Материаловеды и энергетики Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) в составе консорциума с коллегами из Института химии СПбГУ разрабатывают несколько самовосстанавливающихся силиконовых материалов для защиты от электрических повреждений. В рамках совместных исследований ученые предложили новый способ проверки эффективности восстановления прозрачных силиконовых материалов с дефектами в виде пузырьков, возникающих после электрического пробоя малой мощности.
Новый полимер по структуре напоминает желе. Если в него добавить атомы металлов (никель, кобальт, железо), можно получить новые материалы — от геля до «резины». Материал не обладает особой прочностью, но если его разрезать, то через один-два дня при комнатной температуре разрез зарастает. В некоторых случаях он восстанавливается более чем на 90%. Таким образом, полимер обладает высокой электрической прочностью, а значит, его можно использовать в качестве изоляции.
«Новый материал — сложный: в нем объединена полимерная матрица и комплексы ионов металлов. При этом он может быть как упругий, так и гелеобразный, так что проследить и понять, что происходит при самовосстановлении с макромолекулами, экспериментальными средствами едва ли возможно. Единственный путь — смоделировать структурные изменения на атомно-молекулярном уровне.
Мы построили модель сплошной структуры полимера в трех вариантах, различающихся содержанием никеля. От доли никеля зависит и прочность материала, и другие его физико-химические характеристики. Самая интересная находка здесь в том, что входящая в состав материала вода способна образовывать кластеры, которые тяготеют к ионам никеля, причем эти кластеры не изолированы, а связаны чем-то вроде тончайших цепочек толщиной в одну-две молекулы воды», — рассказал кандидат химических наук, старший научный сотрудник НИЛ «Многомасштабное моделирование многокомпонентных функциональных материалов» ЮУрГУ Геннадий Макаров.
По итогам совместной работы в ЮУрГУ создана экспериментальная установка для испытания материалов с помощью электрического пробоя. Ее главное преимущество — компактность ячейки, которая позволяет тестировать синтезированные образцы новых материалов. Также она поможет изучить явления перед пробоем изоляции. С помощью видеосъемки межэлектродного пространства ученые наблюдали, как под напряжением в материале появляются и исчезают дефекты (триинги).
«Большая научная задача, в рамках которой этот проект может дать результат, это стыковка этапов моделирования и целенаправленного синтеза материалов с заданными свойствами. Есть модели вещества, которые делают материаловеды, есть модели пробоя и восстановления, которые делаем мы, энергетики. Когда мы сможем соединить результаты наших исследований, будет понятно, что именно нужно изменить в структуре вещества, чтобы процесс шел нужным образом и изоляция была эффективной», — комментирует специфику работ кандидат физико-математических наук, доцент Валерий Сафонов.
Подход ученых позволяет наблюдать процесс самовосстановления в малообъемных образцах силиконов в течение длительного времени. Исследования реализованы при поддержке программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»). Результаты работы опубликованы в международном издании Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials.
