Revista >> Iulie - August 2015 [Nr. 177] >> Cercetare & Invatamant superior

ICPE-CA - Centru de referinţă în domeniul ştiinţei şi tehnologiei materialelor carbonice

Ing.fiz. Iulian Iordache, cercetator ICPE-CA

24 August 2015

În cadrul ICPE-CA, Colectivul de Materiale Carbonice are o tradiţie de peste 50 de ani de cercetări în domeniu, păstrând în tot acest timp o legatură permanentă cu industria, încercând să satisfacă necesităţile acesteia. Printr-o cercetare rigurosă şi de calitate, colectivul a reuşit obţinerea unor rezultate remarcabile în elaborarea materialelor carbonice şi a tehnologiilor de obţinere a acestora. Performanţele tehnologiilor şi ale materialelor produse au reprezentat baza unor transferuri de tehnologie în industrie (SC ROFEP Urziceni, SC ROSEAL Odorheiul Secuiesc).

Deşi destinaţia iniţială a cercetărilor a reprezentat-o elaborarea materialelor folosite la producerea periilor electrice pentru motoare şi generatoare, activitatea continuă de cercetare-dezvoltare a permis Colectivului să devină unul de referinta în domeniul ştiinţei şi tehnologiei materialelor carbonice. Cercetările au fost orientate către obţinerea unor materiale carbonice cu performanţe deosebite faţă de materialele clasice.

Expertiză bogată, tehnologii neconvenţionale, recunoaştere internaţională
Domeniul în care ICPE-CA posedă o bogata experienţă cuprinde perii electrice din metal-grafit pentru echipamente auto, perii electrice din argint-grafit pentru aviaţie, perii electrice din bachelit-grafit pentru inele colectoare şi rotoare cu viteză periferică mare, perii electrice din electrografit pentru toate motoarele industriale, perii electrice pentru toate motoarele de curent continuu.

În derularea cercetărilor privind obţinerea materialelor clasice şi a celor avansate, s-au dezvoltat tehnologii de producţie cu adaptare rapidă la necesităţile impuse de producerea unui material cu o destinaţie specială. Acest mod de lucru, secondat de cererea din partea utilizatorilor pentru materiale tot mai performante, a permis dezvoltarea unor tehnologii de procesare noi si lărgirea colaborării cu alte organizaţii din afara institutului. Departamentul a început să fie recunoscut în Europa ca urmare a participarii la proiecte internaţionale de cooperare ale UE şi NATO Science for Peace.

Expansiune prin materiale compozite
Prin extinderea gamei de materiale compozite către compozite cu matrice ceramică şi faze dispersate de grafit sau alte tipuri de carbon conductiv, au fost identificate oportunităţi de extindere în domeniul materialelor de absorbţie/ecranare a undelor electromagnetice şi al rezistorilor volumici carbon-cermică cu comportament de tip varistor. Având o rezistenţă de volum de 40mΩ, aceştia au fost destinaţi pentru protecţia vagoanelor CFR de călători la curenţi accidentali. Viziunea a fost de a "croi" noi compozite carbon/ceramică şi de a extinde gama de materiale avansate, de aplicaţii inovative care să utilizeze materiale carbonice nanostructurate şi materiale pe bază de mezofază carbonică. S-au realizat materiale compozite absorbante de radiaţii electromagnetice, materiale compozite carbon-ceramică, precum şi materiale carbonice nanocompozite cu caracteristici de atenuare variabile, cu atenuări de până la 65-70 dB, ce reprezinta soluţii de ultimă oră în domeniul ecranării electromagnetice.

Dezvoltarea continuă a infrastructurii de cercetare din cadrul Colectivului a condus şi la realizarea unei instalaţii de laborator, concepţie ICPE-CA, ce are capcitatea de a produce fibre carbonizate sau grafitizate din precursori fibre PNA (poliacrilonitrilice). Astfel, s-a extins gama de materiale compozite C/C, precum compozitele carbonice poroase de tip monolit cu fibre de carbon ulilizate ca filtre pentru sisteme de purificare şi filtrare a gazelor, sau compozitele polimere ranforsate cu fibre de carbon pentru aplicaţii structurale destinate industriilor aerospaţială şi de transporturi, cu un modul de elasticitate 50-70 GPa şi o rezistenţă mecanică 300-600 Mpa, sau compozitele C/C pentru aplicaţii tribologice cu un modul de elasticitate 10-30 GPa, o rezistenţă mecanică 100-300 MPa şi un coeficient de frecare de maximum 0,25.

Colectivul de materiale carbonice a avut un rol extrem de important şi în dezvoltarea de materiale noi pentru electrozi, utilizaţi în realizarea supercapacitorilor. Pentru supercapacitorii cu electrozi din material hibrid polimer – CNT, dezvoltat în ICPE-CA, s-a obţinut o capacitate totală între 500 – 1500 mF, corespunzător unei capacităţi specifice a electrozilor între 50 – 300 mF/cm2, la tensiune de funcţionare între 0 - 1 V şi frecvenţă între 10 mHz – 100 kHz, factorul de disipare fiind <1.

Obţinerea de fibre de tip toron tors din nanotuburi de carbon pentru aplicaţii în electrotehnică şi electronică este o altă direcţie de cercetare-inovare a Colectivului. Se estimează că aceste fibre lungi cu nanotuburi carbonice vor avea o conductivitate electrică comparabilă cu a cuprului, aurului şi a aliajelor de aluminiu, însă cu o conductivitate termică mult mai bună şi o rezistenţă la întindere de cel puţin patru ori mai mare decât a aliajelor de aluminiu, sau de 20 de ori mai mare decât a cuprului. Fibre subţiri cu CNT ar putea fi utilizate în locul cablurilor groase de cupru. Cercetătorii din cadrul grupului speră să dezvolte astfel de fibre din nanotuburi carbonice care să fie utilizate în producerea de cabluri electrice sau în înfăşurările motoarelor electrice. O altă directie de cercetare vizată este filarea umedă în care aglomerări de nanotuburi ar putea fi dizolvate într-o baie de acid clorosulfonic, apoi pulverizate prin orificii mici pentru a crea fire lungi (pot avea sute de metri) de nanotuburi carbonice şi în final înfăşurate pe o bobină mare şi lăsate să se usuce.

Odată cu noile facilitaţi tehnologice, cum este EasyTube 200 – First Nano (Figura 1), cercetătorii ICPE-CA şi-au extins preocupările şi în domeniul materialelor carbonice noi, căpătând experienţă în ultimii ani în domeniul preparării nanotuburilor şi a nanofibrelor de carbon prin metoda descompunerii catalitice a hidrocarburilor (CVD – Descompunere Chimică din fază de Vapori). Prin această metoda au reuşit să obţină diferite tipuri de nanostructuri de carbon: grafene, nanofibre, nanotuburi cu un singur perete (SWNT) şi nanotuburi cu mai multi pereţi (MWNT).