Лаборатория химии и технологии композиционных материалов

Заведующий лабораторией
к.х.н.

Кепман Алексей Валерьевич

Число
публикаций
Общее число
цитирований
Индекс
Хирша
58
455
13
49
400
12
Необходимо авторизоваться.

Организация

Химический факультет МГУ

Области науки

  • Химическая технология

Чем мы занимаемся?

Коллективом лаборатории были разработаны эпоксидные связующие и препреги, нашедшие применение в промышленности. Детали из ПКМ, полученные из них, используются при производстве российских БПЛА, самолетов ИЛ-112 и МС-21, а также в составе космических аппаратов. В лаборатории разрабатываются термостойкие связующие на основе бисмалеимидов и фталонитрилов.

 

ПКМ с термостойкими матрицами уже востребованы в космической отрасли и двигателестроение, и каждые новые улучшения в технологии связующих расширяют потенциал применения композитов. В лаборатории были разработаны легкоплавкие фталонитрильные мономеры, которые позволили впервые в мировой практике получать высокотермостойкие композиты эффективными инжекционными методами. Этот прорыв вызвал высочайший интерес в авиакосмической отрасли и открыл перспективы реальных применений фталонитрилов в качестве матриц для ПКМ.

 

Одними из новых объектов исследований лаборатории стали «умные материалы» на основе электроаткивных полимеров и получаемые с их помощью актуаторы (исполнительные устройства). Ионные электроактивные полимерные композиты способны при приложении разности потенциалов деформироваться заданным образом. Это свойство открывает возможности их применения в качестве материалов с контролируемо изменяемой геометрией, которые могут применяться не только в аэрокосмической отрасли, но и в различных бытовых устройствах.

Используемые методы

  • ЯМР-спектроскопия
  • Высоко-эффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)
  • Термогравиметрия (ТГ)
  • Дифференциальный термический анализ (ДТА)
  • Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК)
  • Улучшенный органический синтез
  • Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
Алексей Кепман

Заведующий лабораторией

Александр Бабкин

Старший научный сотрудник

Борис Булгаков

Старший научный сотрудник

Анна Индейкина

Ведущий Инженер

Анна Кузнецова

Инженер 1 категории

Алексей Боголюбов

Инженер 1 категории

Сергей Нечаусов

Научный сотрудник

Олег Морозов

Инженер 1 категории

Александра Мельниченко

Инженер 1 категории

Екатерина Афанасьева

Младший научный сотрудник

Яков Липатов

Младший научный сотрудник

Направления исследований

Разработка высокотемпературных связующих для полимерных композиционных материалов

+
Разработка высокотемпературных связующих для полимерных композиционных материалов

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) обладают высокими удельными механическими характеристиками, что позволяет их использовать для замены металлических конструкций. Одним из ограничений использования ПКМ является термостойкость, определяемая полимерной матрицей.

 

Полимеры, полученные из фталонитрильных смол, известны как наиболее термостойкие (Тg>400°С) среди термореактивных материалов. Углепластики на основе бис-фталонитрилов рассматриваются в качестве альтернатив металлам при создании лопаток компрессора первой ступени в газотурбинных двигателях, тепловых щитов спускаемых космических аппаратов, обшивки сверхзвуковых самолётов, из-за низкой горючести (КИ > 80%) интерьеров подводных лодок, тоннелей и поездов, корпусов электродвигателей и литиевых батарей. Благодаря высокому коксовому остатку (до 80%) бис-фталонитрилы являются перспективными источниками углерода для производства С/С композиционных материалов.

 

В нашей лаборатории активно ведется поиск новых структур фталонитрильных мономеров, проводится оптимизация схем синтезов для масштабирования в реакторах. Разработка этих мономеров позволила впервые в мире получить ПКМ с фталонитрильными матрицами экономически привлекательными методами вакуумной инфузии и инжекции в форму (RTM). Полученные композиты сохраняют механические свойства при температурах до 400 ℃ и обладают повышенной термоокислительной стабильностью.

 

Разработанные материалы по комплексу свойств не имеют аналогов в мире, защищены Российскими и международными патентами и отличаются от ранее созданных, рядом эксплуатационных и технологических преимуществ.

Акутуаторы на основе электроактивных материалов

+
Акутуаторы на основе электроактивных материалов

Важнейшим критерием, определяющим направление разработок и оптимизации технологий для применения в космических аппаратах, является масса. Применение объемных, тяжелых материалов может существенно ограничить возможности космической миссии. Поэтому создание новых легких, компактных, и прочных материалов является первоочередной задачей.

 

С другой стороны, поиск новых более эффективных технологий, позволяющих изменить сам принцип функционирования и конструкции устройств, выглядит не менее привлекательным. Объединение этих подходов легло в основу создания «умных» материалов, которые способны контролируемо изменять свои свойства под внешним воздействием. К «умным» материалам относят полимеры, обладающие эффектом самозалечивания, полимеры с эффектом памяти формы, а также электроактивные полимеры (ЭАП).

 

В отличие от обычных механических преобразователей, таких как, электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, а также пневматические устройства, в которых движение генерируется посредством изменения относительных положений между их частями, преобразователи на основе умных материалов демонстрируют гибкое движение, благодаря изменению формы или объема самого устройства. Одной из наиболее многообещающих технологий является электромеханические преобразователи на основе ионных ЭАП. Исполнительные устройства (актуаторы) на основе ЭАП представляют собой трехслойное устройство, состоящее из электролитной полимерной пленки, покрытой с двух сторон электродами. При приложении напряжения между электродами происходит набухание одной поверхности устройства за счет миграции ионов электролита, что приводит к деформации всего устройства.

 

Разработки компонентов таких устройств включает синтез новых ионных полимеров (иономеров), отработку технологии изготовления ионных мембран и электродов на основе углеродных нанотрубок. Основной акцент в работе делается на получении устройств, способных длительное время функционировать на воздухе без потери эффективности.

Разработка термостойких материалов 3D-печатью методами стереолитографии

+
Разработка термостойких материалов 3D-печатью методами стереолитографии

Аддитивные технологии, также известные как 3D-печать, в настоящий момент находят широкое применение в производстве прототипов изделий, микрогидродинамике, электронике, энергетике, робототехнике, а также в производстве легких и прочных материалов для авиакосмической области.

 

Стереолитография характеризуется самым высоким разрешением среди аддитивных технологий и позволяет использовать более термостойкие термореактивные полимеры вместо термопластичных полимеров, используемых в распространенном способе 3D-печати методом послойного наплавления (FDM).

 

Существенной проблемой, ограничивающей применение полимерных изделий, является низкая температура эксплуатации. Так один из наиболее термостойких термопластичных полимеров полиэфирэфиркетон имеют температуру стеклования 143°C. Круг мономеров, используемых в стереолитографии, обычно ограничен веществами, содержащими акриловые и эпоксидные группы, которые после фотополимеризации характеризуются еще более низкими термическими свойствами. Поэтому создание фотоотверждаемой композиции с повышенной термической стабильностью открывает путь для этого метода в аэрокосмическую область: для серийной 3D-печати деталей, испытывающих большие трения или находящихся в условиях высоких температур и давлений; для прототипирования конструкций, необходимых для моделирования горячих потоков жидкости или воздуха; для выращивания мастер моделей для использования их в литье под давлением.

 

В настоящий момент для получения изделий с высокой термоокислительной стабильностью методами аддитивных технологий используются селективное лазерное спекание и плавление (SLS, SLM) керамических или металлических порошков. Однако изделия, полученные по SLS и SLM технологиям, обладают следующими недостатками: высокой хрупкостью и большим весом изделий; сложно прогнозируемой усадкой изделия при производстве; высокой стоимостью оборудования и расходных материалов. Нашей группой ведутся разработки термостойкого материала, полученного методом стереолитографии фотополимерной композиции, содержащих фталонитрильные и малеимидные группы в структуре одного из мономеров, способных к фотосополимеризации с акрилатами или метакрилатами.

 

Такие мономеры позволят реализовать для получения термостойких материалов подход двойного отверждения: фотополимеризация для формования геометрии изделия в 3D-принтере и дальнейшая термическая полимеризация сформованного материала для улучшения термомеханических свойств материала.

Публикации и патенты

Q1
Low-melting phthalonitrile monomers containing maleimide group: Synthesis, dual-curing behavior, thermal and mechanical properties
Nechausov S.S., Aleksanova A.A., Morozov O.S., Bulgakov B.A., Babkin A.V., Kepman A.V.
Reactive and Functional Polymers, 2021, цитирований: 1
Q4
Fibre composite materials influence of conditions of catalytic growth of carbon nanostructures on mechanical properties of modified carbon fibres
Tolbin A.Y., Nashchokin A.V., Kepman A.V., Dunaev A.V., Malakho A.P., Morozov V.A., Seleznev A.N., Sorokina N.E., Avdeev V.V.
Fibre chemistry, 2021, цитирований: 0
Q3
Bisphthalonitrile-based Thermosets as Heat-resistant Matrices for Fiber Reinforced Plastics
Bulgakov B.A., Morozov O.S., Timoshkin I.A., Babkin A.V., Kepman A.V.
Polymer Science - Series C, 2021, цитирований: 0
Q3
Trifunctional thermosetting monomer with propargyl and phthalonitrile groups
Yakovlev M.V., Morozov O.S., Afanaseva E.S., Bulgakov B.A., Babkin A.V., Kepman A.V., Avdeev V.V.
Russian Chemical Bulletin, 2020, цитирований: 1
Q2
High-temperature phthalonitrile matrix containing silane fragments
Terekhov V.E., Bogolyubov A.A., Morozov O.S., Afanaseva E.S., Bulgakov B.A., Babkin A.V., Kepman A.V., Avdeev V.V.
Mendeleev Communications, 2020, цитирований: 1
Q3
Heat-Resistant Carbon Fiber Reinforced Plastics Based on a Copolymer of Bisphthalonitriles and Bisbenzonitrile
Timoshkin I.A., Aleshkevich V.V., Afanas’eva E.S., Bulgakov B.A., Babkin A.V., Kepman A.V., Avdeev V.V.
Polymer Science - Series C, 2020, цитирований: 3
Q2
Fluorinated phthalonitrile resins with improved thermal oxidative stability
Terekhov V.E., Morozov O.S., Afanaseva E.S., Bulgakov B.A., Babkin A.V., Kepman A.V., Avdeev V.V.
Mendeleev Communications, 2020, цитирований: 2
Q2
Hydrolysis data for bis(4-cyanophenyl) phenyl phosphate including rate constants and activation parameters
Terekhov V.E., Aleshkevich V.V., Afanaseva E.S., Nechausov S.S., Babkin A.V., Bulgakov B.A., Kepman A.V., Avdeev V.V.
Data in Brief, 2020, цитирований: 2
Q1
Tri-functional phthalonitrile monomer as stiffness increasing additive for easy processable high performance resins
Yakovlev M.V., Morozov O.S., Afanaseva E.S., Bulgakov B.A., Babkin A.V., Kepman A.V.
Reactive and Functional Polymers, 2020, цитирований: 9
Q4
Carbon fabric reinforced addition-cure phenolic resins based on propargyl and allyl ether functional novolac produced by vacuum infusion
Nechausov S., Bulgakov B., Kalugin D., Babkin A., Kepman A., Malakho A., Avdeev V.
Eurasian Chemico-Technological Journal, 2020, цитирований: 1
Q4
Effect of different pore-forming additives on the formation of PVDF microporous membranes for bucky-gel actuator
Morozov O.S., Shachneva S.S., Bulgakov B.A., Babkin A.V., Kepman A.V.
Eurasian Chemico-Technological Journal, 2020, цитирований: 1
Q4
Microporous PVDF ionic membranes for actuator applications prepared with imidazole-based poly(ionic) liquid as a pore forming material
Morozov O.S., Shachneva S.S., Kepman A.V.
IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, цитирований: 3
Q2
Data on synthesis and characterization of sulfonated poly(phenylnorbornene) and polymer electrolyte membranes based on it
Morozov O.S., Bulgakov B.A., Ivanchenko A.V., Shachneva S.S., Nechausov S.S., Bermeshev M.V., Kepman A.V.
Data in Brief, 2019, цитирований: 1
Q1
Bis(4-cyanophenyl) phenyl phosphate as viscosity reducing comonomer for phthalonitrile resins
Terekhov V.E., Aleshkevich V.V., Afanaseva E.S., Nechausov S.S., Babkin A.V., Bulgakov B.A., Kepman A.V., Avdeev V.V.
Reactive and Functional Polymers, 2019, цитирований: 11
Q2
Effect of polymers chemical structure on the membrane characteristics
Ronova I.A., Kryuchkova S.V., Yablokova M.Y., Alentiev A.Y., Gasanova L.G., Buzin M.I., Kepman A.V.
High Performance Polymers, 2018, цитирований: 1
Булгаков Б. А., Алешкевич В. В., Бабкин А. В., Кепман А. В., Авдеев В. В.
RU2712547, 2020
Нечаусов С. С., Яблокова М. Ю., Авдеев В. В., Булгаков Б. А., Калугин Д. И.
RU2699556, 2019
Булгаков Б. А., Бабкин А. В., Кепман А. В., Малахо А. П., Авдеев В. В., Гараджа Н. В., Рогозин А. Д.
RU2616295, 2017

Партнёры

Местонахождение лаборатории

г. Москва, Ленинские горы, дом 1, с 11

Необходимо авторизоваться.