Результаты и разработки, доведенные до готовности

Результаты и разработки, доведенные до готовности в 2022 г.

1. Визуализация со сверхвысоким разрешением при помощи расходящегося жгута оптических волокон с высоким показателем преломления

Катыба, И.Н. Долганова, В.Н. Курлов (с соавторами)

Жгуты оптических волокон могут быть использованы для получения изображений с разрешением, превышающим дифракционный предел Аббе. В качестве основы для жгута используются сапфировые волокна диаметром 300 мкм, которые обеспечивают очень хорошую локализацию ТГц излучения в сердцевине волокна за счет высокого показателя преломления в ТГц диапазоне и, следовательно, высокое разрешение изображения. Нами разработан, изготовлен и охарактеризован жгут расходящихся сапфировых волокон для проведения визуализации с субволнововым разрешением. Волокна расходятся из плоскости объекта (передняя плоскость жгута) и, таким образом, растягивают захваченное ближнее поле, после чего оно считывается из плоскости изображения с помощью обычной дифракционно-ограниченной оптики. Жгут расходящихся волокон был исследован вначале численно, а затем создан и исследован экспериментально на частоте 0.33 ТГц. Подтверждено, что такой жгут обладает разрешением, превышающим предел Аббе (среднее значение составляет 0.35 λ, где λ=917 мкм).

Схема проведения ближнепольной визуализации при помощи расходящегося жгута волокон (а); осевое сечение конусообразного жгута с геометрическими размерами (б).

Публикация: Katyba, G.M. Superresolution Imaging Using a Tapered Bundle of High-Refractive-Index Optical Fibers / G.M. Katyba, M. Skorobogatiy, D.G. Melikyants, N.V. Chernomyrdin, A.N. Perov, E.V. Yakovlev, I.N. Dolganova, I.E. Spektor, V.V. Tuchin, V.N. Kurlov, K.I. Zaytsev // Physical Review Applied. – 2022. – Vol. 18, Iss. 3. – P. 34069. – DOI:10.1103/PhysRevApplied.18.034069

Грант РНФ 22-72-10033

Физические науки, направление 1.3.5. «Оптика и лазерная физика»

2. Разработка промышленной технологии изготовления трехслойных мембран и несущих анодных подложек для высокоэффективных твердооксидных топливных элементов

Е.А. Агаркова, Д.А. Агарков, И.Н. Бурмистров, И.Е. Курицына, Д.В. Яловенко, С.И. Бредихин

В результате комплексных исследований ионной проводимости, механических характеристик и особенностей формирования многослойных газоплотных мембран на основе анионного проводника стабилизированного ZrO₂ разработана и внедрена промышленная технология изготовления трехслойных мембран с составом 6ScSZ|10Sc1YSZ|6ScSZ размером 100х100 мм и толщиной 150 мкм для высокоэффективных ТОТЭ первого поколения. В мае 2022 года по Техническим условиям ТУ 23.44.12.190-193-30742093-2022 на предприятии АО «НЭВЗ-КЕРАМИКС» (г. Новосибирск) начато промышленное производство трехслойных мембран, являющихся основой ТОТЭ на несущем электролите (Рисунок 1).

С целью разработки промышленной технологии изготовления двухслойных анодных подложек для ТОТЭ на несущем аноде изучены процессы переноса заряда, протекание окислительно-восстановительных реакций и механические характеристики анодов ТОТЭ [1-2]. Создана промышленная технология изготовления на оборудовании АО «НЭВЗ-КЕРАМИКС» двухслойных анодных подложек для ТОТЭ второго поколения (Рисунок 2).

Рисунок 1 Трехслойные мембраны анионного проводника 6ScSZ|10Sc1YSZ|6ScSZ размером 100х100 мм и толщиной 150 мкм

Рисунок 2 Двухслойные анодные подложки для ТОТЭ второго поколения, изготовленные на оборудовании АО «НЭВЗ-КЕРАМИКС»

Публикации:

1. Agarkova, E.A. Tape Casting of Bilayered Anode Supports and Electrochemical Performance of SOFCs Based on Them / E.A. Agarkova, O.Yu. Zadorozhnaya, I.N. Burmistrov, D.A. Agarkov, A.A. Solov’ev, A.V. Shipilova, M.N. Levin, Yu.K. Nepochatov, S.I. Bredikhin // Russian Journal of Electrochemistry. – 2022. – Vol. 58, Iss. 2. – P. 114–121. – DOI:10.1134/S1023193522020033

2. Solovyev, A.A. Influence of Deposition Modes and Thermal Annealing on Residual Stresses in Magnetron-Sputtered YSZ Membranes / A.A. Solovyev, S.V. Rabotkin, A.V Shipilova, D.A. Agarkov, I.N. Burmistrov, A.N. Shmakov // Membranes. – 2022. – Vol. 13, Iss. 2. – P. 346. – DOI:10.3390/membranes12030346

Тема ГЗ: «Физика, технология и инженерия дефектов материалов для альтернативных источников энергии, фотовольтаники и сенсорики»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

3. Разработка конструкции и технологических основ твердооксидных топливных элементов с металлическими опорными слоями и монополярной коммутацией

М.Н. Левин, И.Н. Бурмистров, А.У. Шарафутдинов, И.С. Ерилин (с соавторами)

Сущность. Разработаны концепция, конструкции и технология твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) на металл-поддерживающих слоях с монополярной коммутацией (Metal-Supported Monopolar Solid Oxide Fuel Cells – MMS-SOFC).

Новизна. Существенно упрощен технологический процесс изготовления ТОТЭ за счет сокращения числа технологических операций и промежуточных термообработок, в результате использования ударного аэрозольного нанесения анода на несущую пористую стальную подложку, магнетронного осаждения электролита и трафаретной печати катода с однократным финальным отжигом. Предложены новые конструкции с монополярной коммутацией, обеспечивающие существенное повышение гравиметрической и объемной плотностей мощности блоков ТОТЭ на металл-поддерживающих слоях.

Значимость. Предложенная технология является основой для массового производства ТОТЭ на опорных металлических слоях, а предложенные конструкции блоков ТОТЭ с монополярной коммутацией позволяют использовать их для разработки мобильных электрохимических генераторов как для управляемого наземного транспорта, так для беспилотных летательных и подводных аппаратов.

Рис.1. Структура поперечного скола слоев мембранно-электродного блока (МЭБ) ТОТЭ на несущем металле.

Рис.2. Электрохимические характеристики ТОТЭ на несущем металле.

Публикации:

1. Erilin, I.S. Aerosol deposition of anode functional layer for metal-supported solid oxide fuel cells / I.S. Erilin, I.N. Burmistrov, D.A. Agarkov, E.A. Agarkova, D.V. Yalovenko, A.A. Solovyev, S.V. Rabotkin, V.E. Pukha, N.V. Lyskov, S.I. Bredikhin // Materials Letters. – 2022. – Vol. 306, Iss. 1. – P. 130924. – DOI:10.1016/j.matlet.2021.130924

2. Патент РФ 212913 (12.08.2022) «Блок твердооксидных топливных элементов планарной геометрии с центрально-осевым участком склейки». И.Н. Бурмистров, И.С. Ерилин, М.Н. Левин, С.И. Бредихин.

Х/Д №1316-22 с ООО «Инновационные энергетические системы» (ООО «ИНЭСИС») ГК «ЭФКО»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

4. Способ получения высокотемпературного материала на основе карбида кремния и силицида молибдена

Шикунов С.Л., Каледин А.В., Курлов В.Н.

Разработан метод получения керамического композиционного материала на основе карбида кремния и силицида молибдена. В основе разработки лежит способ получения многофункциональной карбидокремниевой керамики [Шикунов С.Л., Курлов В.Н., Шикунова И.А. Патент РФ № 2573146.], который основан на взаимодействии расплава кремния с углеродом, находящимся в заранее скомпонованной заготовке определенного состава и пористости. На этапе подготовки композиции из углеродных порошков различных фракций и коксующегося связующего в состав шихты добавляется порошок молибдена. После перемешивания и прессования/формования углеродно-металлической заготовки частицы молибдена равномерно распределяются по её объему. При пропитке расплавом кремния (силицировании) кремний реагирует как с углеродом заготовки образуя пространственный SiC каркас, так и с частицами молибдена, образуя силицид. Полученный по разработанному методу керамический композиционный материал со связным SiC каркасом и интегрированным в него силицидом молибдена, имеет повышенную прочность и сопротивление ползучести при высоких температурах и нагрузках.

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

5. Новое поколение жаропрочных сплавов

Карпов М.И.

В Институте физики твердого тела РАН создана новая группа жаропрочных сплавов для применения в области температур выше 1200°С. Структурно новые материалы представляют собой естественные композиты, в которых роль матрицы выполняют твердые растворы на основе молибдена, а упрочняющих фаз – тугоплавкие карбиды. Опытные партии новых материалов изготавливаются на экспериментальной технологической базе ИФТТ РАН. Проведенные высокотемпературные механические испытания новых сплавов показали их возможность выдерживать высокие нагрузки при температурах 1200° и выше в течение нескольких тысяч часов.

Тема ГЗ: «Физика и технологии новых материалов и перспективных структур»

Физические науки, направление 1.3.2. «Физика конденсированных сред и физическое материаловедение»

6. Сапфировый аппликатор для криохирургии с функцией оптического мониторинга состояния ткани

И.Н. Долганова, А.К. Зотов, В.Н. Курлов (с соавторами)

Разработан сапфировый аппликатор для проведения поверхностной криодеструкции биологических тканей, позволяющий восстанавливать толщину замороженного слоя ткани. Функция мониторинга толщины замороженного слоя реализована с помощью волоконно-оптической оснастки, совмещенной с корпусом аппликатора, и основана на регистрации диффузно рассеянного излучения видимого диапазона. Используется четыре волоконных канала подсветки ткани, расположенных на различном удалении от одного канала детектирования. Экспериментальная апробация аппликатора, проведенная с использованием тестового образца, продемонстрировала возможность восстановления толщины замороженного слоя до 10 мм. Разработанный аппликатор позволяет повысить эффективность проведения криохирургического лечения, поскольку не требует применения дополнительных методов и инструментов визуализации для оценки движения ледяного фронта в ткани.

Рис. а) Схема сапфирового криоаппликатора; б) фотография контактного торца; в) результат восстановления толщины замороженного слоя тестового образца в сравнении с непосредственным измерением толщины слоя.

Публикация: I.N. Dolganova, A.K. Zotov, L.P. Safonova, P.V. Aleksandrova, I.V. Reshetov, K.I. Zaytsev, V.V. Tuchin, V.N. Kurlov. “Feasibility test of a sapphire cryoprobe with optical monitoring of tissue freezing,” Journal of Biophotonics, accepted November, 22, 2022.

Грант РНФ 19-79-10212

Физические науки, направление 1.3.5. «Оптика и лазерная физика»