Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0024

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0024
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет"
Название доклада
Создание прочных корпусов глубоководных аппаратов и элементов космической техники на основе стеклометаллокомпозита
Докладчик
Бочарова Анна Альбертовна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на решение задачи создания прочных корпусов глубоководных аппаратов из нового композиционного материала – стеклометаллокомпозита с целью обеспечения их повышенной прочности, ударной стойкости и эксплуатационной надёжности. В ходе работ решаются следующие научно-технические задачи:
– разработка новой технологии изготовления стеклометаллокомпозита, обеспечивающая прочное соединение металлических облицовок со стеклянным слоем без появления поверхностных деформаций растяжения стекла;
- создание экспериментального образца литьевой установки для изготовления базовых элементов прочных корпусов цилиндрических оболочек путём послойного соединения металлических облицовок со стеклянным слоем методом центробежного литья;
- разработка лабораторного регламента изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита, - изготовление экспериментальной партии цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита и проведение их гидравлических испытаний.
Индустриальным партнёром является АО "Концерн "Моринформсистема - Агат"
Актуальность и новизна исследования
Разрабатываемая технология изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита, являющихся новым видом базовых элементов высокопрочных корпусов глубоководных аппаратов, предназначена для предприятий, занимающихся разработкой и производством подводных аппаратов и робототехнических устройств, поисково-исследовательских подводных комплексов для нужд МЧС РФ, МВД РФ, ФСБ, ФПС и Минобороны России. Высокопрочные цилиндрические оболочки также могут быть использованы «Министерство РФ по атомной энергии» для изготовления контейнеров для захоронения радиоактивных отходов, компаниями нефтегазодобывающего комплекса: ОАО «АК «Транснефть», ОАО «Газпром», ОАО «Лукойл»; предприятиями ОАО «РусГидро» для создания поисковых подводных устройств с целью разработки шельфовых месторождений. 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.
Описание исследования

Новый композиционный материал на основе стекла – стеклометаллокомпозит, представляет собой слоистый композиционный материал, алюминий стекло-алюминий, в технологии изготовления которого используется метод центробежного литья для нанесения высокотемпературного расплава стекла по внутренней поверхности металлической облицовки,  затем по стеклянному слою распределяется расплав металла для формирования внутренней облицовки. Надёжно соединённая со стеклянным слоем внешняя металлическая облицовка при остывании, вследствие более высокого коэффициента температурного расширения, сокращает свои размеры более интенсивно, чем стеклянный слой, тем самым стягивая поверхность стеклянного слоя, предотвращая появление деформаций растяжения и исключая появление поверхностных микротрещин. Внешняя и внутренняя облицовки исключают непосредственный контакт стеклянного слоя с внешней средой, изолируя их от воздействия влаги и других негативных влияний. Внутренние дефекты исключаются формированием стеклянного слоя под давлением. В результате в составе стеклометаллокомпозита формируется бездефектный стеклянный слой с пространственной наноструктурой, вследствие чего материал в целом приобретает высокую прочность и ударную стойкость. Фундаментальными исследованиями Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН установлено, что неорганическому стеклу присуща высокая природная прочность независимо от его размеров, в равной мере, как для стекловолокна, так и для листа или массива стекла. Исследования атомной структуры стекла в процессе разрушения выявили основные условия, соблюдение которых придает стеклу необычайно высокую прочность. Избавление от поверхностных микротрещин повышает прочность стекла на порядок. Устранение взаимодействия стекла с влагой, содержащейся в воздухе, увеличивает прочность в два раза. Ликвидация внутренних микродефектов повышает прочность на 30%. В результате прочность бездефектного неорганического стекла достигает теоретического уровня.  Разработанная в ходе работ проекта технология изготовления стеклометаллокомпозита не только избавляет стеклянный заполнитель от поверхностных микротрещин и изолирует его от вредного воздействия внешней среды, но и сводит к минимуму, вплоть до полного устранения, внутренние микродефекты.  В результате, стекло в составе стеклометаллокомпозита приобретает структуру наноматериала, обладающего теоретической прочностью, и превращает стеклометаллокомпозит в конструкционный композиционный наноматериал. Устранение поверхностных микротрещин в стеклянном слое придаёт стеклометаллокомпозиту высокую прочность и ударную стойкость. При этом затраты по изготовлению цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита намного ниже с сопоставимыми с ними по прочности титановыми корпусами при существенно меньшей массе. Данные проведенных в ходе работ проекта экспериментальных исследований и математического моделирования позволили оптимизировать параметры технологического процесса изготовление оболочек из стеклометаллокомпозита и сформировать требуемую микроструктуру переходного диффузионного слоя на границе алюминий-стекло, обеспечивающую достижение повышенной прочности. При разработке методики расчета прочных корпусов подводных аппаратов показано, что предлагаемые для изготовления корпусов цилиндрические оболочки из стеклометаллокомпозита дают значения удельной прочности и жёсткости, превосходящие соответствующие значения для титана и легированных сталей.

Результаты исследования

В ходе выполнения проекта разработаны технологические основы процесса изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита: проведены экспериментальные исследования теплофизических свойств выбранной рецептуры силикатного стекла; установлены технологические параметры изготовления оболочек корпусов из стеклометаллокомпозита и условия, обеспечивающие надёжное соединение стеклянного слоя с алюминиевой облицовкой. По разработанной эскизной конструкторской и эксплуатационной документации создана экспериментальная литьевая установка, позволяющая реализовать новую, созданную в ходе работ проекта, технологию изготовления трёхслойных цилиндрических оболочекметодом центробежного литья. 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. Отработана технология изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита, при этом определены оптимальные режимы технологических операций, обеспечивающие прочное соединение стеклянного слоя с металлом, которые закреплены в разработанном лабораторном регламенте изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита. Показано, что при изготовлении стеклометаллокомпозита при оптимальных условиях заливки достигается высокое качество соединения слоёв цилиндрической оболочки за счёт образования диффузионного слоя на границе алюминий–стекло толщиной 4–6 мкм, в котором отсутствуют микротрещины. Определены значения микротвёрдости (4255±173 МПа) и модуля Юнга (80±10 ГПа) стеклянного слоя на границе алюминий-стекло. Ударостойкость образцов трёхслойных оболочек, изготовленных в рамках исследований данного этапа составила величину 20,6 кДж/м2, что соответствует требованиям технического задания. Разработана методика проектирования и расчёта прочного корпуса подводного аппарата  на основе цилиндрической оболочки с полусферическими концевыми частями. Результаты расчётов, проведённых на основе разработанной методики проектирования и расчёта прочного корпуса подводного аппарата, показывают, что при равной сопротивляемости к потере устойчивости оболочки из стеклометаллокомпозита в 1,4 раза легче и обладают в 1,5 раза большей грузоподъёмностью, чем оболочки из высокопрочного титанового сплава, при этом оболочки из стеклометаллокомпозита более, чем в 8 раз дешевле, т.к. изготавливаются из имеющегося в неограниченном количестве сырья. Грузоподъёмность прочных корпусов подводных аппаратов из стеклометаллокомпозита, рассчитанных для работы на глубинах 6000 и 9000 м с использованием в расчётах значения предельной прочности стекла на сжатие составляет величину порядка 50 – 95% от массы корпуса. Разработан пакет прикладных программ для расчёта прочности и устойчивости корпуса подводного аппарата; программа и методики гидравлических испытаний цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита. Проведены приёмочные испытания барокамеры высокого давления. Средствами индустриального партнера на экспериментальной литьевой установке методом центробежного литья изготовлена экспериментальная партия цилиндрических оболочек. По разработанной ПМ проведены их гидравлические испытания в диапазоне рабочих давлений барокамеры до 100 МПа, результаты которых показали полное соответствие изготовленных корпусов требованиям ТЗ.

Практическая значимость исследования
Разработанная в ходе работ проекта технология и созданная экспериментальная литьевая установка для изготовления цилиндрических оболочек из стеклометаллокомпозита являются научным заделом для производства опытных и серийных партий прочных корпусов глубоководных аппаратов, способных работать на предельных гдубинах Мирового океана. Создание глубоководных корпусов из стеклометаллокомпозита позволит достичь почти 8-ми кратного запаса прочности по сравнению с титановыми сплавами, при этом оболочка из стеклометаллокомпозита оказывается существенно дешевле и на 30% легче, чем из титанового сплава. Ввиду исключительно высокой прочности и относительно низкой стоимости изготовление оболочек из стеклометаллокомпозита позволит удовлетворить потребности различных предприятий в высокопрочных корпусах для подводных аппаратов и роботов, используемых для обеспечения обороноспособности страны, в освоении подводных нефтяных и газовых месторождений, проведении подводных инженерных работ.