| 16. |
Аннотация |
Актуальность и важность освоения Арктики подтверждена в Указе Президента РФ от 26 октября 2020 г. № 645 "О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года". Как показал опыт освоения холодных территорий, успех во многом определяется материалами, способными эффективно работать в экстремальных климатических условиях. Особое внимание уделяется материалам, которые можно производить в Арктической зоне Российской Федерации (АЗРФ) из местного сырья, поскольку их не надо будет завозить с «материка» как в подавляющем большинстве других случаев. Использование льда как конструкционного материла и умение управлять его эксплуатационными свойствами имеет не только современный земной интерес. Полученные знания и приемы могут стать полезными в будущем и при освоении других планет, имеющих лёд, к примеру Марса, куда доставлять любые строительные материалы практически будет невозможно. Одним из самых, доступных местных материалов в АЗРФ и на Марсе может быть лёд, который можно использовать как строительный и конструкционный материал для строительства дорог, переправ, разгрузочных площадок, взлетно-посадочных полос, зданий и других сооружений. Однако природному льду и технологиям его применения присущ ряд существенных недостатков: 1) чистый лед имеет низкие механические свойства (прочность на растяжение 0,5-2 МПа, на сжатие – 1-25 МПа, вязкость разрушения для пресноводного льда 80-200, а для соленоводного 50-140 кПа/м^0,5), сильно зависящие от температуры, примесного состава, условий кристаллизации, что делает актуальным разработку методов его упрочнения; 2) лед имеет весьма высокую теплопроводность (2,2-2,6 Вт/м∙К), что можно также расценивать как недостаток при возведении зданий и конструкций различного назначения; 3) существующие технологии получения льда и формования из него конструкций и сооружений достаточно примитивны, малопроизводительны, не учитывают его специфики и не позволяют регулировать его свойства в соответствии решаемыми задачами и условиями использования. Проект направлен на устранение этих недостатков и существенное улучшение механических и теплофизических свойств композитов на основе ледовой матрицы.
1. Упрочнение. Теоретическая прочность льда составляет (0,07-0,1)Е = 0,7-1 ГПа, где Е=10-11 ГПа - измеренный экспериментально модуль Юнга. Природный лед обычно имеет крупнокристаллическое строение (диаметр зерен 1-10 мм и более), ослабленное большим количеством пор, микро- и макротрещин, в результате чего реальная прочность снижается до (0,1-1) % от теоретической. Перевод его в микрокристаллическое состояние с мелким зерном должен в соответствии с соотношением Холла-Петча многократно увеличить его прочность и вязкость разрушения. Второе направление в упрочнении льда – создание композитов на его основе, в частности, армированных природными нано- и микро- волокнами природного происхождения. Первым таким материалом был «пайкерит» - лед, наполненный древесными опилками, но реального применения композит не получил, исключая строительство развлекательных сооружений типа ледовой Саграда Фамилиа (Ice Sagrada Familia). Последующие системные исследования композиционных материалов с ледовой матрицей (КЛ), наполненных материалами разной природы и морфологии, показали, что наиболее эффективными наполнителями являются волокнистые материалы. Как установлено исследованиями полимерных и минеральных армирующих волокон, для упрочнения ледовых композитов важен характер их взаимодействия со льдом. В этом отношении минеральные волокна уступают природным целлюлозосодержащим в водной комплементарности. Поэтому логично провести исследования перспективности КЛ, армированных нано-/микро- волокнами растительного происхождения, что системно ранее не делалось. Такие композиты имеют ряд преимуществ: они экологичны в сравнении с искусственными полимерными, углеродными, минеральными материалами, после эксплуатации их не нужно утилизировать, а это для арктической зоны РФ чрезвычайно важно; они намного дешевле многих искусственных волокон; обладают низкой плотностью и хорошей адгезией к ледовой матрице.
Нанокристаллическая целлюлоза, являющаяся силовым каркасом любых растительных видов, имеет модуль Юнга Е = 140-200 ГПа и прочность на растяжение σb = 6-8 ГПа, а в форме микроволокон – Е = 80-90 ГПа и σb = 0,8-1,5 ГПа. Таким образом, прочность микроволокон целлюлозы сопоставима с теоретической прочностью льда и, как минимум, не уступает конструкционным сталям при пяти-/семикратно более низкой плотности. С учетом гидрофильности молекул целлюлозы можно рассчитывать на хорошую адгезию волокон к ледовой матрице. Следовательно, по совокупности предельных характеристик лед и нано-\микро- целлюлоза потенциально могут образовывать высокопрочные, абсолютно безвредные для природы композиты различного назначения. Однако для этого необходимы соответствующие методы и аппаратура, которые могут реализовывать эти «зеленые» технологии. Дополнительное упрочнение, помимо введения микроволокон целлюлозы длиной 100-500 мкм в матрицу льда, будет достигаться путем ее армирования целлюлозным нетканым иглопробивным материалом (главным образом, в приповерхностных слоях).
2. Модификация теплофизических характеристик. Высокую теплопроводность льда для улучшения теплоизоляционных свойств планируется понизить тремя способами. 1) Микроструктурирование матрицы льда, которое полезно для ее упрочнения, должно снижать теплопроводность за счет появления большого количества межзеренных границ; 2) введение армирующих нано-/микро- целлюлозных волокон еще больше увеличит число этих границ; 3) создание программируемой пористости в ячеистой структуре ледовой матрицы в средних слоях изделия также будет снижать теплопроводность.
3. Формовка изделий требуемой конфигурации. Ее планируется осуществлять как традиционными способами – заливкой в формы и набрызгиванием, так и не использовавшимися ранее при формовке льда – с помощью распыления композиционных аэрозолей электрокапельным и электроспининговыми способами. Два последних способа позволяют включить распыляющую головку в состав 3D печатающего устройства, которое будет разработано с учетом свойств водной суспензии с армирующими волокнами, фазового превращения при кристаллизации, характеристик получаемых ледовых композитов и специфики ставящихся перед ними задач. Это позволит а) регулировать структуру льда и КЛ в процессе их получения, в том числе, создавать многослойные, ячеистые и градиентные структуры; б) формовать изделия требуемой геометрии с градиентными свойствами (по прочности, вязкости разрушения и теплопроводности).
Решение этих задач потребует углубленного изучения природы прочности структурированного льда и КЛ, механизмов их формирования и взаимодействия воды/льда с растительными волокнами, а также их деформации и разрушения. Микроструктурные исследования будут дополнены параллельными поисками способов улучшения физико-механических и теплофизических характеристик КЛ.
Цели проекта: 1) разработка способов микроструктурирования и углубление понимания механизмов формирования микроструктуры, деформации и разрушения структурированных льдов и ледовых композитов с растительными волокнами и нано-/микроцеллюлозой; 2) выяснение зависимостей механических и тепловых свойств ледовых композитов с различной микроструктурой матрицы, а также армирующих нано-/микро- волокон целлюлозы и нетканых иглопробивных материалов от технологии их получения в условиях действия как квазистатических, так и импульсных силовых и термо-механических полей; 3) поиски и оптимизация эффективных и недорогих способов упрочнения льда и ледовых композитов, оптимизация морфологии упрочняющих компонентов, их структурного состояния и технологии введения в ледовую матрицу; 4) разработка гибких, производительных методов формования из ледовых композитов готовых объектов и изделий с улучшенными эксплуатационными свойствами для практического применения в условиях холодного климата. |