Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание прочных корпусов глубоководных аппаратов и элементов космической техники на основе стеклометаллокомпозита

Номер контракта: 14.578.21.0024

Руководитель: Гончарук Владимир Кириллович

Должность руководителя: руководитель (заведующий

Докладчик: Бочарова Анна Альбертовна, оответственный исполнитель (заведующий кафедрой механики и математического моделирования ДВФУ)

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
Презентация скачать
Ключевые слова:
стеклометаллокомпозит, цилиндрические оболочки, корпуса глубоководной техники, наноструктурированный конструкционный материал, металлические облицовки, силикатное стекло, прочность

Цель проекта:
Создание экспериментального образца установки и разработка технологии изготовления цилиндрических оболочек путём послойного соединения металлических облицовок со стеклянным слоем с целью обеспечения повышенной прочности, ударной стойкости и эксплуатационной надёжности корпусов глубоководных аппаратов и элементов космической техники. Проект направлен на решение задачи создания прочных корпусов глубоководной техники из нового композиционного материала – стеклометаллокомпозита, способных работать на предельных глубинах Мирового океана.

Основные планируемые результаты проекта:
Аналитический обзор научно-технической литературы показал, что создание композиционных материалов на основе прочного соединения металл-стекло является актуальным и перспективным для изготовления элементов глубоководной, летательной и космической техники. В качестве оптимального варианта прочного корпуса подводного аппарата выбрана цилиндрическая оболочка из стеклометаллокомпозита - слоистого материала, получаемого в результате заливки и равномерного распределения расплава стекла по металлической обшивке посредством центрифугирования.
В ходе первого этапа работ определены оптимальные соотношения между оксидами и карбонатами металлов, входящими в шихту для варки стёкол, приводящие к уменьшению вязкости расплава стекла; оптимальные условия варки стекла; для металлических облицовок стеклометаллокомпозита выбраны алюминиевые сплавы АМг-2М и АМцМ, обладающие высоким химическим сродством с силикатным стеклом и высокой предельной деформацией.
В ходе выполнения второго этапа проекта разработаны технологические основы процесса изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита: проведены экспериментальные исследования теплофизических свойств выбранной рецептуры силикатного стекла - твердости, вязкости, температурного коэффициента линейного расширения, температуры стеклования; установлены технологические параметры изготовления оболочек корпусов из стеклометаллокомпозита и условия, обеспечивающие надёжное соединение стеклянного слоя с металлической облицовкой. Показано, что оптимальными условиями заливки стекла при скорости вращения 8000 об/мин являются температура 1450 С и начальная температура алюминиевой обшивки перед заливкой 300 С.
Важным результатом второго этапа является разработка эскизной конструкторской и эксплуатационной документации и создание экспериментального образца установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита. При этом использованы оригинальные инженерно-технические решения, обеспечивающие механическую прочность и равномерный нагрев изложницы в условиях значительной частоты вращения, ударного дисбаланса при заливке металла и стекла; теплоэффективности.
Проведены исследовательские испытания экспериментального образца установки, по результатам которых можно сделать вывод о его пригодности к изготовлению цилиндрических оболочек.
Крупногабаритные оболочки из стеклометаллокомпозита, обладающие высокой удельной прочностью, ударной и коррозионной стойкостью, позволят решить не только проблемы создания глубоководной техники, способной работать на предельных глубинах Мирового океана, но и существенным образом облегчат конструктивные элементы самолётов, ракет и космической техники.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Проведённые исследования теплофизических и механических свойств стекла, условий, обеспечивающих надёжное соединение стекла и металла, математическое моделирование тепловой и деформационной задачи позволили сформулировать основные параметры технологического процесса формирования стеклометаллокомпозита, являющиеся новыми и практически значимыми. При этом впервые получены экспериментальные данные по толщине переходного слоя на границе слоев металл – стекло, обеспечивающего их прочное соединение; определено распределение элементов по его толщине, исследованы зависимости качества сцепления стекло-металл от температуры заливки стекла и температуры алюминиевой оболочки при найденной оптимальной скорости вращения центрифуги (8000 об/мин) для выбранных размеров обшивки. Практическая значимость результатов, полученных в рамках второго этапа, определяется их значением для отработки технологии изготовления высокопрочных корпусов глубоководных аппаратов.
Разработанная технология изготовления стеклометаллокомпозита является новой и не имеет аналогов в мировой научной литературе. При создании экспериментальной установки для изготовления цилиндрических оболочек использованы оригинальные технические решения, ориентированные на использование стандартизованных материалов и повышение энергоэффективности литья оболочек посредством центрифугирования.
Соответствие выбранных современных экспериментальных, измерительных и вычислительных методов исследования уровню поставленных научно-технических задач по разработке технологических основ создания цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита позволило решить их в полном объёме в строгом соответствии с техническим заданием.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
При использовании стеклометаллокомпозита прочные корпуса глубоководной техники приобретут достаточную положительную плавучесть для работы на предельных глубинах Мирового океана при существенно меньшей массе и стоимости по сравнению с существующими изделиями из стали и титановых сплавов, что позволит создавать уникальные сооружения глубоководной, наземной, подземной и аэрокосмической техники.
Разработанная технология и изготовленная экспериментальная установка для формирования цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита являются научным заделом для изготовления опытных и серийных партий прочных корпусов глубоководных аппаратов.
Создание глубоководных корпусов из стеклометаллокомпозита позволит достичь почти 8-ми кратного запаса прочности по сравнению с титановыми сплавами, при этом оболочка из стеклометаллокомпозита оказывается почти в 98 раз дешевле и на 30,5 % легче, чем из титанового сплава.
Ввиду исключительно высокой прочности и относительно низкой стоимости изделия из стеклометаллокомпозита позволят создавать высокоэффективные конструкции современной техники, которые будут превосходить современные технические решения при неограниченных запасах дешёвого сырья.
В настоящее время объём мирового рынка высокопрочных корпусов для подводных аппаратов и роботов, используемых для обеспечения обороноспособности страны, в освоении подводных нефтяных и газовых месторождений, проведении подводных инженерных работ составляет около 50 млн. долларов. К 2020 году предполагается выпуск продукции Индустриальным партнёром на общую сумму 2,5 млн. долларов, что составляет 5% от объёма мирового рынка.
Дальнейшая коммерциализация цилиндрических оболочек предполагает создание корпусов глубоководной робототехники, элементов космической техники, высокопрочных и долговечных труб для нефтепроводов в экстремальных условиях эксплуатации, резервуаров для хранения радиоактивных отходов.


Текущие результаты проекта:
На первом этапе проекта проведен выбор состава силикатного стекла, подходящего для стеклянного слоя цилиндрической оболочки из стеклометаллокомпозита, исследование способов варки стекла с использованием различных по составу исходных реагентов, выбор металла для металлических облицовок цилиндрической оболочки.
На втором этапе проведено исследование условий, обеспечивающих надёжное соединение стеклянного слоя с металлической облицовкой, физико-химических свойств соединительного слоя, математическое моделирование процесса формирования цилиндрической оболочки из стеклометаллокомпозита.
Разработаны требования к конструкционному наноматериалу для цилиндрических оболочек прочного корпуса глубоководного аппарата (технические характеристики, требования по эффективности, экономичности, воспроизводимости).
Разработана эскизная конструкторская и эксплуатационная документация экспериментального образца установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита и программа исследовательских испытаний.
Изготовлен экспериментальный образец установки для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита и проведены его исследовательские испытания.
На текущем этапе проведено исследование технологического режима и разработан лабораторный регламент изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита на экспериментальной установке.
На основе разработанной рабочей конструкторской документации изготовлена барокамера для проведения гидравлических испытаний экспериментальной партии цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита. Проведены предварительные испытания барокамеры и корректировка конструкторской документации по доработке конструкции барокамеры по результатам предварительных испытаний.