Молодой ученый Томского госуниверситета Яна Дубкова представила на международной конференции в Италии результаты исследования по созданию горючих композитов для газогенераторов методом 3D-печати. В отличие от традиционных составов, разработка основана на смешанном окислителе — фазостабилизированном нитрате аммония в комбинации с перхлоратом аммония. Это позволяет снизить токсичность отходов и сделать системы более экологичными. Работа выполнена в рамках Научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения».
Научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии и научно-исследовательской лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов ТГУ Яна Дубкова представила постерный доклад на 16-м Международном семинаре по горению и реактивному движению в Италии. Конференция собрала ведущих исследователей из девяти стран. Томск представляла команда Научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения» (НЦМУ), а также стратегического технологического проекта «Технологии безопасности», выполняемого в рамках Программы развития Томского государственного университета при поддержке федерального проекта «Приоритет 2030».
Аддитивные технологии производства высокоэнергетических материалов — одно из самых молодых направлений в аддитивном производстве в целом: первые системные работы по печати таких составов появились менее десяти лет назад.
— Эта сфера сейчас развивается стремительно: технологии печати, материалы и подходы к безопасности обновляются каждый год. Ученые здесь работают на стыке наук, им нужно хорошо разбираться в химии, физике, материаловедении и инженерии. — отметил директор Центра управления научно-технологическими и инновационными проектами ТГУ, профессор Александр Ворожцов. — Наш НЦМУ ТГУ здесь в лидерах. В России мы на первом месте в сфере аддитивного производства высокоэнергетических материалов, а также входим в число ведущих мировых научных коллективов, развивающих это направление.
Исследование, о котором рассказала Яна Дубкова, посвящено возможности 3D-печати экологически безопасных горючих систем для газогенераторов. Сотрудники НЦМУ предложили использовать нитрат аммония — бесхлорный окислитель, который при полном окислении образует только азот, воду и углекислый газ. Однако нитрат аммония не поддерживает горение при атмосферном давлении, поэтому требует добавления более сильного окислителя — перхлората аммония. Таким образом, перспективными являются композиции на смешанных окислителях.
Ученые проверили, можно ли с помощью 3D-печати создавать горючие образцы из смеси двух окислителей. В качестве связующего они использовали фотополимеризуемую смолу, которая затвердевает под действием ультрафиолета. Наполнение окислителями достигало 70% от общей массы смеси.
В докладе были представлены результаты изучения основных важнейших для технологий печати характеристик полимерных смол и суспензий, применяемых для 3D-печати: физико-механические, фотохимические, оптические и технологические. Решение задач оптимизации этих параметров позволит печатать энергетические 3D-материалы с повышенной плотностью, однородной бездефектной внутренней структурой.
Оказалось, что добавление окислителей резко повышает вязкость смеси — с почти жидкого состояния (0,5 Па с) до чрезвычайно густого (более 800 Па с), что намного превышает возможности стандартных 3D-принтеров. Чтобы смесь стала пригодной для печати, ученые разработали схему предварительной обработки материалов для получения суспензий с характеристиками, пригодными для применения в стандартных 3D-принтерах.
— Одна из практических сложностей DLP-печати высокоэнергетических композиций связана с вязкостью рабочей суспензии. При введении твердого наполнителя динамическая вязкость смеси возрастает в несколько раз по сравнению с чистой немодифицированной смолой. Такая суспензия перестает вести себя как жидкость в привычном смысле и требует специального подбора состава связующего, чтобы сохранить текучесть, достаточную для послойной печати, — поясняет Яна Дубкова.
Исследователи также измерили глубины проникновения ультрафиолетового излучения в смесь: для составов на основе нитрата аммония она составила 144 мкм, тогда как для перхлората аммония — 426 мкм. Разницу объяснили более сильным светорассеянием на кристаллах нитрата аммония. При этом даже такие показатели глубины проникновения УФ-излучения оказались достаточными для отверждения полимерного связующего при печати слоями толщиной 100 мкм. Это подтверждает принципиальную применимость DLP-технологии к составам с нитратом аммония.
Образцы печатали с толщиной слоя 100 мкм. При исследовании структуры образцов методом растровой электронной микроскопии частицы окислителя, как нитрата, так и перхлората аммония, оказались равномерно распределены в объеме полимерной матрицы, независимо от состава. Расслоения или скоплений частиц не обнаружено. Это подтвердило предположение о том, что DLP-печать не нарушает однородность материала по толщине изделия.
Термические исследования выявили, что добавление нитрата аммония снижает температуру начала разложения. Однако его окислительной способности недостаточно для полного сжигания полимерного связующего — в отличие от перхлората аммония, который обеспечивает полное разложение, что также было подтверждено исследованиями характера горения образцов.
Работа вызвала интерес зарубежных коллег и стала поводом для обсуждения подходов к печати энергетических материалов в разных научных группах.
— На конференции мы обсуждали фундаментальные проблемы 3D-печати высокоэнергетических материалов. Говорили о задачах эффективности и безопасности печати таких материалов. Были важные дискуссии и обсуждения об особенностях и новых достижениях в области аддитивных технологий с иностранными коллегами, которые поделились своим опытом, — добавляет Яна Дубкова.
Исследование проведено при финансовой поддержке министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2025-607 от 01.07.2025).
Научный центр мирового уровня «Новые материалы специального назначения» учрежден по решению Комиссии по научно-технологическому развитию РФ в мае 2025 года в рамках нацпроекта «Новые материалы и химия». Координатор центра — Томский государственный университет.