Стеклогерметики – материалы, востребованные в ряде высокотехнологичных областей благодаря своей высокой химической устойчивости и возможности легко управлять их составом и свойствами. Как любые стекла, эти материалы отличаются отсутствием кристаллической решетки, что позволяет им размягчаться без плавления и обеспечивать надежные соединения в местах, которые требуют абсолютной герметичности.
Наиболее перспективная сфера применения стеклогерметиков, как объяснили ученые, —изготовление твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Преимущества таких устройств, преобразующих химическую энергию в электрическую, — мобильность, высокая экологичность и очень высокий коэффициент полезного действия — до 70 процентов. При этом для ТОТЭ подходит практически любой вид топлива: водород, газообразные углеводороды, аммиак, биогаз и другие.
Стеклогерметики применяют для соединения единичных элементов ТОТЭ в полнофункциональную батарею. Рабочая температура таких элементов может достигать 900 ℃. Выдерживать эту нагрузку, сохраняя необходимые свойства, способны стекла особого состава, объяснили ученые. По их словам, промышленные технологии производства таких герметиков сейчас активно создаются во всем мире.
Специалисты Вятского государственного университета разработали материал, способный, по их словам, обеспечить ресурс работы ТОТЭ в несколько десятков тысяч часов, что позволяет отечественному стеклогерметику составить конкуренцию зарубежным аналогам.
Работы научного коллектива, посвященные этой теме, опубликованы в журналах Ceramics International, Inorganic Synthesis and Industrial Inorganic Chemistry и Journal of Physics: Conference Series.
Идеальные соединения
Ключевой момент при сборке ТОТЭ в батареи — достижение абсолютной герметичности всех соединений. Даже микроскопическое отверстие в герметике приведет к выходу из строя всей батареи, объяснили ученые.
Слабое место при производстве устройств на основе ТОТЭ — качественное сочленение единичных элементов. У устройств этого типа большое будущее, и без наших материалов развитие и внедрение этой технологии попросту невозможно, —
рассказала старший научный сотрудник центра компетенций "Полимерные материалы" ВятГУ Наиля Саетова.
Решение проблемы быстрой и надежной сборки батарей топливных элементов, впервые предложенное специалистами Вятского государственного университета, — применение особых полимерных добавок и 3D-печати для изготовления деталей из стеклогерметика. Такой подход не только позволяет получать изделия точной формы, но и дает возможность управлять их поведением в процессе сборки батарей ТОТЭ. Также при этом значительно снижается объем производственных отходов и себестоимость устройств, отметили ученые.
Стеклянная изоляция
Наши материалы уже успешно прошли проверку при изготовлении реальных устройств. Результаты исследований вызвали большой интерес со стороны зарубежных коллег, а также производителей электрохимических генераторов энергии, —
рассказал заведующий кафедрой технологии неорганических веществ и электрохимических производств ВятГУ Антон Кузьмин.
Новый герметик, по словам создателей, отличается стабильностью в контакте с другими материалами ТОТЭ и низкой склонностью к кристаллизации, что обеспечивает длительный срок службы устройств. Еще одна особенность новых материалов, — возможность использовать их при создании ТОТЭ любой геометрии (планарной, трубчатой, блочной).
В дальнейшем научный коллектив намерен продолжить поиск эффективных составов герметика и адаптировать метод 3D-печати для серийного производства изделий из стеклополимеров.
Работы проводятся при поддержке, в том числе Российского научного фонда. Проектом по разработке новых материалов на основе стекла, объединяющим специалистов Вятского государственного университета и ученых академических институтов Новосибирска и Екатеринбурга, руководит член-корреспондент РАН А.П. Немудрый, директор Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения РАН. Индустриальным партнером проекта выступает ЗАО "Научно исследовательский центр "Топаз".
К исследованиям в этой области активно привлекаются студенты Вятского государственного университета, обучающиеся в магистратуре по направлениям "Технология и переработка полимеров и композитов" и "Технология электрохимических процессов и защита от коррозии".
