| 16. |
Аннотация |
Провозглашенная нацеленность РФ на освоение Арктики, не может быть реализованной без развития арктического материаловедения [Бузник В.М., Каблов Е.Н. Состояние и перспективы арктического материаловедения// Вестник РАН. 2017. Т. 87. № 9. С. 827-839]. Лед давно используется как конструкционный материал при создании различных сооружений, так и функциональный (носитель холода и др.). Со временем стали использоваться композиционные материалы на основе льда (КМЛ), содержащие дополнительные компоненты (фазы). Несмотря на эпизодические применения КМЛ для укрепления ледовых переправ, отсутствуют их системные научные исследования, что делает практический процесс интуитивным и эмпирическим изобретательством. Можно отметить лишь исследования криогелей представляющие собой сочетание льда и неструктурированных полимерных фаз, которые применяются как уплотнители в грунтовых сооружений в зоне вечной мерзлоты [Лозинский В.И. Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения. Успехи химии, 2002, Том 71, Номер 6, Страницы 559-585]. Отметим, что армированные (структурированные) полимерные композиционные материалы (ПКМ) получили применение в современном машиностроении из-за высоких эксплуатационных показателей. Разумно ожидать, что армированные КМЛ улучшат физико-химические, прочностные и эксплуатационные свойства льда, обеспечив применение в арктических сооружениях (ледовые переправы и дороги, причалы, взлетно-посадочные полосы и площадки, разгрузочные площадки, ледовые платформы и искусственные острова, а также для зимних спортивных сооружений). Изучение этого направлении материаловедения находится на начальной стадии. В рамках проекта РНФ (14-33-00032) в ВИАМ создана лаборатория «Материалы для арктического климата», в которой проведено предварительное исследования КМЛ, показавшее их принципиальную перспективность [Р.Н. Черепанин и др. Физико-механические свойства ледяных композиционных материалов, армированных волокнами Русар-С// Материаловедение. 2017. №7. С. 38-44.]. Другой способ улучшения характеристик льда состоит во ведении различных химических модификаторов, формирующих его структуру [Гончарова Г.Ю. и др. Исследование влияния модифицирующих присадок на структуру и свойства ледовых покрытий спортивного назначения//Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 5. С. 19.]. Разумным представляется сочетание армирования и модифицирования для целенаправленного регулирования строения и свойств КМЛ, что может привести к синергетическому эффекту.
Качество и свойства льда очень чувствительны к технологии получения образцов, особенно в случае КМЛ, когда образование ледяной матрицы сильно зависит от типа и топологии армирующего материала. Поскольку обсуждаемое направление исследований находится на начальной стадии то очевидна необходимость разработки и апробации новых приемов получения линейки качественных образцов КМЛ разного состава.
Сложное и многообразное строения льда (тем более КМЛ), требуют понимания их строения и свойств, в первую очередь физико-химических, что определяет важность проведения углубленных экспериментальных исследований. Последнее сопряжено со спецификой льда и необходимостью проведения испытаний при отрицательных температурах и потребует разработки соответствующих методик исследований. Перспективным для изучения физико-химического строения КМЛ представляется магнитно-резонансная томография (МРТ), эффективность которой продемонстрирована при изучении ПКМ [Морозов Е.В. и др. ЯМР-томография как инструмент исследования и диагностики композиционных материалов и изделий на их основе// Авиационные материалы и технологии. 2014. № S1. С. 17-29]. Однако на КМЛ такие исследования не проводились, но можно предполагать их перспективность при условии разработки методик, обеспечивающих регистрацию томографического изображения.
Важнейшими параметрами КМЛ являются прочностные характеристики, экспериментальные исследования которых имеют специфику, в силу «капризности» льда при намораживании и особенностей испытаний при отрицательных температурах. Для выявления оптимального по прочностным параметрам КМЛ, по химическому составу армирующих наполнителей и модификаторов, их морфологии, топологии и концентрации, потребуется большой объем экспериментальной работы. Понимание оптимальных составов КМЛ и нацеленный поиск эффективных материалов невозможны без теоретических расчетов прочностных свойств композиционных материалов, адаптированных к ледяным матрицам [Golushko S.K. Сomposite structures: mathematical modeling, calculation and optimization. В сборнике: Математические и информационные технологии, MIT-2016 Справочник конференции / Conference Information. 2016. С. 80-81.], которые должны быть верифицированы с экспериментальными данными.
Анализ современного состояния арктического материаловедения (АМ) демонстрирует необходимость придания материалам «интеллектуальности», в частности возможность чувствовать и фиксировать внешнее механическое и тепловое воздействии. [Бузник В.М., и др. Состояние и перспективы арктического материаловедения// Вестник РАН. 2017. Т. 87. № 9. С. 827-839.], что важно для ряда арктических сооружений - аэродромов, ледовых разгрузочных площадок и др. Авторский коллектив апробировал способ встраивания в лед волоконных брэгговских решеток, что позволило показать перспективность подхода для фиксации внешнего механического воздействия на ледяные конструкции [Махсидов В.В., Кашарина Л.А., Нужный Г.А., Разомасов Н.А., Гончарова Г.Ю., Бузник В.М. Применение интегрированных волоконных брэгговских решеток для оценки деформации льда / Сборник тезисов конференция «Полярная Механика-2017» 2017. Санкт-Петербург. С. 58.], разумно распространить данный подход и на КМЛ.
Практической нацеленностью проекта является не только создание и исследование образцов КМЛ с улучшенными эксплуатационными характеристиками, но и выявление областей, условий их применения в реальных объектах, поэтому в состав коллектива включены специалисты имеющие опыт создания сооружений в Арктике [Кубышкин Н.В. и др. Опыт инженерно- гидрометеорологических изысканий для проектов на шельфе Баренцево моря //Инженерные изыскания. 2010. № 7. С. 4-9.] и изготовления ледовых покрытий для спортивных ледовых сооружений [Гончарова Г.Ю. и др. Исследование влияния модифицирующих присадок на структуру и свойства ледовых покрытий спортивного назначения//Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 5. С. 19.].
В предлагаемом проекте планируется провести последовательный комплекс исследований: выявить современное состояние и тенденции развития исследований и применения ледовых материалов; разработать новые типы армирования КМЛ, включая физико-химическую обработку армирующих материалов; выявить особенности поведения КМЛ при внешних нагрузках; определить наиболее технологичные и экономичные способы повышения эксплуатационных свойств композитов; разработать КМЛ с применением оптических волокон с брэгговскими решетками для мониторинга внешнего механического воздействия; разработать и применить методики МРТ для исследования физико-химического строения КМЛ; разработать теоретические методы расчета прочностных свойств КМЛ для понимания природы их деформации и разрушения, что обеспечит осмысленный поиск армирующих конструкций по составу, топологии и концентрации; осуществить поиск применения разработанных КМЛ в Арктике и при создании спортивных ледовых сооружений.
В качестве арматуры планируется использовать широкий спектр материалов: растительных (древесная стружка, опилки, льняные волокна и др.); высокопрочных волокон (минеральных, полимерных, углеродных, стекольных) и сеток на их основе; трехмерные конструкции различного химического состава, топологии и способов изготовления, включая аддитивные технологии. Предполагается изучение комбинирования армирующих компонентов с одновременным модифицированием ледовой матрицы.
Научно-технологическая новизна проекта заключается в разработке способов изготовления линейки образцов КМЛ с применением широкого ряда армирующих и модифицирующих материалов. Планируется провести исследования прочностных свойств композитов на изгиб, удар, сжатие, оценить воздействия циклических и длительных нагрузок на деформацию и характер разрушения образцов КМЛ. Будет изучено влияние химической обработки армирующих материалов на прочностные свойства КМЛ и физико-химическая природа модифицирования льда различными модификаторами.
С помощью интегрированных в ледяную матрицу оптоволоконных сенсоров будет изучена возможность мониторинга деформации КМЛ различного армирования при внешних механических нагрузках, опробован метод оценки накопления деформации и остаточной прочности образца из анализа напряженно-деформированного состояния материала. Данный подход важен для оценки состояния ледовых сооружений и выявления их остаточного ресурса.
Будут разработаны модели расчета прочностных характеристик КМЛ и апробированы применительно к композитам, созданным в рамках проекта, что необходимо для понимания природы строения и осмысленного выявления КМЛ перспективных для практики. Решение этой проблемы позволит, существенно сократить объем экспериментальных исследований, обеспечит решение проблемы оптимального проектирования композитных конструкций.
Проект комплексный, поскольку включает вопросы от создания КМЛ до выявления областей их практического применения и апробации в реальных объектах, в таком варианте проект представляется магистральным для создания нового класса армированных композиционных материалов на ледяной основе. |