website templates free download


Российский Север занимает 64% всей территории Федерации и представляет собой сгусток сложных природно-климатических, социально-экономических и демографических проблем. Прежде всего, это низкие температуры (до минус 600С) при одновременных значительных сезонных и суточных перепадах (достигающих до 1000С по сезонам и до 300С в сутки), сильные ветры (до 40м/с), вечная мерзлота, минеральные ресурсы залегают в вечной мерзлоте. Поэтому к используемым здесь материалам предъявляются особые требования, такие как морозоустойчивость, повышенная ударная вязкость, износостойкость и др. Ускоренное освоение Севера и Арктики, включая побережье и шельф арктических морей, являющееся условием усиления экономического потенциала Якутии и России, означает развитие базовых отраслей промышленности (горнодобывающей, нефтяной и газовой) с созданием соответствующей инфраструктуры, транспорта, связи. При этом надо учитывать экстремальные климатические, сложные горно-геологические и крайне неблагоприятные социально-экономические условия ведения промышленных работ. Проблема усугубляется исчерпанием расчетного ресурса большой части уже существующих технических объектов, в том числе трубопроводов, промышленного оборудования и техники.

Связь между климатическими факторами и отказом оборудования Более 60% случаев отказа оборудования связаны с воздействием температуры и влажности. Проведение испытаний на воздействие этих двух факторов внешней среды является одной из самых актуальных проблем обеспечения качества продукта. Факторы, оказывающие негативное влияние на работоспособность техники и различных конструкций на Севере: Экстремальные климатические и сложные горно-геологические условия; Недостаточная низкотемпературная прочность элементов конструкций. На диаграмме представлен При эксплуатации в зимний период: производительность труда снижается в 1,5-2 раза, наработка на отказ уменьшается в 2-3 раза, затраты на ремонтно-восстановительные работы повышаются в 5-8 раз, фактический ресурс конструкций и техники сокращается в 2-3 раза.

Можно выделить три основных направления работы по решению технической задачи повышения хладостойкости машин, сооружений и оборудования: разработка новых хладостойких материалов, совершенствоваие расчетых методов при проектировании, оптимизация технологии изготовления машин и сооружений. Для повышения эффективности работы техники и строительства сооружений при низких температурах необходимо разработка следующих хладостойких материалов: конечно, в первую очередь это хладостойкие металлы, особенно конструкционные стали и сплавы для трубопроводного транспорта. Во вторых это композитные и полимерные материалы, применение которых в условиях низких температур и отдаленности Северных территорий от металлургических комплексов страны становится все более и более актуальным. В настоящем докладе рассмотрен вопрос создания новых композитных материалов: базальтополимерные композиты и алмазометаллические композиты. С целью решения вышеназванных задач по повышению хладостойкости данных материалов представлены комплексные научно-исследовательские работы, включающих

изучение взаимосвязи структур и физико-механических свойств композитов, а также влияние воздействия климатических и биогенных факторов на их изменяемость. В этой связи особенно актуальны разработки инновационных технологий и гетерогенных материалов для эксплуатации в экстремальных условиях Севера, полученные по разработке композиционных материалов – конструкционных базальтополимерных и инструментальных алмазометаллических. Различаются эти материалы не только назначением, но и технологическими процессами синтеза: базовый процесс получения базальтопластиков– отверждение, базовый процесс получения алмазных композитов – спекание. Тем не менее, как известно, несмотря на различия в базовых технологиях синтеза и в назначении, один из главных методов повышения свойств композитов – введение в их состав наполнителей, влияющих на морфологию связующего и структуру границ раздела фаз.

При этом в настоящее время практика создания композиционных материалов, как правило, опережает фундаментальные исследования в этой области. Поэтому были проведены системные исследования факторов и механизмов, определяющих уровень свойств базальто- и алмазосодержащих материалов, разрабатываемых с применением нанотехнологических подходов. Были изучены вопросы физикохимии компонентов, процессов структурообразования и особенностей границ раздела фаз при модифицировании нанодисперсными добавками.

На этой основе были разработаны технологии и получены высокоэффективные композиционные материалы, в том числе для экстремальных северных условий эксплуатации. Базальтовое волокно изготавливается из магматических горных пород и имеет уникальное сочетание свойств: высокий модуль упругости, термостойкость, устойчивость в агрессивных средах и т.д. Оно является основой для производства нового поколения композиционных материалов. Кроме того, базальтовое волокно – экономически достаточно эффективный вид продукции.

Основной и практически единственный сдерживающий фактор для широкого применения базальтовых волокон и изделий – крайне низкий объем их промышленного производства в России (и в то же время сырьевая база для него практически не ограничена). Базальтовое непрерывное волокно (БНВ) производят на 5-х предприятиях России: в Дубне, пос. Ивот (Брянская обл.), г. Амурске и в г. Красноярске и с 2010 г. базальтовое непрерывное волокно (БНВ) выпускается и в РС (Я). Именно такое волокно из местных ресурсов использовано в проведенных разработках. Важно отметить, что базальтовые пласты из разных месторождений различаются по химическому и минералогическому составу, поэтому варьируются и физико-химические характеристики получаемого волокна.

В связи с этим первоначально был проведен комплекс исследований для оценки перспективности нескольких базальтовых месторождений в РС (Я) для разработки высокотехнологичных материалов. Химический состав некоторых месторождений оказался сопоставим по сравнению со взятым эталоном (Берестовецкое месторождение, Украина). К примеру, базальты Васильевского месторождения оказались весьма пригодны для производства базальтового непрерывного волокна (БНВ). При производстве базальтопластиковой арматуры более чем в 10 раз меньший выброс в атмосферу CO2 по сравнению производством проката из черного металла, и 40 раз – с нержавейкой. Базальтосодержащие композиты имеют малую объемную массу, высокую прочность, коррозионно устойчивы, и поэтому находят широкое применение в энергетике, авто-, авиа- и машиностроении, строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве. Алмазный инструмент тоже широко применяется в строительстве и машиностроении, в горнодобывающей, промышленности, в геологоразведке и т.д. Во многих случаях он совершенно незаменим, например, при бурении шпуров и скважин, в камнеобработке. Базальтопластики состоят из армирующих базальтовых волокон, скреплённых полимерной матрицей.

Обычно в качестве матрицы используются эпоксидные смолы имеющие высокий уровень адгезии к армирующему волокну, малую усадку и хорошую прочность в отвержденном состоянии. Роль волокон заключается в восприятии основных физико-механических нагрузок. Роль полимерной матрицы – обеспечение адгезионных связей между базальтовыми волокнами и их совместной работы при нагружении. Для дальнейшего совершенствования и повышения характеристик базальтопластиковых материалов и изделий применяется наномодифицирование связующего.

Как известно, методология управления качеством материалов основана на реализации структурного подхода. Средство управления свойствами материалов – это управление структурообразованием. Химия поверхности наночастиц как структурирующих агентов влияет на механизм и кинетику кристаллизации связующего, его морфологию, структуру границ раздела фаз и, соответственно, на весь комплекс физических и механических свойств. Среди наполнителей особенно перспективны углеродные и силикатные частицы. В качестве НМ углеродного типа применяется ультрадисперсный алмаз марки УДАГ (ФНЦП «Алтай», в качестве силикатного типа – нанодисперсный аэросил марки Таркосил Т20 (Институт теоретической и прикладной механики СОРАН, г. Новосибирск). Средний размер наночастиц составляет 23 нм.

Как показали эксперименты с образцами-микропластиками из связующего, наполненного такими наномодификаторами, существенно меняется надмолекулярная структура, формируются упорядоченные структуры совершенно иного качества. Наночастицы образуют пространственный каркас в объеме полимера и выступают в роли энергетических барьеров при зарождении и росте свободных поверхностей. Происходит эффективное перераспределение нагрузки в матрице при высокой адгезии поверхности наночастиц к полимеру, меняется характер разрушения связу¬ющего и его механические свойства. Основные проблем наномодифицирования – необходимость дезагрегации наночастиц и достижение их равномерного объемного распределения в матрице.

Качество распределения модификатора влияет на морфологию и свойства получаемых материалов. Наночастицы вводили путем механического перемешивания в отвердитель или смолу, затем проводили обработку ультразвуком. Было обнаружено, что введение наночастиц таркосила в смолу сопровождается образованием более крупных агрегатов, чем при введении в отвердитель. Внесение таркосила в отвердитель как в менее вязкую среду также обеспечило лучшую равномерность распределения частиц по объему. Установлено, что наночастицы, имеющие на своей поверхности химически активные по отношению к связующему функциональные группы, взаимодействуют с его компонентами, образуя химические связи на границе раздела фаз, а также влияют на процессы физического и химического структурирования в объеме полимерной матрицы и в межфазной зоне.

Лебедев М.П.


Метки:


Мы очень признательны Вам за комментарии. Спасибо!

Комментарии для сайта Cackle

ПОДПИСАТЬСЯ

Ежемесячные обновления и бесплатные ресурсы.