Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии изготовления нового композиционного материала стеклометаллокомпозита, как перспективного материала на основе стекла для решения актуальных задач индустрии наноматериалов

Номер контракта: 14.575.21.0009

Руководитель: Любимова Ольга Николаевна

Должность: профессор кафедры

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
стеклометаллокомпозит, технологические процессы, диффузионная зона на границе контакта стекла и стали

Цель проекта:
1) Проект направлен на решение проблемы создания нового конструкционного материала на базе стекла и металла – стеклометаллокомпозита и исследования его свойств и возможностей практического применения в гидротехническом строительстве. 2) При выполнении проекта разрабатывается технология изготовления экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита, исследуются их свойства и предлагается использовать стеклометаллокомпозит, как армирующий элемент в подпорных стенках и сваях для морского прибрежного строительства.

Основные планируемые результаты проекта:
1) В результате исследований по проекту разработан лабораторный технологический регламент изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита, как следствие исследования, выбора и обоснования методов и средств технологии изготовления стеклометаллокомпозита и математического моделирования параметров сварки стекла и металла. По разработанному лабораторному регламенту в соответствии с подготовленной эскизной конструкторской документацией, для проведения исследовательских испытаний на ударную вязкость, динамические нагрузки, усталость и для исследований структуры и свойств зоны на границе стекло-металл, изготовлены экспериментальные образцы стеклометаллокомпозита. По разработанным методикам исследовательских испытаний экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на ударную вязкость, динамические нагрузки, усталость и для исследований структуры и свойств зоны на границе стекло-металл, проведены соответствующие исследовательские испытания экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита.
Спроектирована и изготовлена уникальная лабораторная установка для изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита, состоящая из двух лабораторных установок: электропечи, позволяющей изготавливать до двадцати экспериментальных образцов одновременно и установки для диффузионной сварки, позволяющей продолжить исследования по улучшению свойств стеклометаллокомпозита.
Разработан лабораторный технологический регламент изготовления экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита, как следствие математического моделирования режима его изготовления, в том числе: управление режимом отжига с целью контроля технологических и остаточных напряжений и определение напряженно-деформированного состояния стеклометаллокомпозитной арматуры, шпунтовой сваи и шпунтовой плиты армированной стеклометаллокомпозитной арматурой под действием различных нагрузок. По разработанному лабораторному регламенту в соответствии с подготовленной эскизной конструкторской документацией, для проведения исследовательских испытаний поведения в гидротехнических сооружениях, изготовлены экспериментальные образцы арматуры и свай из стеклометаллокомпозита. Для изготовленных экспериментальных образцов спроектировано два независимых лабораторных стенда, для арматуры и шпунтовых сваи и плиты соответственно. Лабораторные стенды позволят провести исследовательские испытания для исследования поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита в гидротехнических сооружениях и позволят продолжить исследования по улучшению свойств стеклометаллокомпозита.

2) В результате выполнения работ изготовлены экспериментальные образцы стеклометаллокомпозита в комплектности 225 образец, в виде стержней, состоящих из стеклянного сердечника и металлической облицовки, диаметром не менее 10 мм, длиной не менее 30 мм, плотность экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита равна 3500 кг/м3. Значение удельной ударной вязкости стеклометаллокомпозита, полученное в результате проведения испытаний на ударную вязкость, составило 18,4 кН/м, что на 20 % превзошло заявленное в Техническом задании ПНИ удельное значение ударной вязкости. В результате микроскопических исследований зоны соединения стекла и стали выработано понимание процессов, происходящих на границе соединения, предложен механизм формирования безоксидного соединения стекла и стали. В результате испытаний на усталость и динамические нагрузки построены кривые распределения долговечности образцов из стеклометаллокомпозита для различных уровней напряжений; показаны вероятностные усталостные кривые для разных вероятностей разрушения; найдены средние значения предела выносливости и среднеквадратичного отклонения, которые составляют 63,09 МПа и 7,9 МПа, соответственно. В результате исследовательских испытаний по разработанным методикам проведения исследовательских испытаний экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на коррозионную стойкость, сопротивление термическим нагрузкам и трению было установлено, что: в агрессивных средах новый композиционный материал изменяет свои геометрические характеристики не более чем на 10 %, в то время как стальные образцы показывают существенное изменение геометрических характеристик до 50 % от первоначальных, при этом стеклометаллокомпозит сохраняет достаточную прочность для использования его как арматуры в бетонных конструкциях; экспериментальный предел термической устойчивости экспериментальных образцов составляет 230 , что позволяет рассматривать его как актуальный материал не только в строительной, но и в химической индустрии; скорость абразивного износа истиранием в агрессивной среде у стеклометаллокомпозита и стали на начальных стадиях примерно одинакова, до тех пор, пока на стеклометаллокомпозитном стержне остается металлическая оболочка, далее скорость изменения массы у стальных образцов сохраняется, а у композиционных образцов снижается и стремится к нулю, замечена еще одна особенность изменения скорости, а именно, при подходе к стеклянному сердечнику скорость убыли массы у стеклометаллокомпозитных образцов замедляется, что может быть объяснено структурным изменением стали вблизи зоны соединения.
Изготовлены экспериментальные образцы арматуры из стеклометаллокомпозита в комплектности 108 образец, в виде стержней, состоящих из стеклянного сердечника и металлической облицовки, диаметром 20 мм, длиной 200 мм. Также изготовлены экспериментальные образцы шпунтовой сваи и шпунтовой плиты, армированных стеклометаллокомпозитной арматурой, в комплектности 12 образов и 6 образцов соответственно.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1)В результате экспериментально-теоретических исследований, разработана технология изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита в виде стержней, состоящих из стеклянного сердечника и металлической облицовки, диаметром не менее 10 мм, длиной не менее 30 мм и обладающих следующими механическими характеристиками:
- предел прочности на сжатие не ниже 1000 МПа;
- предел прочности на растяжение не ниже 300 МПа;
- удельная ударная вязкость стеклометаллокомпозита не менее 15 кН/м;
- плотность стеклометаллокомпозита не превышает 3500 кг/м3.

2) Научная новизна работы заключается в разработке нового способа упрочнения стекла в составе нового конструкционного материала стеклометаллокомпозита. По разработанной технологии изготовлены и испытаны экспериментальные образцы стеклометаллокомпозита, представляющие из себя двухслойные стержни со стеклянным сердечником и стальной оболочки. В процессе получения стеклометаллокомпозита разработана технология получения спая сжатия стекла со сталью без промежуточных прокладок, новое полученное соединение обладает особенными свойствами в зоне соединения, исследование которых позволило описать механизм формирования зоны соединения стекла и стали.
При выполнении работ спроектирована, изготовлена и запущена уникальная лабораторная установка для изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита включающая: электропечь четырех камерную шахтного типа и установку для диффузионной сварки; на первую установку поданы две патентные заявки на изобретение на вторую заявку подана патентная заявка на полезную модель. Все разработанные методики для проведения исследовательских испытаний стеклометаллокомпозита являются новыми, поскольку стеклометаллокомпозит новый материал с неизученными свойствами.
При выполнении работ спроектированы, изготовлены и запущены лабораторные стенды для исследования поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита в гидротехнических сооружениях, кроме универсальных испытательных машин стенды включают в себя лабораторную оснастку, которая позволит воспроизвести нагрузки испытываемые арматурой, шпунтовой сваей и плитой при использовании их в бетонных сооружениях для гидротехнического строительства.
Для определения эффективных характеристик шпунтовой свай и шпунтовой плиты армированной применен современный подход физической мезомеханики и компьютерного конструирования материалов, позволяющий рассчитывать эффективные характеристики композиционного материала, армированного нано-трубками, в котором предлагается поэтап-ное моделирование композиционных конструкций: 1) уровень структурных единиц материа-ла; 2) масштабный. Примененный подход позволил получить эффективные механические характеристики с использованием которых было рассчитано напряженно-деформированное состояние шпунтовой сваи и плиты под действием различных нагрузок. Теоретические расчеты показывают, что армирование стеклометаллокомпозитом вместо традиционно используемой стали, не приводит к снижению прочностных характеристик бе-тонных изделий, при этом вес арматуры почти вдвое уменьшается и на 30% возрастает прочность на сжатие.

3)Конструкционный материал на основе стекла – стеклометаллокомпозит (стеклометаллокомпозитные стержни) - это уникальный конструкционный материал, который не имеет аналогов в мире.

4) Полученные при проведении ПНИ результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту. Выполненные работы создают основу для проведения дальнейших исследований, предусмотренных техническим заданием на тему, в полном соответствии с планом-графиком исполнения обязательств.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1) Результаты исследований по проекту, как и сам разрабатываемый новый конструкционный материал – стеклометаллокомпозит, могут быть использованы не только в строительной индустрии, но и в электроэнергетике, поскольку в производстве электронных приборов, важнейшей технологической операцией является процесс спаивания различных стекол с металлами и правильный выбор режимов получения подобных спаев. Стеклометаллокомпозит может быть с успехом применен в нефтедобывающей и химической промышленности, как трубопровод высокого давления с высокими показателями по коррозионной стойкости и инертности к активным химическим материалам и перепадам температуры.
Результаты проекта предлагается использовать при армировании бетонных конструкций и в качестве конструктивного элемента для свай и подпорных стенок в гидротехническом строительстве. Результаты исследований могут быть использованы не только в строительной индустрии, но и в энергетике, нефтедобывающей и химической промышленности.
Результаты ПНИ могут быть востребованы Институтом проблем морских технологий ДВО РАН при проектировании и изготовлении оболочек глубоководных аппаратов из стеклометаллокомпозита.

2) Исследования на коррозионную стойкость и абразивный износ истиранием в агрессивной среде показали эффективность замены стальной арматуры на стеклометаллокомпозитную, при одновременном сокращении веса, стоимости и увеличение статической прочности на сжатие, что позволяет продлить эксплуатационный срок изделий из бетона армированных стеклометаллокомпозитом в прибрежном морском строительстве.

3) Предварительная оценка эффективности замены стальной арматуры на стеклометаллокомпозитную в бетонных конструкциях в гидротехнике, показала одновременное сокращение веса в пределах 40% и увеличение статической прочности на сжатие на 30 %.

4)При выполнении работ над проектом заложены основы взаимного сотрудничества с с Департаментом Инженерного материаловедения Машиностроительного факультета Дортмундского Технического Университета Дортмунд, Германия, изготовлены лабораторные установки по изготовлению экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита и лабораторные стенды для проведения исследовательских испытаний поведения бнтонных изделий армированных стеклометаллокомпозитом

Текущие результаты проекта:
1) В результате исследований по проекту разработан лабораторный технологический регламент изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита, как следствие исследования, выбора и обоснования методов и средств технологии изготовления стеклометаллокомпозита и математического моделирования параметров сварки стекла и металла. По разработанному лабораторному регламенту в соответствии с подготовленной эскизной конструкторской документацией, для проведения исследовательских испытаний на ударную вязкость, динамические нагрузки, усталость и для исследований структуры и свойств зоны на границе стекло-металл, изготовлены экспериментальные образцы стеклометаллокомпозита. По разработанным методикам исследовательских испытаний экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на ударную вязкость, динамические нагрузки, усталость и для исследований структуры и свойств зоны на границе стекло-металл, проведены соответствующие исследовательские испытания экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита.
Спроектирована и изготовлена уникальная лабораторная установка для изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита, состоящая из двух лабораторных установок: электропечи, позволяющей изготавливать до двадцати экспериментальных образцов одновременно и установки для диффузионной сварки, позволяющей продолжить исследования по улучшению свойств стеклометаллокомпозита.
Разработан лабораторный технологический регламент изготовления экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита, как следствие математического моделирования режима его изготовления, в том числе: управление режимом отжига с целью контроля технологических и остаточных напряжений и определение напряженно-деформированного состояния стеклометаллокомпозитной арматуры, шпунтовой сваи и шпунтовой плиты армированной стеклометаллокомпозитной арматурой под действием различных нагрузок. По разработанному лабораторному регламенту в соответствии с подготовленной эскизной конструкторской документацией, для проведения исследовательских испытаний поведения в гидротехнических сооружениях, изготовлены экспериментальные образцы арматуры и свай из стеклометаллокомпозита. Для изготовленных экспериментальных образцов спроектировано два независимых лабораторных стенда, для арматуры и шпунтовых сваи и плиты соответственно. Лабораторные стенды позволят провести исследовательские испытания для исследования поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита в гидротехнических сооружениях и позволят продолжить исследования по улучшению свойств стеклометаллокомпозита.

2) В результате выполнения работ изготовлены экспериментальные образцы стеклометаллокомпозита в комплектности 225 образец, в виде стержней, состоящих из стеклянного сердечника и металлической облицовки, диаметром не менее 10 мм, длиной не менее 30 мм, плотность экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита равна 3500 кг/м3. Значение удельной ударной вязкости стеклометаллокомпозита, полученное в результате проведения испытаний на ударную вязкость, составило 18,4 кН/м, что на 20 % превзошло заявленное в Техническом задании ПНИ удельное значение ударной вязкости. В результате микроскопических исследований зоны соединения стекла и стали выработано понимание процессов, происходящих на границе соединения, предложен механизм формирования безоксидного соединения стекла и стали. В результате испытаний на усталость и динамические нагрузки построены кривые распределения долговечности образцов из стеклометаллокомпозита для различных уровней напряжений; показаны вероятностные усталостные кривые для разных вероятностей разрушения; найдены средние значения предела выносливости и среднеквадратичного отклонения, которые составляют 63,09 МПа и 7,9 МПа, соответственно. В результате исследовательских испытаний по разработанным методикам проведения исследовательских испытаний экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на коррозионную стойкость, сопротивление термическим нагрузкам и трению было установлено, что: в агрессивных средах новый композиционный материал изменяет свои геометрические характеристики не более чем на 10 %, в то время как стальные образцы показывают существенное изменение геометрических характеристик до 50 % от первоначальных, при этом стеклометаллокомпозит сохраняет достаточную прочность для использования его как арматуры в бетонных конструкциях; экспериментальный предел термической устойчивости экспериментальных образцов составляет 230 , что позволяет рассматривать его как актуальный материал не только в строительной, но и в химической индустрии; скорость абразивного износа истиранием в агрессивной среде у стеклометаллокомпозита и стали на начальных стадиях примерно одинакова, до тех пор, пока на стеклометаллокомпозитном стержне остается металлическая оболочка, далее скорость изменения массы у стальных образцов сохраняется, а у композиционных образцов снижается и стремится к нулю, замечена еще одна особенность изменения скорости, а именно, при подходе к стеклянному сердечнику скорость убыли массы у стеклометаллокомпозитных образцов замедляется, что может быть объяснено структурным изменением стали вблизи зоны соединения.
Изготовлены экспериментальные образцы арматуры из стеклометаллокомпозита в комплектности 108 образец, в виде стержней, состоящих из стеклянного сердечника и металлической облицовки, диаметром 20 мм, длиной 200 мм. Также изготовлены экспериментальные образцы шпунтовой сваи и шпунтовой плиты, армированных стеклометаллокомпозитной арматурой, в комплектности 12 образов и 6 образцов соответственно.