методом мембранной дистилляции по сравнению с исходной полиэтилентерефталатной трековой мембраной. Производительность двухслойных композиционных мембран в процессе мембранной дистилляции вследствие низкого сопротивления массопереносу выше в сравнении с трековой мембраной из полипропилена.

Ключевые слова: трековые мембраны, магнетронное распыление и электронно-лучевое диспергирование полимеров в вакууме, политетрафторэтилен, гидрофобизация, композиционные мембраны, обессоливание воды.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-33-44
Кравец Любовь Ивановна — Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (141980 Дубна, Россия, ул. Жолио-Кюри 6), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, специалист в области разработки методов получения трековых мембран, нано- и мембранных технологий, модифицировании поверхностных свойств мембран в плазме. E-mail: kravets@jinr.ru.
Ярмоленко Максим Анатольевич — Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины (246019 Гомель, Беларусь, ул. Советская 104), доктор технических наук, доцент, специалист в области формирования органических и неорганических композиционных покрытий из активной газовой фазы. E-mail: simmak79@mail.ru.
Гильман Алла Борисовна — Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН (117393 Москва, Россия, ул. Профсоюзная 70), кандидат химических наук, старший научный сотрудник, специалист в области технологии ионноплазменной обработки материалов и нанесения покрытий, ионно-плазменной модификации свойств поверхности полимеров, изучения свойств и структуры нанокомпозиционных материалов. E-mail: plasma@ispm.ru.
Satulu Veronica (Сатулу Вероника) —Национальный институт лазерной, плазменной и радиационной физики (077125 Магурель, Бухарест, Румыния), кандидат физических наук, научный сотрудник, специалист в области модифицирования поверхности полимерных материалов в плазме, полимеризации в плазме, формирования нанокомпозитных материалов в плазме. E-mail: veronica.satulu@infim.ro.
Mitu Bogdana (Миту Богдана) — Национальный институт лазерной, плазменной и радиационной физики (077125 Магурель, Бухарест, Румыния, кандидат физических наук, старший научный сотрудник, специалист в области физики низкотемпературной плазмы, технологии ионно-плазменной обработки материалов, формирования функциональных органических и неорганических покрытий в плазме. E-mail: mitub@infim.ro.
Dinescu Gheorghe (Динеску Георгий) — Национальный институт лазерной, плазменной и радиационной физики (077125 Магурель, Бухарест, Румыния), доктор физических наук, профессор, руководитель лаборатории, специалист в области фундаментальных процессов в плазме, физики и диагностики плазмы, разработке новых материалов для использования в нанотехнологии, окружающей среде, биологии и медицине. E-mail: dinescug@infim.ro.
Ссылка на статью:
Кравец Л.И., Ярмоленко М.А., Гильман А.Б., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Композиционные мембраны для обессоливания воды. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 33 – 44. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-33-44
Литература содержит 28 ссылок.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Кравец Л.И., Ярмоленко М.А., Гильман А.Б., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Композиционные мембраны для обессоливания воды. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 33 – 44. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-33-44
1. Alkhudhiri A., Darwish N., Hilal N. Membrane distillation: A comprehensive review. Desalination, 2012, v. 287, pp. 2- 12.
2. Drioli E., Ali A., Macedonio F. Membrane distillation: Recent developments and perspectives. Desalination, 2015, v. 356, pp. 56- 84.
3. Woo Yu.Ch., Tijing L.D., Park M.J., Yao M., Choi J.-S., Lee S., Kim S.-H., An K.-J., Shon H.K. Electrospun dual-layer nonwoven membrane for desalination by air gap membrane distillation. Desalination, 2017, v. 404, pp. 187 – 198.
4. El-Bourawi M.S., Ding Z., Ma R., Khayet M. A framework for better understanding membrane distillation separation process. J. Membr. Sci., 2006, v. 285, pp. 4 - 29.
5. Essalhi M., Khayet M. Surface segregation of fluorinated modifying macromolecule for hydrophobic/hydrophilic membrane preparation and application in air gap and direct contact membrane distillation. J. Membr. Sci., 2012, v. 417- 418, pp. 163 - 173.
6. Gancarz I., Bryjak M., Kujawski J., Wolska J., Kujawa J., Kujawski W. Plasma deposited fluorinated films on porous membranes. Mater. Chem. Phys., 2015, v. 151, pp. 233 - 242.
7. Agbaje T.A., Al-Gharabli S., Mavukkandy M.O., Kujawa J., Arafar H.A. PVDF/magnetite blend membranes for enhanced flux and salt rejection in membrane distillation. Desalination, 2018, v. 436, pp. 69 - 80.
8. Wang J., Chen X., Reis R., Chen Zh., Milne N., Winther-Jensen B., Kong L., Dumee L.F. Plasma modification and synthesis of membrane materials – A mechanistic review. Membranes, 2018, v. 8, art. 56.
9. Кравец Л.И., Гильман А.Б. Модифицирование трековых мембран с использованием низкотемпературной плазмы. Изв. вузов. Химия и хим. технология, 2018, т. 61, № 4-5, с. 4 - 30./. Kravets L.I., Gilman A.B. Modification of track-etched membranes by low-temperature plasma. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.], 2018, v. 61, no. 4-5, pp. 4 - 30. (In Russ.).
10. Кравец Л.И., Гильман А.Б., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Формирование ‘diode-like’ композитных мембран методом полимеризации в плазме. Перспективные материалы, 2017, № 9, с. 5 - 21./. Kravets L.I., Gilman A.B., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Formation of diode-like composite membranes by plasma polymerization. Inorg. Mater.: Appl. Res., 2018, v. 9, no. 2, pp. 162 - 174.
11. Kravets L.I., Dmitriev S.N., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Structure and electrochemical properties of track membranes with a polymer layer obtained by plasma polymerization of acetylene. J. Phys. Confer. Ser., 2014, v. 516, art. 012006.
12. Kravets L.I., Dmitriev S.N., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Fabrication and electrochemical properties of polymer bilayered membranes. Surf. Coat. Technol., 2011, v. 205, s. 2, pp. 455 - 461.
13. Chapman Ch.I., Bhattacharyya D., Eberhart R.C., Timmons R.B., Chuong Ch.-J. Plasma polymer thin film depositions to regulate gas permeability through nanoporous track etched membranes. J. Membr. Sci., 2008, v. 318, pp. 137 - 144.
14. Daoud W.A., Xin J.H., Zhang Y.H., Mak C.L. Pulsed laser deposition of superhydrophobic thin teflon films on cellulosic fibers. Thin Solid Films, 2006, v. 515, pp. 835 - 837.
15. Drabik M., Polonskaya O., Kylian O., Cechvala J., Artemenko A., Gordeev I., Choukourov A., Slavinska D., Matolinova I., Biederman H. Super-hydrophobic coatings prepared by RF magnetron sputtering of PTFE. Plasma Process. Polym., 2010, v. 7, pp. 544 – 551.
16. Satulu V., Mitu B., Pandele A.M., Voicu S.I., Kravets L., Dinescu G. Composite polyethylene terephthalate track membranes with thin teflon-like layers: preparation and surface properties. Appl. Surf. Sci., 2019, v. 476, pp. 452 – 459.
17. Henda R., Wilson G., Gray-Munro J., Alshekhli O., McDonald A.M. Henda R., Wilson G., Gray-Munro J., Alshekhli O., McDonald A.M. Preparation of polytetrafluoroethylene by pulsed electron ablation: Deposition and wettability aspects. Thin Solid Films, 2012, v. 520, pp. 1885 – 1889.
18. Kravets L.I., Altynov V.A., Gilman A.B., Yablokov M.Yu., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Deposition of fluorinated polymer films onto track-etched membrane surface. Rom. Rep. Phys. 2018, v. 70, art. 516.
19. Ярмоленко М.А., Рогачев А.А., Лучников П.А., Рогачев А.В., Джанг Сянь Хун. Микро- и нанокомпозиционные полимерные покрытия, осаждаемые из активной газовой фазы. Под ред. А.В. Рогачева. Москва: Радиотехника, 2016, 424 с./. Yarmolenko M.A., Rogachev A.A., Luchnikov P.A., Rogachev A.V., Zhang S.K. Micro- and nanocomposition polymer coatings deposited from active gas phase. Ed. by Rogachev A.V. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2016, 424 p. (in Russ.).
20. Apel P.Yu., Dmitriev S.N. Micro- and nanoporous materials produced using accelerated heavy ion beams. Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol., 2011, v. 2, art. 013002.
21. Kravets L.I., Dmitriev S.N., Apel P.Yu. Production and properties of polypropylene track membranes. Collect. Czech. Commun., 1997, v. 62, pp. 752  760.
22. Kravets L.I., Yarmolenko M.A., Rogachev A.A., Gainutdinov R.V., Altynov V.A., Lizunov N.E. Deposition of double-layer coatings for preparing composite membranes with superhydrophobic properties. High Temp. Mater. Proc., 2019, v. 23, pp. 77 – 96.
23. Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999, 514 с./. Mulder M. Basic principles of membrane technology. Dordrecht: Kluwer, 1996, 564 p.
24. Racz G., Kerker S., Kovacs Z., Vatai G., Ebrahimi M., Czermak P. Theoretical and experimental approaches of liquid entry pressure determination in membrane distillation processes. Per. Pol. Chem. Eng., 2014, v. 58, no. 2, pp. 81 - 91.
25. Кравец Л.И., Алтынов В.А., Загоненко В.Ф., Лизунов Н.Е., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Композитные двухслойные мембраны, содержащие гидрофобные слои. Перспективные материалы, 2018, № 1, с. 5 - 16./. Kravets L.I., Altynov V.A., Zagonenko V.F., Lizunov N.E., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Composite bilayer polymer membranes with hydrophobic layers. Inorg. Mater.: Appl. Res., 2018, v. 9, no. 5, pp. 777 - 784.
26. Kravets L., Gainutdinov R., Gilman A., Yablokov M., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Morphology and wettability of polytetrafluoroethylene-like films deposited onto track-etched membrane surface in vacuum. Plasma Phys. Technol., 2018, v. 5, pp. 110 - 116.
27. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение. Усп. хим., 2008, т. 77, № 7, с. 619 - 638./. Boinovich L.B., Emelyanenko A.M. Hydrophobic materials and coatings: principles of design, properties and applications. Usp. Khim., 2008, v. 77, pp. 583 - 600.
28. Кравец Л.И., Алтынов В.А., Яблоков М.Ю., Гильман А.Б., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Исследование морфологии и химической структуры наноразмерных пленок политетрафторэтилена, осажденных на поверхности трековых мембран плазмохимическими методами. Химия высоких энергий, 2018, т. 52, № 4, с. 318 - 325./. Kravets L.I., Altynov V.A., Yablokov M.Yu., Gilman A.B., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Investigation of morphology and chemical structure of nanosized polytetrafluoroethylene films deposited on the surface of track-etched membranes by plasma processing. High Energy Chemistry, 2018, v. 52, pp. 335 - 342.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Влияние состава и свойств поверхности образцов из титановых сплавов медицинского
назначения на способность поддерживать адгезию Escherichia coli и формирование биопленки

Е. О. Насакина, М. А. Сударчикова, А. Ю. Иванников, В. М. Андреевская,
С. Ю. Котцов, Н. А. Дормидонтов, Я. А. Морозова, С. В. Конушкин,
К. В. Сергиенко, М. А. Севостьянов, А. Г. Колмаков

Изучено влияние 6 видов струйной обработки и электролитно-плазменной полировки на шероховатость и смачиваемость поверхности и взаимодействие с бактерией Escherichia coli двух коммерческих сплавов на основе титана, применяемых в медицине, ВТ1-0 (чистый титан) и ВТ6 (сплав титана с алюминием и ванадием), а также разрабатываемого в ИМЕТ РАН сплава Ti – Nb – Zr. Отмечено, что все полученные поверхности смачиваемы, угол смачивания закономерно тем выше, чем ниже шероховатость поверхности, однако в случае всех материалов после пескоструйной обработки смесями с широким разбросом частиц по размеру отмечается повышение угла смачивания. Все образцы металлов не обладают антибактерицидной активностью и не способствуют образованию стерильной зоны. Изучена способность образовывать на поверхности металлов биопленки из бактерии E. сoli. Показано, что их количество существенно меньше в присутствии образцов по сравнению с контролем. Разрабатываемый сплав Ti – Nb – Zr, потенциально обладающий лучшей биомеханической совместимостью, чем использованные коммерческие, не показал ухудшение поверхностных характеристик и влияния на рост бактерий.

Ключевые слова:титановый сплав, биомедицинский сплав, шероховатость поверхности, смачиваемость поверхности, Escherichia coli, поляризационные кривые.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-45-56
Насакина Елена Олеговна — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, (119334 Москва, Ленинский проспект, 49), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, специалист в области биомедицинских и композиционных материалов, E-mail: nacakina@mail.ru.
Сударчикова Мария Андреевна — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119334 Москва, Ленинский проспект, 49), младший научный сотрудник, специалист в области биомедицинских и композиционных материалов. E-mail: mariahsudar@yandex.ru.
Иванников Александр Юрьевич — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, (119334 Москва, Ленинский проспект, 49), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, специалист в области материаловедения. E-mail: aivannikov@imet.ac.ru.
Андреевская Вероника Максимовна —Всероссийский научно-исследовательский институт фитопатологии (143050 Московская область, Одинцовский район, р.п. Большие Вяземы, ул. Институт, владение 5); Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова (119991 Россия, Москва, Ленинские Горы, 1), младший научный сотрудник, специалист в области исследований состава почвенной и растительной микобиоты, тестирования фитопатогенов на устойчивость к пестицидам, агрохимикатам и биопрепаратам. E-mail: cmakp@mail.ru.
Котцов Сергей Юрьевич — Институт общей и неорганической химии имени
Н.С. Курнакова Российской академии наук (119991 Москва, Ленинский проспект, 31), младший научный сотрудник, специалист в области общей и неорганической химии. E-mail: mariahsudar@yandex.ru.
Дормидонтов Николай Андреевич — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (119334 Москва, Ленинский проспект, 49), младший научный сотрудник, специалист в области физикохимии тугоплавких и редких металлов и сплавов и обработки материалов. E-mail: cmakp@mail.ru.
Морозова Ярослава Анатольевна — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (119334 Москва, Ленинский проспект, 49), инженер-исследователь, специалист в области химии и наук о материалах. E-mail: mariahsudar@yandex.ru.
Конушкин Сергей Викторович — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (119334 Москва, Ленинский проспект, 49), кандидат технических наук, научный сотрудник, специалист в области титановых сплавов и их обработки. E-mail: venev.55@mail.ru.
Сергиенко Константин Владимирович — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (119334 Москва, Ленинский проспект, 49), младший научный сотрудник, специалист в области биомедицинских материалов. E-mail: shulf@yandex.ru.
Севостьянов Михаил Анатольевич — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (119334 Москва, Ленинский проспект, 49); Всероссийский научно-исследовательский институт фитопатологии (Россия, Московская область, Одинцовский район, р.п. Большие Вяземы, ул. Институт, владение 5), кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, специалист в области биомедицинских материалов. E-mail: cmakp@mail.ru.
Колмаков Алексей Георгиевич — Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (119334 Москва, Ленинский проспект, 49), член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией, cпециалист в области прочности и пластичности металлических и композиционных материалов и наноматериалов. E-mail: imetranlab10@mail.ru.
Ссылка на статью:
Насакина Е.О., Сударчикова М.А., Иванников А.Ю., Андреевская В.М., Котцов С.Ю., Дормидонтов Н.А., Морозова Я.А., Конушкин С.В., Сергиенко К.В., Севостьянов М.А., Колмаков А.Г. Влияние состава и свойств поверхности образцов из титановых сплавов медицинского назначения на способность поддерживать адгезию escherichia coli и формирование биопленки. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 45 – 56. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-45-56
Литература содержит 44 ссылки.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Насакина Е.О., Сударчикова М.А., Иванников А.Ю., Андреевская В.М.,
Котцов С.Ю., Дормидонтов Н.А., Морозова Я.А., Конушкин С.В.,
Сергиенко К.В., Севостьянов М.А., Колмаков А.Г. Влияние состава и свойств поверхности образцов из титановых сплавов медицинского назначения на способность поддерживать адгезию escherichia coli и формирование биопленки. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 45 – 56. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-45-56
1. Biesiekierski A., Wang J., Gepreel M. A. H., Wen C. A new look at biomedical Ti-based shape memory alloys. Acta Bio-Materialia, 2012, v. 8, no. 5, pp. 1661 – 1669.
2. Zhao X., Zhang J., Song X., Guo W. Investigation on mechanical properties of laser welded joints for Ti–6Al–4V titanium alloy. Materials Science and Technology, 2013, v. 29, no. 12, pp. 1405 – 1413.
3. Nune K.C., Misra R., Gai X., Li S.J., Hao Y.L. Surface nanotopography-induced favorable modulation of bioactivity and osteoconductive potential of anodized 3D printed Ti-6Al-4V alloy mesh structure. Journal of Biomaterials Applications, 2018, v. 32, no. 8, pp. 1032 – 1048.
4. Navarro M., Michiardi A., Castaño O., Planell J. A. Biomaterials in orthopaedics. Journal of the Royal Society Interface, 2008, v. 5, no. 27, pp. 1137 – 1158.
5. Renganathan G., Tanneru N., Madurai S. L. Orthopedical and biomedical applications of titanium and zirconium metals. Fundamental Biomaterials: Metals. Woodhead Publishing, 2018, pp. 211 – 241.
6. Alferi D., Fojt J., Kristianova E., Edwards D. W., Laasch H. U. Influence of the manufacturing process on the corrosion and mechanical be-havior of Esophageal stents. Metals, 2023, v. 13, no. 9, art. 1542.
7. Elsisy M., Chun Y. Materials properties and manufacturing processes of nitinol endovascular devices. Bio-Materials and Prototyping Applications in Medicine, 2021, pp. 59 – 79.
8. Stoeckel D., Bonsignore C., Duda S. A survey of stent designs. Minimally Invasive Therapy & Allied Technologies, 2002. v. 11, no. 4, pp. 137 – 147.
9. Nasakina E. O., Sudarchikova M. A., Sergienko K. V., Konushkin S. V., Sevost’yanov M. A. Ion release and surface characterization of nanostructured nitinol during long-term testing. Nanomaterials, 2019, v. 9, no. 11, art. 1569.
10. Zhang Y., Zhang Z.W., Xie Y.M., Wang S.S., Qiu Q.H., Zhou Y.L., Zeng G.H. Toxicity of nickel ions and comprehensive analysis of nickel ion‑associated gene expression profiles in THP‑1 cells. Molecular Medicine Reports, 2015, v. 12, no. 3, pp. 3273 – 3278.
11. Lü X., Bao X., Huang Y., Qu Y., Lu H., Lu Z. Mechanisms of cytotoxicity of nickel ions based on gene expression profiles. Biomaterials, 2009, v. 30, no. 2, pp. 141 – 148.
12. Munir K., Lin J., Wright P. F., Ozan S., Li Y., Wen C. Mechanical, corrosion, nanotribological, and biocompatibility properties of equal channel angular pressed Ti-28Nb-35.4 Zr alloys for biomedical applications. Acta Biomaterialia, 2022, v. 149, pp. 387 – 398.
13. Li S., Choi M., Nam T. Effect of thermo-mechanical treatment on microstructural evolution and mechanical properties of a superelastic Ti–Zr-based shape memory alloy. Materials Science and Engineering: A, 2020, v. 789, art. 139664.
14. Chen L.Y., Cui Y.W., Zhang L.C. Recent development in beta titanium alloys for biomedi-cal applications. Metals, 2020, v. 10, no. 9, art. 1139.
15. Hussein M.A., Kumar M., Drew R., Al-Aqeeli N. Electrochemical corrosion and in vitro bioactivity of nano-grained biomedical Ti-20Nb-13Zr alloy in a simulated body fluid. Materials, 2017, v. 11, no. 1, art. 26.
16. Dobromyslov A.V., Elkin V.A. Martensitic transformation and metastable β-phase in binary titanium alloys with d-metals of 4–6 periods. Scripta materialia, 2001, v. 44, no. 6, pp. 905  910.
17. Cheng X, Liu S, Chen C, Chen W, Liu M, Li R, Zhang X, Zhou K. Microstructure and mechanical properties of additive manufactured porous Ti–33Nb–4Sn scaffolds for orthopaedic applications. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2019, v. 30, no. 8, art. 91.
18. Li Y.H., Shang X.Y. Recent progress in porous TiNb-based alloys for biomedical implant applications. Materials Science and Technology, 2020, v. 36, no. 4, pp. 385  392.
19. Inaekyan K., Brailovski V., Prokoshkin S., Pushin V., Dubinskiy S., Sheremetyev V. Comparative study of structure formation and mechanical behavior of age-hardened Ti–Nb–Zr and Ti–Nb–Ta shape memory alloys. Materials Characterization, 2015, v. 103, pp. 65  74.
20. Weinmann M., Schnitter C., Stenzel M., Markhoff J., Schulze C., Bader R. Development of bio-compatible refractory Ti/Nb (/Ta) alloys for application in patient-specific orthopedic implants. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2018, v. 75, pp. 126  136.
21. Kim J.I., Kim H.Y., Inamura T., Hosoda H., Miyazaki S. Shape memory characteristics of Ti–22Nb–(2–8) Zr (at.%) biomedical alloys. Materials Science and Engineering: A, 2005, v. 403, no. 1–2, pp. 334 – 339.
22. Zhou Y. L., Niinomi M., Akahori T. Effects of Ta content on Young’s modulus and tensile properties of binary Ti–Ta alloys for biomedical applications. Materials Science and Engineering: A, 2004, v. 371, no. 1–2, pp. 283 – 290.
23. Miyazaki S., Kim H.Y., Hosoda H. Development and characterization of Ni-free Ti-base shape memory and superelastic alloys. Materials Science and Engineering: A, 2006, v. 438, pp. 18 – 24.
24. Le Guéhennec L. Surface treatments of titanium dental implants for rapid osseointegration. Dental Materials, 2007, v. 23. no. 7. pp. 844 – 854.
25. Dubinskiy S.M., Prokoshkin S.D., Brailovski V., Inaekyan K.E., Korotitskiy A.V., Filonov M.R., Petrzhik M.I. Structure formation during thermomechanical processing of Ti-Nb-(Zr, Ta) alloys and the manifestation of the shape-memory effect. The Physics of Metals and Metallography, 2011, v. 112, pp. 503 – 516.
26. Wang H., Li J., Yang H., Liu C., Ruan J. Fabrication, characterization and in vitro biocompatibility evaluation of porous Ta–Nb alloy for bone tissue engineering. Materials Science and Engineering: C, 2014, v. 40, pp. 71 – 75.
27. Zhao D., Chang K., Ebel T., Qian M., Willumeit R., Yan M., Pyczak F. Microstructure and mechanical behavior of metal injection molded Ti–Nb binary alloys as biomedical material. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2013, v. 28, pp. 171 – 182.
28. Liu J., Chang L., Liu H., Li Y., Yang H., Ruan J. Microstructure, mechanical behavior and biocompatibility of powder metallurgy Nb-Ti-Ta alloys as biomedical material. Materials Science and Engineering: C, 2017, v. 71, pp. 512 – 519.
29. Hussein A.H., Gepreel M.A.H., Gouda M K., Hefnawy A.M., Kandil S.H. Biocompatibility of new Ti–Nb–Ta base alloys. Materials Science and Engineering: C, 2016, v. 61, pp. 574 – 578.
30. Wang W.L., Xu S.Y., Ren Z.G., Tao L., Jiang J. W., Zheng S.S. Application of metagenomics in the human gut microbiome. World Journal of Gastroenterology, 2015, v. 21, no. 3, art. 803.
31. Qin J., Li R., Raes J., Arumugam M., Burgdorf K.S., Manichanh C., Wang J. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature, 2010, v. 464, no. 7285, pp. 59 – 65.
32. Gendron R., Grenier D., Maheu-Robert L.F. The oral cavity as a reservoir of bacterial pathogens for focal infections. Microbes and Infection, 2000, v. 2, no. 8, pp. 897 – 906.
33. Nataro J.P., Kaper J.B. Diarrheagenic Escherichia coli. Clinical Microbiology Reviews. 1998, v. 11, no. 1, pp. 142 – 201.
34. Плотников А.О. Частная микробиология и систематика микроорганизмов: методические указания к лабораторному практикуму. Оренбург, ГОУ ОГУ, 2007, 72 с./. Plotnikov A.O. Chastnaya mikrobiologiya i sistematika mikroorganizmov: metodicheskiye ukazaniya k laboratornomu praktikumu [Particular microbiology and taxonomy of microorganisms: methodological instructions for laboratory practical work]. Orenburg, State Educational Institution OSU Publ., 2007, 72 p. (In Russ.).
35. Chang J.C., Oshida Y., Gregory R.L., Andres C.J., Barco T.M., Brown D.T. Electrochemical study on microbiology‐related corrosion of metallic dental materials. Biomedical Materials and Engineering, 2003, v. 13, no. 3, pp. 281 – 295.
36. Xu L.N., Yu X.Y., Chen W.Q., Zhang S.M., Qiu J. Biocorrosion of pure and SLA titanium surfaces in the presence of Porphyromonas gingivalis and its effects on osteoblast behavior. RSC Advances, 2020, v. 10, no. 14, pp. 8198 – 8206.
37. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). 5-е изд. М.: Агропромиздат, 1985, 351 с./. Dospehov B.A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoy obrabotki rezul'tatov issledovaniy) [Methodology of field experience (with the basics of statistical processing of research results)]. 5th ed. Moscow, Agropromizdat Publ., 1985, 351 p. (In Russ.).
38. Юшин Ю.В., Подкопайло Р.В., Петрова Д.А., Егоров К.А., Трухин В.П. Обзор питательных сред, используемых для культивации рекомбинантной Escherichia coli. Медицина экстремальных ситуаций, 2019, т. 21, № 3, с. 444 – 453./.Yushin Yu.V., Podkopajlo R.V., Petrova D.A., Egorov K.A., Truhin V.P. Obzor pitatel'nykh sred, ispol'zuyemykh dlya kul'tivatsii rekombinantnoy Escherichia coli [Review of nutrient media used for the cultivation of recombinant Escherichia coli]. Meditsina ekstremal'nykh situatsiy [Medicine of Extreme Situations], 2019, v. 21, no. 3, pp. 444 – 453. (In Russ.).
39. Vernon J.J., Aw J., Attenborough E., Jha, A., Do, T. Dental implant surfaces and their interaction with the oral microbiome. Dentistry Review, 2022, v. 2, no. 4, art. 100060.
40. Costa R.C., Abdo V.L., Mendes P.H., Mota-Veloso I., Bertolini M., Mathew M.T., Souz J.G.S. Microbial corrosion in titanium-based dental implants: how tiny bacteria can create a big problem? Journal of Bio-and Tribo-Corrosion, 2021, v. 7, no. 4, art. 136.
41. Иванников А.Ю., Кудашев М.А., Пучков Ю.А. и др. Влияние термической обработки и содержания вольфрама на структуру, фазовый состав и коррозионную стойкость высокоэнтропийных сплавов системы Fe - Cr - Ni - Mo – W. Перспективные материалы, 2023, № 9, c. 54 – 62./. Ivannikov A.Yu, Kudashev M.A., Puchkov Yu.A. et al. The effect of heat treatment and tungsten content on the structure, phase composition, and corrosion resistance of high-entropy alloys of the Fe–Cr–Ni–Mo–W system. Inorganic Materials: Applied Research, 2024, v.15, n0.2, pp. 451 – 456.
42. Основные понятия и уравнения коллоидной химии. Составители: Гродский А.С., Киенская К.И., Гаврилова Н.Н., Назаров В.В. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2013, 40 с./. Osnovnyye ponyatiya i uravneniya kolloidnoy khimii [Basic concepts and equations of colloidal chemistry]. Compiled by: Grodsky A.S., Kienskaya K.I., Gavrilova N.N., Nazarov V.V. Moscow, RСTU named after D.I. Mendeleeva Publ., 2013, 40 p. (In Russ.).
43. Farber P.L., Hochman B., Furtado F., Ferreira L.M. Electricity and colloidal stability: How charge distribution in the tissue can affects wound healing. Medical Hypotheses, 2014, v. 82, no. 2, pp. 199 – 204.
44. Tokumasu F., Ostera, G.R., Amaratunga C., Fairhurst R.M. Modifications in erythrocyte membrane zeta potential by Plasmodium falciparum infection. Experimental Parasitology, 2012, v. 131, no. 2, pp. 245 – 251.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез
композиционного материала ZrO2 – ZrB2 – ZrC

А. П. Чижиков, А. О. Жидович, Н. Ю. Хоменко, М. С. Антипов, П. М. Бажин

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза получены композиционные материалы на основе оксида циркония стабилизированного оксидом иттрия. Содержание стабилизирующей добавки оксида иттрия в соотношении (1 – х)ZrO2 – xY2O3соответствовало
x ϵ [0; 9] мол. %. Проведены термодинамические расчеты адиабатической температуры горения исследованных составов. Расчеты приведены для случаев, учитывающих различные варианты плавления продуктов синтеза. Согласно расчетам, введение стабилизирующей добавки оксида иттрия оказывает влияние на температуру горения исследованных материалов. Например, введение оксида иттрия в количестве, соответствующем х = 1 мол. % резко увеличивает температуру горения. Дальнейшее увеличение концентрации оксида иттрия в исходных материала приводит к монотонному снижению адиабатической температуры горения. Результаты экспериментального изучения температуры горения исследованных материалов показали, что реальная зависимость указанного параметра от содержания оксида иттрия в исходных материалах имеет аналогичный с теоретическим характер. Введение в исходную смесь стабилизирующей добавки оксида иттрия приводит к увеличению количества тетрагональной модификации оксида циркония в продуктах синтеза. При этом, было установлено, что кроме моноклинного и тетрагонального оксида циркония, продукты синтеза содержали карбид и диборид циркония. Показано, что оксид циркония являлся матрицей, содержащей равномерно распределенные частицы карбида и диборида циркония.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, оксид циркония, оксид иттрия, борид циркония, карбид циркония, композиционный материал.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-57-66
Чижиков Андрей Павлович — ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук (142432 Черноголовка, М.О., ул. Академика Осипьяна, 8), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, специалист в области самораспространяющегося высокотемпературного синтеза керамических композиционных материалов. E-mail: chij@ism.ac.ru.
Жидович Александра Олеговна — ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук (142432 Черноголовка, М.О., ул. Академика Осипьяна, 8), кандидат технических наук, научный сотрудник, специалист в области самораспространяющегося высокотемпературного синтеза металлокерамических композиционных материалов. E-mail: l10012012@yandex.ru.
Хоменко Наталья Юрьевна — ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук (142432 Черноголовка, М.О., ул. Академика Осипьяна, 8), научный сотрудник, специалист в области материаловедения, рентгеноструктурных и рентгенофазовых исследований материалов.
Антипов Михаил Сергеевич — ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук (142432 Черноголовка, М.О., ул. Академика Осипьяна, 8), младший научный сотрудник, специалист в области самораспространяющегося высокотемпературного синтеза металлокерамических композиционных материалов. E-mail: m_antipov@ism.ac.ru.
Бажин Павел Михайлович — ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук (142432 Черноголовка, М.О., ул. Академика Осипьяна, 8), заместитель директора ИСМАН, доктор технических наук, специалист в области материаловедения и прямого получения изделий в результате сочетания процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и сдвигового высокотемпературного деформирования. E-mail: bazhin@ism.ac.ru.
Ссылка на статью:
Чижиков А. П., Жидович А. О., Хоменко Н. Ю., Антипов М. С., Бажин П. М. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез композиционного материала ZrO2 – ZrB2– ZrC. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 57 – 66. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-57-66
Литература содержит 44 ссылки.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Чижиков А. П., Жидович А. О., Хоменко Н. Ю., Антипов М. С., Бажин П. М. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез композиционного материала ZrO2 – ZrB2– ZrC. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 57 – 66. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-57-66
1. Shojaie-bahaabad M., Bozorg M., Najafizadeh M., Cavaliere P. Ultra high temperature ceramic coatings in thermal protection systems (TPS). Ceramics International, 2024, v. 50, pp. 9937  9951.
2. Malinina E.A., Myshletsov I.I., Buzanov G.A., Kubasov A.S., Kozerozhets I.V., Goeva L.V., Nikiforova S.E., Avdeeva V.V., Zhizhin K.Y., Kuznetsov N.T. A new approach to the synthesis of nanocrystalline cobalt boride in the course of the thermal decomposition of cobalt complexes [Co(DMF)6]2+ with boron cluster anions. Molecules, 2023, no. 28, art. 453.
3. Guria J.F., Bansal A., Kumar V. Effect of additives on the thermal conductivity of zirconium diboride based composites – A review. Journal of the European Ceramic Society, 2021, v. 41, pp. 1 – 23.
4. Nisar A., HassanR. Agarwal A., Balani K. Ultra-high temperature ceramics: Aspiration to overcome challenges in thermal protection systems. Ceramics International, 2022, v. 48, pp. 8852 – 8881.
5. Hu D., Fu Q., Zhou L., Li X., Bing Liu. Effects of air plasma flame on the ZrB2-based UHTC coatings: Microstructure, phase evolution and ablation resistance. Journal of Materials Science & Technology, 2023, v. 158, pp. 194 – 206.
6. Zamora V., Ortiz A.L., Guiberteau F., Nygren M. In situ formation of ZrB2–ZrO2 ultra-high-temperature ceramic composites from high-energy ball-milled ZrB2 powders. Journal of Alloys and Compounds, 2021, v. 518, pp. 38 – 43.
7. Zhang Y., Fan Z., Sun J., Li N., Shi X., Li H. Effect of transition metal on the structure and oxidation behavior of ZrB2 (0 0 0 1): Experimental and theoretical calculations. Computational Materials Science, 2023, v. 226, art. 112213.
8. Xu Z., Zhao K., Li F., Huo Y., Tang Y. The oxidation behavior of ZrB2–ZrC composite nanofibers fabricated by electrospinning and carbothermal reduction. Ceramics International, 2020, v. 46, pp. 10409 – 10415.
9. Yung D., Maaten B., Antonov M., Hussainova I. Oxidation of spark plasma sintered ZrC-Mo and ZrC-TiC composites. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2017, v. 66, pp. 244 – 251.
10. Hassan R., Balani K. Oxidation kinetics of ZrB2-and HfB2-powders and their SiC reinforced composites. Corrosion Science, 2020, v. 177, art. 109024.
11. Tian Y., Sun W. Synthesis of ZrB2–ZrC hybrid powders via boro-carbothermal reduction of ZrO2 by B4C and carbon black. Ceramics International, 2022, v. 48, pp. 26499 – 26507.
12. Jyoti, Tiwari M., Singh A., Singh V.K. The microstructural and mechanical behavior of in-situ synthesized ZrB2–ZrC and ZrB2–SiC–ZrC composites: A comparative study. Vacuum, 2023, v. 214, art. 112199.
13. Stumpf M., Fey T., Kakimoto K., Greil P. Nb2AlC-particle induced accelerated crack healing in ZrO2–matrix composites. Ceramics International, 2018, v. 44, pp. 19352 – 19361.
14. Lan D., Gao R., Liu X., Zhu L., Zheng Y., Liu J. Microstructure and mechanical properties of ZrO2 fiber toughened Al2O3/ZrO2(Y2O3) solidified ceramics prepared with high frequency induction zone melting. Journal of Alloys and Compounds, 2023, v. 967, art. 171669.
15. Gevorkyan E., Prikhna T., Vovk R., Rucki M., Siemiątkowski S., Kucharczyk W., Chishkala V., Chałko L. Sintered nanocomposites ZrO2-WC obtained with field assisted hot pressing. Composite Structures, 2021, v. 259, art. 113443.
16. Mosavari M., Khajehhaghverdi A., Aghdam R.M. Nano-ZrO2: A review on synthesis methodologies. Inorganic Chemistry Communications, 2023, v. 157, art. 111293.
17. Franco D., Ageorges H., López E., Vargas F. Wear behavior at high temperatures of ZrO2 - Al2O3 plasma sprayed coatings and an electro-melted AZS refractory. Surface and Coatings Technology, 2021, v. 425, art. 127715.
18. Wang W., Xue L., Zhang T., Zhou L., Chen J., Pan Z., Thermodynamic corrosion behavior of Al2O3, ZrO2 and MgO refractories in contact with high basicity refining slag. Ceramics International, 2019, v. 45, pp. 20664 – 20673.
19. Liu L., Wang S., Jiang G., Liu H., Yang J., Li Y. Continuous supercritical hydrothermal synthesis of stabilized ZrO2 nanocomposites: Doping mechanism of typical metals and transition elements. Materials Today Chemistry, 2024, v. 35, art. 101902.
20. Zhao Y., Xu L., Guo M., Li Z., Xu Z., Ye J., Li W., Wei S. Effects of calcination temperature on grain growth and phase transformation of nano-zirconia with different crystal forms prepared by hydrothermal method. Journal of Materials Research and Technology, 2022, v. 19, pp. 4003 – 4017.
21. Matsui K., Yoshida H., Ikuhara Y. Review: microstructure-development mechanism during sintering in polycrystalline zirconia. International Materials Reviews, 2018, v. 63, pp. 375 – 406.
22. Fujii S., Shimazaki K., Kuwabara A. Empirical interatomic potentials for ZrO2 and YSZ polymorphs: Application to a tetragonal ZrO2 grain boundary. Acta Materialia, 2024, v. 262, art. 119460.
23. Keerthana L., Sakthivel C., Prabha I. MgO-ZrO2 mixed nanocomposites: fabrication methods and applications. Materials Today Sustainability, 2019, v. 3–4, art. 100007.
24. Kozerozhets I.V., Panasyuk G.P., Azarova L.A., Belan V.N., Semenov E.A., Voroshilov I.L., Danchevskaya M.N. Acquisition, properties, and application of nanosized magnesium oxide powders: an overview. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2021, v. 55, pp. 1126 – 1132.
25. Liu S., Song Z., Wang J., Han B., Sun Y. In situ self-assembly preparation and characterization of CaO–ZrO2 nanopowders under vacuum. Vacuum, 2023, v. 213, art. 112089.
26. Song X., Ding Y., Zhang J., Jiang C., Liu Z., Lin C., Zheng W., Zeng Y. Thermophysical and mechanical properties of cubic, tetragonal and monoclinic ZrO2. Journal of Materials Research and Technology, 2023, v. 23, pp. 648 – 655.
27. Ban J., Zhou C., Feng L., Jia Q., Liu X., Hu J. Preparation and application of ZrB2-SiCw composite powder for corrosion resistance improvement in Al2O3–ZrO2–C slide plate materials. Ceramics International, 2020, v. 46, pp. 9817 – 9825.
28. Малинина Е.А., Гоева Л.В., Бузанов Г.А., Авдеева В.В., Ефимов Н.Н., Козерожец И.В., Кузнецов Н.Т. Синтез и физико-химические свойства бинарных боридов кобальта (II). Термическое восстановление комплексов-прекурсоров [CoLn][B10H10] (L = H2O, n = 6; N2H4, n = 3). Журнал неорганической химии, 2019, т. 64, № 11, с. 1136 – 1145./. Malinina E.A., Goeva L.V., Buzanov G.A. Synthesis and physicochemical properties of binary cobalt(II) borides. thermal reduction of precursor complexes [CoLn][B10H10] (L = H2O, n = 6; N2H4, n = 3). Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2019, v. 64, pp. 1325 – 1334.
29. Baqiah H., Kechik M.M.A., Pasupuleti J., Zhang N., Al-Hada N.M., Chau C.F., Li Q., Xu S. Nanostructure, optical, electronic, photoluminescence and magnetic properties of Co-doped ZrO2 sol–gel films. Results in Physics, 2023, v. 55, art. 107194.
30. Hao Z., Ling G., Shengnan Z., Liu S., Jiyuan Z., Hydrothermal synthesized F doped ZrO2 powders with novel photocatalytic activities. Inorganic Chemistry Communications, 2024, v. 162, art. 112170.
31. Козерожец И.В., Панасюк Г.П., Семенов Е.А., Ворошилов И.Л., Азарова Л.А., Белан В.Н. Механизм превращения наноразмерного порошка γ-Аl2О3 в бемит при гидротермальных условиях. Неорганические матераилы, 2020, т. 56, № 7, с. 755 – 761./. Kozerozhets I.V., Panasyuk G.P., Semenov E.A., Voroshilov I.L., Azarova L.A., Belan V.N. Mechanism of the conversion of γ-Аl2О3 nanopowder into boehmite under hydrothermal conditions. Inorganic Materials, 2020, v. 56, pp. 716 – 722.
32. Kozerozhets I.V., Panasyuk G.P., Semenov E.A., Avdeeva V.V., Ivakin Yu.D., Danchevskaya M.N. New approach to prepare the highly pure ceramic precursor for the sapphire synthesis. Ceramics International, 2020, v. 46, pp. 28961 – 28968.
33. Li S., Zhou Z., Xiong W., Wang W., Wang L., Zheng Z., Wang J., Chen Y. Synthesis a homogeneous CeO2–ZrO2–Al2O3 composite material by a novel hydrothermal assisted precipitation method. Molecular Catalysis, 2023, v. 551, art. 113660.
34. Tian Y., Sun W. Synthesis of ZrB2–ZrC hybrid powders via boro-carbothermal reduction of ZrO2 by B4C and carbon black. Ceramics International, 2022, v. 48, pp. 26499 – 26507.
35. Irankhah R., Mobasherpour I., Alizadeh M., Nezhad S.M.M., Nikzad L., Azar S.S. Carbothermal reduction of ZrSiO4 for in situ formation of ZrO2-based composites using spark plasma sintering. Ceramics International, 2023, v. 49, pp. 2681 – 2688.
36. Huo F., Shen Y.A., He S., Zhang K., Nishikawa H. Fabrication of NiO/ZrO2 nanocomposites using ball milling-pyrolysis method. Vacuum, 2021, v. 191, art. 110370.
37. Khan A.R., Patra A., Majumdar B. Synthesis of nano Y2O3, TiO2, ZrO2 dispersed W-Ni-Nb-Mo alloys by mechanical alloying, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2022, v. 103, art. 105753.
38. Jyoti, Tiwari M., Singh A., Singh V.K. Effect of SiC on ablation mechanism and morphological evolution of in situ synthesized ZrB2–SiC composites. Materials Chemistry and Physics, 2023, v. 297, art. 127439.
39. Bazhin P.M., Kostitsyna E.V., Chizhikov A.P., Konstantinov A.S., Neganov L.E., Stolin A.M. Synthesis and structure peculiarities of composite material based on Al2O3–ZrO2 hardened with W and WB particles. Journal of Alloys and Compounds, 2021, v. 856, art. 157576.
40. Stolin A.M., Bazhin P.M., Konstantinov A.S., Chizhikov A.P., Kostitsyna E.V., Bychkova M.Y. Synthesis and characterization of Al2O3 - ZrO2-based eutectic ceramic powder material dispersion-hardened with ZrB2 and WB particles prepared by SHS. Ceramics International, 2018, v. 44, pp. 13815 – 13819.
41. Mousavi S.M., Zakeri M., Kermani M., Rahimipour M.R., Tayebifard S.A. A comparative study on the synthesis of oxide-free ZrB2-xZrC composites. Ceramics International, 2019, v. 45, pp. 3760 – 3766.
42. Liu T., Zhang X., Wang X. A review of zirconia-based solid electrolytes. Ionics, 2016, v. 22, pp. 2249 – 2262.
43. Mahmoodi S.K., Sharifitabar M., Afarani M.S. Preparation of composite powders containing TiB2 and ZrB2 particles through combustion synthesis of TiO2–ZrO2–B2O3–Mg system. Ceramics International, 2021, v. 47, pp. 3911 – 3919.
44. https://materials.springer.com/
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Ориентационное упрочнение эпоксидной смолы
в процессе полимеризации

К. А. Драчев, А. В. Казарбин, В. И. Римлянд

Экспериментально исследовано влияние механической деформации в процессе полимеризации эпоксидной смолы ЭД-20 на механические свойства отвержденных образцов. Измерения зависимости механического напряжения от деформации и предела прочности проводили в автоматическом режиме с помощью испытательной машины Devotrans BP D NU. Проведенные экспериментальные измерения зависимости механического напряжения от деформации для образцов, подвергнутых растяжению в процессе полимеризации, позволяют сделать вывод об увеличении предела прочности в 1,5 – 2,5 раза отвержденных образцов в зависимости от степени растяжения и стадии полимеризации, при которой проводилось растяжение. Модуль Юнга отвержденных образцов практически не изменяется. Данный эффект может быть использован при производстве изделий из эпоксидных смол, включая композиционные материалы на основе эпоксидного связующего.

Ключевые слова: эпоксидная смола, упрочнение, полимеризация, механические свойства, измерения, образцы.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-67-74
Драчёв Кирилл Александрович — Тихоокеанский государственный университет (680035 Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136), кандидат технических наук, доцент, специалист в области физической акустики, физики твердого тела. E-mail: 007504@pnu.edu.ru.
Казарбин Алексей Владимирович — Тихоокеанский государственный университет (680035 Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136), кандидат физико-математических наук, доцент, специалист в области физической акустики, неразрушающего контроля. E-mail: 000283@pnu.edu.ru.
Римлянд Владимир Иосифович — Тихоокеанский государственный университет (680035 Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136), доктор технических наук, профессор, специалист в области физической акустики, физики твердого тела, материаловедения эпоксидных олигомеров. E-mail: riml@pnu.edu.ru.
Ссылка на статью:
Драчев К.А., Казарбин А.В., Римлянд В.И. Ориентационное упрочнение эпоксидной смолы в процессе полимеризации. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 67 – 74. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-67-74
Литература содержит 21 ссылок.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Драчев К.А., Казарбин А.В., Римлянд В.И. Ориентационное упрочнение эпоксидной смолы в процессе полимеризации. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 67 – 74. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-67-74
1. Бартенев Г.М., Зуев Ю.С.Прочность и разрушение высокоэластичных материалов. Москва, Изд. Химия, 1964, 387 с. / Bartenev G.M., Zuev Yu.С. Prochnost’ i razrushenie vysokoelastichnyh materialov [Highly elastic materials strength and fracture]. Moscow, Chemistry Publ., 1964, 387 p. (In Russ.).
2. Бабаевский П.Г., Виноградов В.М Головкин Г.С., Перов Б.В., Рыбин А.А. Термопласты конструк­ционного назначения. Москва, Изд. Химия, 1975, 240 с. / Babaevsky P. G., Vinogradov V.M Golovkin G. S., Perov B. V., Rybin A. А. Termoplasty konstrukcionnogo naznacheniya [Thermoplastics for use in structural applications]. Moscow, Chemistry Publ., 1975, 240 p. (In Russ.).
3. Олейник Э.Ф., Мазо М.А., Стрельников И.А., Руднев С.Н., Саламатина О.Б. Механизм плас­тич­ности стеклообразных полимеров: картина по результатам компьютерного моделирования. Высокомолекулярные соединения. Серия А, 2018, т. 60, № 1, с. 3 − 57. / Oleinik E.F., Mazo M.A., Strelnikov I.A., Rudnev S.N., Salamatina O.B. Plasticity mechanism for glassy polymers: computer simulation picture. Polymer Science. Series A, 2018, v. 60, no. 1, pp. 1 − 49.
4. Hoy R.S., Robbins M.O. Strain hardening of polymer glasses: Effect of entanglement density, temperature, and rate. Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics, 2006, v. 44, no. 24, pp. 3487 − 3500.
5. Padhye N. Physics of deformation in polymer glasses and deformation-induced molecular mobility. Springer, Briefs in Materials, 2021, pp. 35 − 57.
6. Senden D.J.A. Strain hardening and anisotropy in solid polymers. Technische Universiteit Eindhoven, 2013, 120 p.
7. Hay I.L., Keller A. A study on orientation effects in polyethylene in the light of crystalline texture: Part 1 The molecular orientation on heat relaxation. Journal of Materials Science, 1966, no. 1, pp. 41 − 51.
8. Bryan Ellis Chemistry and technology of epoxy resins. Springer, 1993, 344 p.
9. Rimlyand V.I., Starikova V.N., Bakhantsov A.V. Dynamics of mechanical, acoustical, and electrical properties of epoxy-amine compositions during cure. Journal of Applied Polymer Science, 2010, v. 117, no. 1, p. 143 − 147.
10. Федосеев М.С., Державинская Л.Ф., Антипин В.Е., Цветков Р.В. Синтез и свойства полимеров и композитов, полученных при отверждении эпоксидных смол 3,5-диэтилтолуилендиамином. Материаловедение, 2018, № 1, c. 36 − 42. / Fedoseev M.S., Derzhavinskaya L.F., Antipin V.E., Tsvetkov R.В. Polymers and composites produced from epoxy resins cured with 3,5-diethyltoluenediamine: synthesis and properties. Inorganic Materials: Applied Research, 2018, v. 9, no. 4, pp. 719 − 725.
11. Драчёв К.А., Казарбин А.В., Римлянд В.И. Исследование изменения механических и акустических свойств эпоксидных смол при большом времени полимеризации. Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2023, т. 89, № 4, с. 63 − 70. / Drachev K.A., Kazarbin A.V., Rimlyand V.I. Study of changes in the mechanical and acoustic properties of epoxy resins under long-time polymerization. Industrial Laboratory. Materials Diagnostics, 2023, v. 89, no. 4, pp. 63 − 70. (In Russ.).
12. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. Москва, Машиностроение, 1990, 528 с. / Lakhtin Y.M., Leontieva V.P. Materialovedenie [Materials Science]. Moscow, Mechanical Engineering Publ., 1990, 528 p. (In Russ.).
13. Римлянд В.И., Ростовская В.Н. Динамика меха­нических и акустических свойств отверждающихся эпоксиаминных составов. Белгород, Изд. Белгородского университета кооперации, экономики и права, 2015, 124 с. / Rimlyand V.I., Rostovskaya V.N. Dinamika mekha­nicheskih i akusticheskih svojstv otverzhdayushchihsya epoksiaminnyh sostavov [Dynamics of mechanical and acoustic properties of curing epoxy amine formulations]. Belgorod, Publishing House of the Belgorod University of Cooperation, Economics and Law, 2015, 124 p. (In Russ.).
14. Энциклопедия полимеров. Т.2. Москва, Советская энциклопедия, 1974, 1032 с. / Enciklopediya polimerov [Encyclopaedia of polymers]. V. 2. Moscow, Soviet Encyclopaedia Publ., 1974, 1032 p. (In Russ.).
15. Бартенев Г.М. Структура и релаксационные свойства эластомеров. Москва, Изд. Химия, 1979, 288 с. / Bartenev G.М. Struktura i relaksacionnye svojstva elastomerov [Structure and relaxation characteristics of elastomers]. Moscow, Chemistry Publ., 1979, 288 p. (In Russ.).
16. Перепечко И.И. Введение в физику полимеров. Москва, Изд. Химия, 1978, 312 с. / Perepechko I.I. Vvedenie v fiziku polimerov [Introduction to Polymer Physics]. Moscow, Chemistry Publ., 1978, 312 p. (In Russ.).
17. Римлянд В.И., Старикова В.Н., Кондратьев А.И., Король А.А. Динамика дисперсионных характе­ристик акустических параметров полимери­зующихся составов. Вестник Тихоокеанского госу­дарственного университета, 2009, № 3(14), с. 23 − 32. / Rimlyand V.I., Starikova V.N., Kondratiev A.I., Korol A.A. Dinamika dispersionnyh harakteristik akusticheskih parametrov polimerizuyushchihsya sostavov [Dynamics of dispersion characteristics of acoustic parameters of polymerising formulations]. Vestnik Tihookeanskogo gosudarstvennogo universiteta [Pacific State University Bulletin], 2009, no. 3(14), pp. 23 − 32. (In Russ.).
18. Куличихин С.Г., Горбунова И.Ю., Кербер М.Л., Самардуков Е.В. Реокинетика отверждения эпоксиаминной системы в области стеклования. Высокомолекулярные соединения. Серия Б, 1995, т. 37, № 3, с. 533 − 536. / Kulichikhin S.G., Gorbunova I.Yu., Kerber M.L., Samardukov E.V. Rheokinetics of curing of epoxy amine systems in the glass transition region. Polymer Science. Series B, 1995, v. 37, no. 3, pp. 533 − 536. (In Russ.).
19. Mark H.F., Bikales M., Menges O. Encyclopedia of polymer science and engineering. V.1. New York, Wiley-Interscience, 1987, 840 p.
20. Косарев А.В., Студенцов В.Н. Структурная модель изменения вязкости в процессе отверждения олигомерной смолы ЭД-20. Пластические массы, 2019, № 1 − 2, с. 3 − 5. / Kosarev A.V., Studentsov V.N. Strukturnaya model’ izmeneniya vyazkosti v processe otverzhdeniya oligomernoj smoly ED-20 [Structural model of viscosity change during curing of ED-20 oligomer resin]. Plasticheskie massy [Plastic Masses], 2019, no. 1−2, pp. 3 − 5. (In Russ.).
21. Аскадский А.А. Деформация полимеров. Москва, Изд. Химия, 1973, 448 с. / Askadsky A.A. Deformaciya polimerov [Polymer deformation]. Moscow, Chemistry Publ., 1973, 448 p. (In Russ.).
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Влияние предварительной подготовки исходного материала и состава газовой среды
на характеристики активированных углей из хлопкового пуха при двухэтапном сверхвысокочастотном нагреве

Е. В. Матвеев, А. И. Гайдар, Б. А. Лапшинов, В. В. Берестов

Исследовано влияние предварительной подготовки исходного материала и состава газовой среды на адсорбционные и микроструктурные характеристики активированных углей, полученных из хлопкового пуха путем двухэтапного сверхвысокочастотного нагрева. Образцы хлопкового пуха пропитывали 5 % раствором H3PO4, формовали в виде 3-х типов цилиндров: I — без надрезов, II — с поперечными надрезами, III — из измельчённого пуха–“крошки”. В ходе двухэтапного СВЧ нагрева: первый этап — карбонизация в среде Ar, CO2 или N2в течение 60 с, второй — активация на воздухе в течение 50 с, образцы пуха полностью карбонизируются и активируются. Установлено, что двухэтапный процесс позволяет достичь более высоких показателей адсорбционной ёмкости готового активированного угля по индикатору метиленовому синему по сравнению с одноэтапным СВЧ нагревом в течение 120 с. Показано, что за счёт надрезания или измельчения обрабатываемых образцов можно дополнительно увеличить адсорбционную ёмкость. Причинами более высокой адсорбционной ёмкости карбонизированных образцов типа III являются более высокая однородность плотности за счёт измельчения исходного материала, позволяющая достичь более высоких температур карбонизации в установившемся режиме (до 1100 °C в среде CO2). Измельчение также приводит к дополнительному развитию поверхности как за счёт рассечения волокна на несколько фрагментов, так и за счет расслоения стенки волокон в процессе карбонизации.

Ключевые слова: СВЧ нагрев, активированный уголь, хлопковые волокна, растровая электронная микроскопия.

DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-75-84
Матвеев Егор Владимирович — ФГБНУ НИИ Перспективных материалов и технологий (105187 Москва, Щербаковская ул., 53), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, специалист в области исследований физико-механических свойств материалов. E-mail: maegor@gmail.com.
Гайдар Анна Ивановна — ФГБНУ НИИ Перспективных материалов и технологий (105187 Москва, Щербаковская ул., 53), кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, специалист в области электронной микроскопии и элементного микроанализа. E-mail: a_i_g@bk.ru.
Лапшинов Борис Алексеевич — ФГБНУ НИИ Перспективных материалов и технологий (105187 Москва, Щербаковская ул., д. 53), кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, специалист в области лазерных технологий и спектральной пирометрии. E-mail: lbaniipmt@mail.ru.
Берестов Валентин Викторович — ФГБНУ НИИ Перспективных материалов и технологий (105187 Москва, Щербаковская ул., 53), младший научный сотрудник, специалист в области конструкционных наноматериалов. E-mail: vberestov97@gmail.com.
Ссылка на статью:
Матвеев Е. В., Гайдар А. И., Лапшинов Б. А., Берестов В. В. Влияние предварительной подготовки исходного материала и состава газовой среды на характеристики активированных углей из хлопкового пуха при двухэтапном сверхвысокочастотном нагреве. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 75 – 84. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-75-84
Литература содержит 35 ссылок.

См. подробнее о статье на сайте e-library
Литература/References
к статье Матвеев Е. В., Гайдар А. И., Лапшинов Б. А., Берестов В. В. Влияние предварительной подготовки исходного материала и состава газовой среды на характеристики активированных углей из хлопкового пуха при двухэтапном сверхвысокочастотном нагреве. Перспективные материалы, 2024, № 9, c. 75 – 84. DOI: 10.30791/1028-978X-2024-9-75-84
1. Jjagwe J., Olupot P.W., Menya E., Kalibbala, H.M. Synthesis and application of granular activated carbon from biomass waste materials for water treatment: A review. Journal of Bioresources and Bioproducts, 2021, v. 6, no. 4, pp. 292 – 322.
2. Mojiri A., Zhou J. Production of biochar from biowaste and its application in wastewater treatment. Current Developments in Biotechnology and Bioengineering, Elsevier, 2023, pp. 149 – 193.
3. Biloé S., Goetz V., Guillot A. Optimal design of an activated carbon for an adsorbed natural gas storage system. Carbon, 2002, v. 40, no. 8, pp. 1295 – 1308.
4. Beguin F., Frackowiak E. Carbons for electrochemical energy storage and conversion systems. CRC Press, 2009, 529 p.
5. Thach N.K., Krechetov I.S., Berestov V.V., Kan O.I., Maslochenko I.A., Lepkova T.L., Stakhanova S.V. The role and effect of CO2 flow rate on the structure formation of ultrahigh porous activated carbon from H3PO4-impregnated waste cotton used as supercapacitor electrode material. Наносистемы: физика, химия, математика, 2023, т. 14, № 4, с. 489 – 497. / Thach N.K., Krechetov I.S., Berestov V.V., Kan O.I., Maslochenko I.A., Lepkova T.L., Stakhanova S.V. The role and effect of CO2 flow rate on the structure formation of ultrahigh porous activated. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 2023, v. 14, no. 4, pp. 489 – 497.
6. Chen M., Kang X., Wumaier T., Dou J., Gao B., Han Y., Zhang L. Preparation of activated carbon from cotton stalk and its application in supercapacitor. Journal of Solid State Electrochemistry, 2013, v. 17, pp. 1005 – 1012.
7. Tian X., Ma H., Li Z., Yan S., Ma L., Yu F., Wong C. Flute type micropores activated carbon from cotton stalk for high performance supercapacitors. Journal of Power Sources, 2017, v. 359, pp. 88 – 96.
8. He Z., Uchimiya S.M., Guo M. Production and characterization of biochar from agricultural by-products: overview and use of cotton biomass residues. Agricultural and Environmental Applications of Biochar: Advances and Barriers, 2016, v. 63, pp. 63 – 86.
9. Li Z., Guo D., Liu Y., Wang H., Wang L. Recent advances and challenges in biomass-derived porous carbon nanomaterials for supercapacitors. Chemical Engineering Journal, 2020, v. 397, art. 125418.
10. Ellison C., McKeown M.S., Trabelsi S., Boldor D. Dielectric properties of biomass/biochar mixtures at microwave frequencies. Energies, 2017, v. 10, no. 4, art. 502.
11. Shrestha R.M. Effect of preparation parameters on methylene blue number of activated carbons prepared from a locally available material. Journal of the Institute of Engineering, 2016, v. 12, no. 1, pp. 169 – 174.
12. Villota E.M., Lei H., Qian M., Yang Z., Villota S.M.A., Zhang Y., Yadavalli G. Optimizing microwave-assisted pyrolysis of phosphoric acid-activated biomass: impact of concentration on heating rate and carbonization time. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, v. 6, no. 1, pp. 1318 – 1326.
13. Ao W., Fu J., Mao X., Kang Q., Ran C., Liu Y., Dai J. Microwave assisted preparation of activated carbon from biomass: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, v. 92, pp. 958  979.
14. Duan X., Srinivasakannan C., Wang X., Wang F., Liu X. Synthesis of activated carbon fibers from cotton by microwave induced H3PO4 activation. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2017, v. 70, pp. 374 – 381.
15. Karakoç G., Keskİn F., Demİrcİ Ç.E., Aktürk S. The effect of pre-washing process with NaOH solution on the surface area in activated carbon production. Usak University Journal of Engineering Sciences, 2023, v. 6, no. 2, pp. 74 – 82.
16. Paraskeva P., Kalderis D., Diamadopoulos E. Production of activated carbon from agricultural by-products. Journal of Chemical Technology & Biotechnology: International Research in Process, Environmental & Clean Technology, 2008, v. 83, no. 5, pp. 581  592.
17. Santi D., Triyono W.T., Falah I.I. Template-free synthesis of porous carbon from merbau wood by H2O2-ZnCl2 hydrothermal treatment. Asian Journal of Chemistry, 2020, v. 32, no. 4, pp. 810  814.
18. Kazemipour M., Ansari M., Tajrobehkar S., Majdzadeh M., Kermani H.R. Removal of lead, cadmium, zinc, and copper from industrial wastewater by carbon developed from walnut, hazelnut, almond, pistachio shell, and apricot stone. Journal of Hazardous Materials, 2008, v. 150, no. 2, pp. 322-327.
19. El-Hendawy A.N.A. An insight into the KOH activation mechanism through the production of microporous activated carbon for the removal of Pb2+ cations. Applied Surface Science, 2009, v. 255, no. 6, pp. 3723 – 3730.
20. Özdemir M., Bolgaz T., Saka C., Şahin Ö. Preparation and characterization of activated carbon from cotton stalks in a two-stage process. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2011, v. 92, no. 1, pp. 171 – 175.
21. Yang K., Peng J., Srinivasakannan C., Zhang L., Xia H., Duan X. Preparation of high surface area activated carbon from coconut shells using microwave heating. Bioresource Technology, 2010, v. 101, no. 15, pp. 6163 – 6169.
22. Li W., Peng J., Zhang L., Yang K., Xia H., Zhang S., Guo S.H. Preparation of activated carbon from coconut shell chars in pilot-scale microwave heating equipment at 60 kW. Waste Management, 2009, v. 29, no. 2, pp. 756 – 760.
23. Deng H., Yang L., Tao G., Dai J. Preparation and characterization of activated carbon from cotton stalk by microwave assisted chemical activation—application in methylene blue adsorption from aqueous solution. Journal of Hazardous Materials, 2009, v. 166, no. 2 – 3, pp. 1514 – 1521.
24. Doczekalska B., Bartkowiak M., Waliszewska B., Orszulak G., Cerazy-Waliszewska J., Pniewski T. Characterization of chemically activated carbons prepared from miscanthus and switchgrass biomass. Materials, 2020, v. 13, no. 7, art. 1654.
25. Cabrales L., Abidi N., Manciu F. Characterization of developing cotton fibers by confocal Raman microscopy. Fibers, 2014, v. 2, no. 4, pp. 285 – 294.
26. Demiral İ., Şamdan C.A. Preparation and characterisation of activated carbon from pumpkin seed shell using H3PO4. Anadolu University Journal of Science and Technology A-Applied Sciences and Engineering, 2016, v. 17, no. 1, pp. 125 – 138.
27. Hesas R.H., Arami-Niya A., Daud W.M.A.W., Sahu J.N. Preparation and characterization of activated carbon from apple waste by microwave-assisted phosphoric acid activation: application in methylene blue adsorption. BioResources, 2013, v. 8, no. 2, pp. 2950 – 2966.
28. Gordon S., Hsieh Y.L. Cotton: Science and technology. Woodhead Publishing, 2006, 568 p.
29. Приказ Росприроднадзора от 22.05.2017 № 242 (ред. 18.01.2024) “Об утверждении Федерального классификационного каталога отходов”. / Prikaz Rosprirodnadzora ot 22.05.2017 № 242 (red. 18.01.2024) “Ob utverzhdenii Federal’nogo klassifikacionnogo kataloga othodov” [Rosprirodnadzor Order no. 242 of 22.05.2017 (ed. 18.01.2024) “On approval of the Federal classification catalog of wastes”].
30. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. Москва, Физматлит, 2012, 248 c. / Magunov A.N. Spektral’naya pirometriya [Spectral pyrometry]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2012, 248 p. (In Russ.).
31. Бослаф С. Статистика для всех. Москва, ДМК Пресс, 2015. 586 с. / Boslaugh S. Statistics in a nutshell, 2nd Edition. O’Reilly Media, Inc., 2013, 591 p.
32. Матвеев Е.В., Гайдар А.И., Лапшинов Б.А., Мамонтов А.В., Берестов В.В. СВЧ карбонизация хлопкового волокна для получения углеродных материалов. Перспективные материалы, 2021, № 11, с. 54 – 68. / Matveev E.V., Gajdar A.I., Lapshinov B.A., Mamontov A.V., Berestov V.V. Microwave carbonization of cotton fiber for production of carbon materials. Inorganic Materials: Applied Research, 2022, v. 13, no. 2, pp. 549 – 559.
33. Матвеев Е.В., Гайдар А.И., Лапшинов Б.А., Мамонтов А.В., Берестов В.В. Температурная динамика карбонизации хлопковых волокон микро­волновым излучением на воздухе. Физика и химия обработки материалов, 2022, № 5, с. 63 – 74. / Matveev E.V., Gajdar A.I., Lapshinov B.A., Mamontov A.V., Berestov V.V. Temperaturnaya dina­mika karbonizatsii khlopkovykh volokon mikrovolnovym izlucheniyem na vozdukhe [Temperature dynamics of carbonization of cotton fibers by microwave radiation in air]. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov [Physics and Chemistry of Materials Treatment], 2022, no. 5, pp. 63 – 74. (In Russ.).
34. Одинцова О.И., Кротова М.Н., Смирнова С.В. Основы текстильного материаловедения: текст лекций. Иваново, ИГХТУ, 2008, 63 с. / Odintsova O.I., Krotova M.N., Smirnova S.V. Osnovy tekstil’nogo materialovedeniya: tekst lektsij [Fundamentals of textile materials science: text of lectures]. Ivanovo, ISUCT Publ., 2008, 63 p. (In Russ.).
35. Jareczek J.J., Grover C.E., Wendel J.F. Cotton fiber as a model for understanding shifts in cell development under domestication. Frontiers in Plant Science, 2023, v. 14, art. 1146802.
Made on
Tilda