Эксπир
Регистрация / Вход

Разработка физико-химических основ технологий формирования конструкционных и функциональных объемных материалов и защитных покрытий из сверхвысокомолекулярного полиэтилена модифицированного нанопорошками и нановолокнами с повышенными эксплуатационными характеристиками

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.513.11.3014
Организация
ИФПМ СО РАН
Руководитель работ
Панин Виктор Евгеньевич
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Внебюджетные средства
0,5 млн

Работы должны проводиться в рамках критической технологии «Технологии создания и обработки полимеров и эластомеров». Работы должны соответствовать по предполагаемому исполнению лучшим мировым стандартам. Создаваемый научно-технический задел должен обеспечивать в будущем проведение опытно-конструкторских и технологических работ на конкурентном уровне. Результаты работ должны способствовать дальнейшему инновационному развитию российских технологий в данном приоритетном направлении Программы.

Соисполнители

Организация
ФГАОУ ВО НИ ТПУ

Этапы проекта

1
09.03.2007 - 30.06.2007
В настоящем отчете приведены предварительные результаты исследований по проекту. Основное внимание в них уделено методической составляющей работы. Это относится и к теоретическим, и к экспериментальным результатам.
Математическое моделирование основано на использовании оригинального проблемно-ориентированного пакета программ. Это пакет позволяет решать в геометрически и физически нелинейной постановке задачи о напряженно-деформированном состоянии неоднородной расчетной области при действии силовых и тепловых нагрузок. Решение проводится методом конечных элементов на треугольных сетках, преимущество которых проявляется в их хорошей адаптации к форме внутренних контактных и внешних границ расчетной области, зачастую достаточно сложных. Процедура метода последовательных нагружений позволяет учесть геометрические особенности процесса с помощью перестроения сеток на каждом шаге расчета. Физическая нелинейность учитывается с помощью использования касательного модуля упругости на каждом этапе приложения последовательно возрастающей нагрузки.
Программный комплекс прошел тщательное тестирование, что является доводом в пользу достоверности получаемых результатов. Во всяком случае, исключаются погрешности, связанные с работой алгоритма.
Основное внимание в отчете уделено решению прямых задач, когда по структуре материала, отраженной во внутренней геометрии представительного объема, по свойствам составляющих материал фаз и характеру их взаимодействия расчетным путем определяются макросвойства (эффективные свойства) материала. Практически впервые получены результаты с учетом неидеальной адгезии, т.е. когда при деформировании дисперсно наполненной композиции допускается отрыв матрицы от включений при достижении критических условий. Сложность такого рода задач заключается в том, что заранее участки поверхности, на которых происходит отслоение, неизвестны, и они определяются в ходе решения.
Представлены результаты расчетов температурных напряжений в неоднородной расчетной области, представляющей собой модель металлической подложки с покрытием. Эти расчеты выполнены для случаев, когда учтен перепад температуры от исходного состояния, в котором принимается, что деформации и напряжения отсутствуют (в соответствии с гипотезой о естественном ненапряженном и недеформированном состоянии материала), до конечного состояния. И в исходном, и конечном состояниях температура по расчетной области распределена равномерно. В то же время приведен пример расчета поля температур в образце, меняющегося со временем за счет теплопроводности. На следующем этапе выполнения программы будут приведены результаты расчетов полей перемещений, деформаций и напряжений с учетом градиентов температуры по расчетной области.
Оптимизация составов композиций предполагает решение обратных задач, когда определяется состав и технология создания композиции для получения ее заданных свойств, прежде всего деформационно-прочностных. Решению этого класса задач предполагается уделить особое внимание на втором этапе выполнения проекта.
Планируется проведение систематических экспериментальных исследований свойств покрытий и объемных материалов, а также сопоставление экспериментальных результатов и теоретических моделей.
В ходе проведения экспериментальных исследований работе показано, что эффективным способом повышения комплекса физико-механических характеристик объемных материалов на основе СВМПЭ является добавление модификатора из УД-порошков диоксида циркония, графита и углеродного нановолокна. Введение керамических наполнителей в СВМПЭ приводит к увеличению прочности и износостойкости по сравнению с образцами из ненаполненного СВМПЭ. При добавлении графита и углеродного нановолокна снижается коэффициент трения.

Определены оптимальные значения объемной доли модификаторов, обеспечивающих повышение в несколько раз прочности, износостойкости.
• Показано, что частицы порошка СВМПЭ являются агломератами глобулярных макромолекул – сфероидов размером 20-25 мкм, образованных вследствие действия межмолекулярных сил. Размер агломератов 50-400 мкм.
• Установлены оптимальные режимы подготовки технологичных шихт на основе СВМПЭ для газопламенного напыления полимерных покрытий.
• Установлены оптимальные условия напыления качественных покрытий из СВМПЭ: фракция шихты -125+70, текучесть – 0,27-0,4 г/с, предварительный подогрев подложки до температуры 60-100С, дистанция напыления для данной горелки –100-150 мм, температура пятна напыления – среднем 250С.
• Оптимизирован состав наполненного и модифицированного СВМПЭ: 3% наномодификатора–10% наполнителя. Адгезия покрытий этого состава увеличивается в 4, а износостойкость – в 3 раза по сравнению с покрытием из базового СВМПЭ.
• Покрытия из модифицированного СВМПЭ указанного состава не подвержены термоусадке, имеют высокую химическую стойкость в концентрированной щелочной среде, высокую термостойкость.
Развернуть
2
01.07.2007 - 31.10.2007
В настоящем отчете приведены результаты исследований по проекту, которые можно условно разделить на расчетно-теоретические и экспериментальные.
Теоретические результаты получены методом математического моделирования, который реализован с использованием оригинального проблемно-ориентированного пакета программ. Это пакет позволяет решать в геометрически и физически нелинейной постановке задачи о напряженно-деформированном состоянии неоднородной расчетной области при действии силовых и тепловых нагрузок. Решение проводится методом конечных элементов на треугольных сетках, преимущество которых проявляется в их хорошей адаптации к сложной форме внутренних контактных и внешних границ расчетной области. Процедура метода последовательных нагружений позволяет учесть геометрические особенности процесса с помощью перестроения сеток на каждом шаге расчета. Физическая нелинейность учитывается с помощью использования касательных модулей упругости различных фаз композиционного материала на каждом этапе приложения последовательно возрастающей нагрузки.
Основное внимание в отчете уделено решению прямых задач, когда по структуре материала, отраженной во внутренней геометрии представительного объема, по свойствам составляющих материал фаз и характеру их взаимодействия расчетным путем определяются макросвойства (эффективные свойства) материала. Получены результаты с учетом неидеальной адгезии, когда при деформировании дисперсно наполненной композиции допускается отрыв матрицы от включений при достижении критических условий. Сложность такого рода задач заключается в том, что заранее участки поверхности, на которых происходит отслоение, неизвестны, и они определяются в ходе решения.
Представлены результаты расчетов температурных напряжений в неоднородной расчетной области, представляющей собой модель металлической подложки с покрытием. Эти расчеты выполнены для случаев, когда учтен перепад температуры от исходного состояния, в котором принимается, что деформации и напряжения отсутствуют (в соответствии с гипотезой о естественном ненапряженном и недеформированном состоянии материала), до конечного состояния. И в исходном, и конечном состояниях температура по расчетной области распределена равномерно.
Приведен пример расчета поля температур в образце, меняющегося со временем за счет теплопроводности. Приведены результаты расчетов полей перемещений, деформаций и напряжений с учетом градиентов температуры по расчетной области. Отработана и реализована процедура определения эффективных теплофизических характеристик дисперсно-наполненных композиций на основе решения задач теплопроводности по неоднородной среде.
Оптимизация составов композиций предполагает решение обратных задач, когда определяется состав и технология создания композиции для получения ее свойств, прежде всего деформационно-прочностных, в заданном интервале. Решение обратной задачи, приведенное в отчете, основано на построении в пространстве состояний поверхностей отклика эффективных характеристик композиции на изменение значений управляющих параметров. В качестве управляющих параметров использованы степень наполнения композиции и средний радиус компактных включений. Эффективными характеристиками служили модуль упругости и предельная деформация разрушения при растяжении. Предлагаемый метод позволяет оценить возможность реализации заданных значений эффективных характеристик. При наличии такой возможности метод позволяет найти точку в области управляющих параметров, где их случайные возмущения не скажутся на попадании эффективных характеристик в заданный интервал.
Проведены экспериментальные исследования свойств покрытий и объемных материалов. В ходе проведения экспериментальных исследований показано, что эффективным способом повышения комплекса физико-механических характеристик объемных материалов на основе СВМПЭ является добавление модификатора из УД-порошков диоксида циркония, графита и углеродного нановолокна. В работе при исследовании объемных материалов:
• Выявлено значение нагрузки при горячем прессовании, обеспечивающее повышение прочностных свойств, формирование однородной структуры и существенное повышение износостойкости.
• Для наполнителя в виде УД-порошка диоксида циркония показано, что введение последнего приводит к изменению надмолекулярной структуры от волокнистой с сферолитной, а также сопровождается повышением износостойкости при увеличении коэффициента трения всего на 0.02.
• Для обоих типов исследованных наполнителей (УНВ и УДП диоксид циркония) показано, что независимо от концентрации их введение приводит к снижению величины удлинения до разрушения, повышению прочности и износостойкости.
• Выявлена концентрация наполнителя в виде углеродных нановолокон, обеспечивающая при незначительном повышении коэффициента трения повышение модуля упругости, износостойкости, плотности и предела текучести.
• Для покрытий определены значения объемной доли модификаторов, обеспечивающих повышение в несколько раз износостойкости.
• Показано, что частицы порошка СВМПЭ являются агломератами глобулярных макромолекул – сфероидов размером 20-25 мкм, образованных вследствие действия межмолекулярных сил. Размер агломератов 50-400 мкм.
• Установлены оптимальные режимы подготовки технологичных шихт на основе СВМПЭ для газопламенного напыления полимерных покрытий.
• Установлены оптимальные условия напыления качественных покрытий из СВМПЭ: фракция шихты -125+70, текучесть – 0,27-0,4 г/с, предварительный подогрев подложки до температуры 60-100С, дистанция напыления для данной горелки –100-150 мм, температура пятна напыления – среднем 250С.
• Оптимизирован состав наполненного и модифицированного СВМПЭ: 3% наномодификатора–10% наполнителя. Адгезия покрытий этого состава увеличивается в 4, а износостойкость – в 3 раза по сравнению с покрытием из базового СВМПЭ.
• Покрытия из модифицированного СВМПЭ указанного состава не подвержены термоусадке, имеют высокую химическую стойкость в концентрированной щелочной среде, высокую термостойкость.
Проведены опытно-промышленные испытания образцов объемных материалов с наполнителями в виде УНВ и графита, показавшие повышение износостойкости и ударной вязкости по сравнению с ненаполненными образцами. В условиях Сибирского химического комбината и ООО «Томскнефтехим» проведены испытания на коррозионную стойкость и стойкость к воздействию агрессивных сред (плавиковая кислота) образцов с покрытиями на основе СВМПЭ с различными типами наполнителей. Показано, что при обеспечении удовлетворительного уровня адгезии покрытия обеспечивают защиту металлической подложки и могут быть рекомендованы для последующего промышленного внедрения. Одной из областей использования результатов работы может быть нанесение защитных покрытий на внутренние поверхности емкостей (цистерн) для транспортировки и хранения кислот.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.3 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области индустрии наносистем
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Организация
ФГУП "ФНПЦ "Алтай"
профинансировано
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Технологии создания и обработки полимеров и эластомеров» (мероприятие 1.3 Программы)
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
64
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов» (мероприятие 1.3 Программы)
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
58 млн
Количество заявок
121
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Технологии создания и обработки кристаллических материалов» (мероприятие Программы 1.3)
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
58 млн
Количество заявок
106
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
48
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных»
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
136