CC BY
5
УДК 621.763
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-469-470
КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
П.А. Королев, Е.Н. Хозина, О.С. Журавлева, А.И. Мельников
В статье приводится уточненная расширенная классификация композиционных материалов как наиболее перспективных и востребованных материалов в современном машиностроении. Особое внимание в работе уделено «интеллектуальным» композиционным материалам, обладающим уникальными свойствами и широким диапазоном применения. Приведены данные о современных разработках отечественных ученых в области технологии машиностроения, в частности, в сфере создания инновационных композиционных материалов с заданными свойствами.
Ключевые слова: композиционные материалы, матрица, наполнитель, классификация, функциональность, «интеллектуальные» композиционные материалы.
В настоящее время традиционные конструкционные материалы все чаще заменяются инновационными композиционными материалами. Область их применения многообразна (рис. 1) благодаря наличию у них особых свойств, позволяющих улучшить технико-экономические показатели получаемых из них изделий [1].
Рис. 1. Применение композиционных материалов
Композиционные материалы (КМ) представляют собой объемное сочетание минимум двух разнородных по химическому составу материалов (фаз) с четко выраженной границей раздела между ними. При соединении фаз друг с другом получаемый материал приобретает такие свойства, которых ни в качественном, ни в количественном соотношении не было ни у одной из фаз по отдельности.
Основными элементами КМ являются матрица и наполнитель, варьируя состав которых, а также их соотношение, ориентацию и дисперсность, получают широкий спектр разнообразных материалов. Таким образом, важным преимуществом композитов является возможность их дальнейшего совершенствования, а также создание новых КМ и технологий их изготовления за счет подбора соответствующих компонентов, их соотношения в КМ и их технологических параметров. Такие свойства КМ позволяют оптимизировать их под конкретные условия эксплуатации изделия и расширить возможности их использования путем получения материалов с новым набором технологических и эксплуатационных свойств. Другими словами, КМ можно заранее «запрограммировать» на получение определенных физико-механических характеристик.
К числу КМ относятся такие материалы как полимеры, армированные волокнами, наполненные полимеры, керамические и углеродные материалы, дисперсно-упрочненные сплавы и псевдосплавы, а также ряд других [2].
Огромное многообразие КМ и возрастающая потребность в них требуют их четкой классификации. В данной работе предпринята попытка создания уточненной расширенной классификации КМ по 11 признакам. Такая классификация представлена на рис. 2.
Особый интерес среди указанных классификационных признаков представляет функциональность КМ, под которой понимается степень вариативности возможностей его использования. С этой точки зрения КМ делятся на однофункциональные (конструкционные) и многофункциональные, которые также принято называть «интеллектуальными» или «умными». Такие композиты отличаются возможностью одновременного выполнения нескольких функций - собственно материала с требуемыми характеристиками, датчика на внешнее воздействие и, в ряде случаев, устройства, «запрограммированного» на определенное поведение. «Умные» КМ также можно условно разделить на несколько групп. Классификация «интеллектуальных» КМ изображена на рис. 3.
«Самовосстанавливающиеся» КМ представляют собой материалы, которые могут самостоятельно «залечивать» возникающие в них дефекты. К таким материалам можно отнести, например, многие полимеры и некоторые керамические материалы.
В «самовосстанавливающихся» полимерах с целью «заживления» трещин вводятся специальные тонкостенные капсулы с «залечивающим» веществом, которое распространяется в трещину при ее возникновении и, смешиваясь с катализатором и отвердителем, выступает в роли герметика [2].
Другим вариантом «залечивания» является использование окислительных реакций, в которых объем оксида превышает объем исходного материала. Такой метод наиболее характерен для керамических КМ. Кроме того, в настоящее время создаются «самовосстанавливающиеся» бетоны и металлические системы. Обладая такими уникальными свойствами, «самовосстанавливающиеся» КМ находят широкое применение в ракетостроении, самолетостроении, строительстве и машиностроении [2, 3].
В настоящее время в России ведется несколько перспективных проектов по разработке и созданию «самовосстанавливающихся» материалов. Например, учеными ЮУрГУ проводится поиск и испытание новых составов полимеров, которые бы позволили решить электротехническую проблему по восстановлению изоляционных характеристик материала [4]. На рис. 4 представлен образец диэлектрического материала с эффектом «самозалечивания», разработанный ЮУрГУ совместно с СПбГУ и ООО «Челябинский завод электрооборудования».
по природе- матрицы
н
1 металлические
ТерМОрсаКЛИВНЫе |
термопластичные |
j
о а
по природе наполнителя
] керамические |
неорганическле
j заикокрпстдллсрсеские' |
pütBo.Iftüclüiío компонентов
по юшпкгву КО М П ОН е НЛО В
по УСТШу пол чтения
по структуре нжгаозала
по геометрии капол ж стеля
по оомуноуу содержанию ШНЯШПНИ
по функциональности
по схеме армирования
по размеру часши наполнителя
анизотропные
металлические
изотропные (кзаэигдот родные) ортотропные (перекрестные!
направленная крпеталлишпея I
косоугольные
верные
гноршные i полнармировдиные > \
потп матричные
жгнкофачные
твердофазные
V
осуждение ■ кишлеине
комбинированные
прессование
прокатка
УПЯОТЮНЮ взрывом
диффузионная свары,
волочение
слоисты«
| комоинпро&лнные |
порошковые н г ранур про ванные
слоистые
волокнистые
гЕ
неориентпро ванные
орнентпрованкные -Т-
высоко- и предельно наполненные органоволокнпли |
q"1 сынофуюшиондльныс (юоиструиигонныс) I г :-
*| многофункциональные < "интеллектуальные") ¡
одномерны!ш нлполнггтелями
двумерными нлполнггт елями
прос гран стве иными к ano л кг п елями
нуль-мерными {зернистыми) налолшгтелямн
нуль- и одномерными наполнил елями одновременно
макронаполненные микрон аполнени ы е
мининаполненные
микро гнорпд ны е
нанонапалненные
Рис. 2. Общая классификация композиционных материалов
Рис. 3. Классификация «интеллектуальных» композиционных материалов
470
Композиты с «эффектом памяти» («эффектом Курдюмова») характеризуются тем, что при нагреве восстанавливают свою первоначальную форму, изменившуюся после деформации, т.е. выступают в качестве своеобразного накопителя энергии [1, 5].
Рис. 4. Образец диэлектрического материала с эффектом «самозалечивания»
К таким КМ относятся некоторые сплавы, самым известным среди которых является нитинол (рис. 5). Он представляет собой сплав никеля и титана в соотношении 55% и 45% соответственно. Среди основных преимуществ этого уникального сплава можно отметить не только эффект «памяти формы», но и высокую степень его эластичности, самую высокую коррозионную стойкость и возможность совершать работу при восстановлении формы. К недостаткам нитинола можно отнести высокую стоимость и сложность процесса его изготовления. Нитинол нашел свое применение в медицине, в частности, при лечении позвоночных травм и дистрофии опорно-двигательного аппарата, в орто-донтии (бреккет-системы) и сосудистой хирургии (стенты) [6].
Рис. 5. Нитинол (никелид титана)
Существуют и другие КМ с эффектом «памяти формы», например, инновационные углепластики, которые можно использовать в космической промышленности. Из них изготавливаются самораскрывающиеся петли для раскрытия панелей батарей фотоэлектрических преобразователей, саморазворачивающиеся антенны, элементы тепловых экранов и другие объекты [5].
Другую группу «умных» КМ представляют так называемые «самосмазывающиеся» материалы, которые уменьшают трение или износ в процессе работы изделия. К таким материалам можно отнести самосмазывающиеся металлические, полимерные и керамические КМ. Эффект уменьшения трения и, как следствие, износа поверхности достигается либо за счет нанесения самосмазывающихся покрытий, либо при формировании слоя смазки путем химических реакций, либо созданием микротекстурированной поверхности [1, 2]. Например, в рамках государственного задания российскими учеными была представлена разработка новых керамических «самосмазывающихся» и «самовосстанавливающихся» композитов WC/Y-TZP-Al2O3 с диспергированными частицами стали Гадфильда для решения задач экстремального трения [7, 8].
Рассмотрим еще один тип «интеллектуальных» КМ - «самоочищающиеся» материалы. Они отталкивают воду, органические жидкости и прочие загрязнения. В основу таких КМ положен так называемый «эффект лотоса», заключающийся в очень низкой смачиваемости поверхности твердого тела жидкостью вследствие особенностей рельефа данной поверхности на микро- и наноуровне. «Самоочищающиеся» материалы применяются в автомобилестроении для изготовления специальных покрытий для корпусов и окон, пропитки тентов, приготовления автомобильных красок, способных самоочищать поверхность под воздействием обычной воды [1].
Рассматриваемые материалы также применяют в строительстве, например, для получения самоочищающегося бетона. Так, учеными из ЮУрГУ разработаны образцы биодобавок для самоочищения и самовосстановления бетона (рис. 6), которые, как предполагается, позволят повысить показатели надежности и безопасности бетонных зданий и сооружений [4].
Эффект самоочищения достигается посредством введения в бетонную смесь особого порошкообразного продукта - шлама лакокрасочного производства. Шлам содержит гипс и диоксид титана, причем последний играет роль ускорителя химических процессов, разлагая вредные вещества, находящиеся на поверхности материала, на безопасные элементы, устраняемые естественным путем [9].
«Самоочищающиеся» материалы могут использоваться в медицине для дезинфекции и обеззараживания инструментов без использования ультрафиолетового излучения. Например, белорусские ученые исследовали композиционное электрохимическое покрытие на основе сплава «олово-никель», который содержит в своем составе композит «ядро-оболочка» (рис. 7) [10]. Такое покрытие обладает бактерицидными свойствами, многократно снижая концентрацию микроорганизмов на поверхности материала.
(7 лисп с начала грсщинообраюваншО Рис. 6. «Заживление» трещины в бетоне с помощью биодобавки
а б
Рис. 7. Изображение поверхности композиционного электрохимического покрытия: а - Sn-Ni, б - Sa-Ni-композит «ядро-оболочка»
Существует множество иных КМ, которые также можно назвать «умными», обеспечивающими выполнение различных заданных уникальных технологических функций. Разработка и внедрение «интеллектуальных» материалов открывает принципиально новые возможности для создания современной техники и инновационных технологий.
Проведенный аналитический обзор различных КМ и их классификация позволяют сделать вывод о том, что в ближайшем будущем эти необыкновенные по своим свойствам и возможностям применения материалы смогут вытеснить металлы и сплавы из таких областей, как ракето-, самолето-, судо- и автомобилестроение и промышленный дизайн. Таким образом, разработка и совершенствование КМ - чрезвычайно перспективная область современного материаловедения, которая будет бурно развиваться и в дальнейшем.
Список литературы
1. Новые материалы в промышленности // Агентство промышленного развития Москвы. М., 2020. 92 с.
2. Леонов В.В., Артемьева О.А., Кравцова Е.Д. Материаловедения и технология композиционных материалов. Курс лекций. Красноярск, 2007. 241 с.
3. Умные материалы и их применение. [Электронный ресурс] URL: https://videonauka.ru/stati/13-tekhnicheskie-nauki/42-umnye-materialy-i-ikh-primenenie-obzor (дата обращения: 23.06.2024).
4. Приоритет 2030: В ЮУрГУ разрабатывают самоочищающийся бетон и стеклопластик для авиации. [Электронный ресурс] URL: https://www.susu.ru/ru/news/2022/08/18/prioritet-2030-v-razrabatyvayut-samoochishchayushchiysya-beton-i-stekloplastik-dlya (дата обращения: 23.06.2024).
5. Аристов В.Ф., Чернышенко А.О. Композиты с эффектом памяти формы для создания саморазворачивающихся конструкций космического назначения // Решетневские чтения: материалы XIX Международной научно-практической конференции, посвященной 55-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М. Ф. Решетнева: в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. Ч. 1. С. 67-68.
6. Энговатов В.А. Необычные свойства нитинола и его применение в медицине // Бюллетень медицинских Интернет-конференций, 2015. Том 5. № 11.
7. Самосмазывающиеся гибридные композиты WC/Y-TZP-A12O3 с диспергированными частицами стали Гадфильда. [Электронный ресурс] URL: https://sn.ntr.ru/samosmazyvayushhiesya-gibridnye-kompozity-wc-y-tzp-al2o3-s-dispergirovannymi-chasticzami-stali-gadfilda (дата обращения: 23.06.2024).
8. Nikolai Savchenko, Irina Sevostyanova, Mikhail Grigoriev, Denis Gurianov, Anna Zykova, Veronika Utyaganova, Evgeny Moskvichev, Dmitry Lychagin, Sergei Tarasov. Hybrid composite with WC/Y-TZP-Al2O3 ceramic matrix and dispersed Hadfield steel particles // Ceramics International, Volume 50, Issue 8, 15 April 2024. P. 1309013100.
9. В России создали самоочищающийся бетон. [Электронный ресурс] URL: https://ria.ru/20231207/nauka-1914144679.html (дата обращения: 04.07.2024).
10. Самоочищающиеся композиционные покрытия / А. В. Пянко [и др.] // Современные электрохимические материалы и оборудование: материалы Международной научно-технической конференции. Минск: БГТУ, 2021. С. 283-285.
Королев Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина,
Хозина Елена Николаевна, канд. техн. наук, доцент, khozina-en@rguk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина,
Журавлева Ольга Сергеевна, канд. техн. наук, доцент, zhuravleva-os@rsuk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина,
Мельников Андрей Игоревич, магистрант, andrumelnikov555@yandex. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина
CLASSIFICATION OF COMPOSITE MATERIALS P.A. Korolev, E.N. Khozina, O.S. Zhuravleva, A.I. Melnikov
The article provides a refined extended classification of composite materials as the most promising and in-demand materials in modern mechanical engineering. Special attention is paid to «intelligent» composite materials with unique properties and a wide range of applications. The data on modern developments of Russian scientists in the field of mechanical engineering technology, in particular, in the field of creating innovative composite materials with specified properties, are presented.
Key words: composite materials, matrix, filler, classification, functionality, «intelligent» composite materials.
Korolev Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, korolev-pa@rguk. ru, Russia, Moscow, Ko-sygin State University of Russia,
Khozina Elena Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, khozina-en@rguk. ru, Russia, Moscow, Kosy-gin State University of Russia,
Zhuravleva Olga Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, zhuravleva-os@rguk. ru, Russia, Moscow, Kosygin State University of Russia,
Melnikov Andrey Igorevich, master, andrumelnikov555@yandex. ru, Russia, Moscow, Kosygin State University of
Russia
УДК 629.7.082.6
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-473-474
ОПТИМИЗАЦИЯ РАСХОДА ОХЛАДИТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ЗАПРАВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
СЖИЖЕННЫМ ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ
М.В. Ведерников, С.Ф. Стельмах, А.В. Антропова, Р.О. Лашко
В статье представлена пневмогидравлическая схема системы заправки (СЗ) транспортных средств (ТС) сжиженным природным газом (СПГ). Описаны способы оптимизации расхода жидкого азота при захолаживании узлов и агрегатов СЗ, а также топливных баков ТС. Произведен расчет массы выкипающего охладителя при различных способах заправки ТС. Показаны экономические преимущества функционирования разработанной СЗ в результате оптимизации расхода охладителя указанными способами.
Ключевые слова: охладитель, система заправки, пневмогидравлическая схема, захолаживание, сжиженный природный газ, жидкий азот, емкость, агрегат, магистраль.
В настоящее время природный газ является одним из важнейших видов топлива, занимая значимое место в структуре потребления наравне с нефтью и углём. Основными потребителями природного газа являются такие отрасли как промышленность и производство электроэнергии (44% и 31% соответственно) [1]. Другими важными сферами его потребления является коммунально-бытовой сектор, транспорт и ракетно-космическая отрасль.
В последние годы в мировой экономике и в структуре потребления первичных энергоносителей произошли существенные изменения. Наиболее важным из них можно назвать растущее значение природного газа, энергетическая и экологическая эффективность которого предопределяет его роль как доминирующего энергоресурса XXI века. Так, если за последние 20 лет мировое потребление энергии выросло на 48 %, то газа - на 70 %, в то время как нефти - на 33 %, угля - на 46 % [2].
Природный газ в сжиженном состоянии имеет следующие преимущества по сравнению с другими видами
топлива:
- сжижение природного газа увеличивает его плотность в 600 раз, что упрощает транспортировку и хранение;
- появляется возможность создания запасов и их использования по мере необходимости;
- в своей жидкой форме природный газ не имеет способности самовоспламеняться или взрываться;
- возможность газификации удалённых объектов;
- низкая себестоимость СПГ и его доступность;
