CC BY
64
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 4 (4)
05.00.00 Технические науки
УДК 629.584+621.002.3+666.11.017+544.022.51
В.В.Пикуль
Пикуль Владимир Васильевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией проблем прочности глубоководной техники Института проблем морских технологий ДВО РАН. E-mail: pikulv@mail.ru
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ПРОЧНЫХ КОРПУСОВ ГЛУБОКОВОДНОЙ ТЕХНИКИ НА ОСНОВЕ СТЕКЛА
Представлен новый композиционный наноматериал конструкционного назначения на основе стекла - стеклометаллокомпозит. Показано, что его применение способно придать глубоководной технике достаточную положительную плавучесть вплоть до предельных глубин мирового океана.
Ключевые слова: композиционный наноматериал, стеклометаллокомпозит, прочный корпус, глубоководная техника.
Vladimir V. Pikul PROSPECTS OF CREATING DEEP SUBMERSIBLE SOLID BODIES BASED ON GLASS
New composition nano-material having constructional destination based on glass - glass-metal-composite - is offered. It is displayed that its application can give positive floatage right up extreme depth of World Ocean to deep submersible.
Key words: composition nano-material, glass-metal-composite, solid body, deep submersible.
Введение
Основной проблемой на пути широкомасштабного освоения мирового океана является отсутствие высокопрочных материалов, способных придать прочным корпусам глубоководной техники достаточную положительную плавучесть для работы на глубинах 6000 и более метров. При использовании существующих конструкционных материалов для придания глубоководной технике
необходимой плавучести приходится применять дополнительные объемы плавучести в виде отдельных поплавков, состоящих из легких твердых материалов или емкостей как пустотелых, так и заполненных легкой жидкостью или газом. Поплавки существенно увеличивают внешний объем подводных аппаратов. Так, например, поплавки батискафа «Триест», опустившегося 23 января 1960 г. в Марианскую впадину на глубину 10919 м, имели объем в двадцать с лишним раз превышающий объем прочного корпуса [1]. Отказ от использования поплавков придаст глубоководной технике новое качество и обеспечит значительное уменьшение мощности ходовых двигателей со всеми вытекающими из этого последствиями.
Отказаться от использования поплавков можно будет только в случае, если удастся создать новый конструкционный материал, обладающий необычайно большой прочностью и достаточной ударной стойкостью. Такой материал создается в Институте проблем морских технологий ДВО РАН. Этот материал, получивший название стеклометаллокомпозита, состоит из стеклянного слоя с внешними металлическими обшивками [2]. В процессе его изготовления металлические обшивки надежно соединяются со стеклянным слоем и при остывании стягивают поверхности стеклянного заполнителя, предотвращая образование в нем поверхностных микротрещин. Устранение поверхностных микротрещин придает стеклянному слою и стеклометаллокомпозиту в целом исключительно высокую прочность и ударную стойкость. Стеклометаллокомпозит с обшивками из высокопрочной стали HY-230 способен придать обитаемому подводному аппарату достаточную положительную плавучесть на глубинах свыше 6000 м [3]. Однако при реализации этого проекта возникнут очень большие технологические проблемы. Поэтому мы отказались от использования высокопрочных металлических обшивок, что позволяет не только упростить технологию изготовления оболочек прочного корпуса из стеклометаллокомпозита, но и существенно уменьшить плотность прочного корпуса, воспользовавшись возможностью придания неорганическому стеклу необычайно высокой прочности [4].
Прочностные свойства стеклянного слоя стеклометаллокомпозита
Возможность придания неорганическому стеклу необычайно высокой прочности установлена результатами фундаментальных исследований, выполненных сотрудниками Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН [5]. Ими доказано, 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 микродефектов повышает прочность стекла на несколько порядков. Устранение взаимодействия стекла с влагой, содержащейся в воздухе, увеличивает прочность в два раза. Ликвидация внутренних микродефектов повышает прочность стекла на 30%. В результате прочность бездефектного неорганического стекла вплотную приближается к теоретическому уровню [5].
Высокая прочность бездефектного стекла обусловлена его структурой. Главным элементом структуры силикатных стекол являются кремнекислородные тетраэдры. В центре тетраэдра располагается атом кремния, который связан с четырьмя атомами кислорода. Соединение соседних тетраэдров происходит через мостиковый кислород. В пространствах между тетраэдрами располагаются атомы других элементов, входящих в рецептуру силикатного стекла. В результате образуется пространственная наноструктура, в которой элементарные тетраэдры соединяются друг с другом своими вершинами [5].
Предложенные нами способы изготовления стеклометаллокомпозита [6-10] не только избавляют стеклянный слой от поверхностных микродефектов и изолируют его от взаимодействия с внешней средой, но и сводят к минимуму, вплоть до полного устранения, внутренние микродефекты. Избавление от поверхностных микродефектов происходит за счет уплотнения стекломассы в процессе заполнения пространства между металлическими обшивками и стягивания поверхностей стеклянного слоя при остывании стеклометаллокомпозита. Вследствие того, что коэффициенты температурного расширения у применяе-
мых металлов выше, чем у стекла, в процессе остывания металлические обшивки сокращаются в большей мере, чем стеклянный слой. Это вызывает сжатие поверхностей стеклянного слоя. Тем самым создаются механические препятствия к образованию поверхностных микротрещин в стеклянном слое. Избавление от вредного воздействия окружающей среды на стеклянный слой осуществляется за счет покрытия всех его поверхностей (лицевых и торцевых) металлическими облицовками. Сведение к минимуму внутренних микродефектов достигается заполнением и формированием стеклянного слоя при повышенном давлении с последующим отжигом стеклометаллокомпозита.
В результате стекло в составе стеклометаллокомпозита приобретает структуру наноматериала, превращая стеклометаллокомпозит в конструкционный композиционный наноматериал. Предложенные способы изготовления стекло-металлокомпозита могут быть положены в основу промышленного производства конструкционных наноматериалов на основе стекла.
Силикатное стекло, имеющее химический состав 14,5 М^О ■ 14,5 А1203 ■ 71 БЮг, защищенное от воздействия влаги, содержащейся в воздухе, достигает прочности, равной 10,4 ГПа (104000 кг /см 2) [5], что в 10 раз превышает прочность высокопрочного титанового сплава. Плотность силикатного стекла в 1,75 раз ниже, чем у титанового сплава. Хотя модуль нормальной упругости у стекла на 30% меньше, его относительная величина, отнесенная к плотности, выше на 35%. Относительная прочность стекла выше, чем у высокопрочного титанового сплава в 17,5 раз.
Необычайно высокая прочность силикатного стекла позволяет при изготовлении стеклометаллокомпозита отказаться от использования прочностных свойств металлических облицовок, оставив за ними технологическую функцию устранения поверхностных микродефектов в стеклянном слое и его защиту от непосредственного воздействия окружающей среды. Поэтому в качестве облицовок могут быть использованы легкие металлические сплавы, обладающие достаточной температурой плавления и деформативностью. К настоящему времени экспериментально установлено, что в процессе изготовления стекломе-
таллокомпозита облицовки из алюминиевых сплавов надежно соединяются со стеклянным слоем за счет расплавления их поверхности и взаимной диффузии (поверхностная диффузионная сварка), предотвращая образование поверхностных микродефектов в стеклянном слое.
Расчетные характеристики прочных корпусов из стеклометаллокомпозита
Создание прочных корпусов из стеклометаллокомпозита способно придать глубоководной технике достаточную положительную плавучесть для работы на больших глубинах, вплоть до предельных, и, тем самым, решить основную проблему, стоящую на пути полномасштабного освоения глубин мирового океана.
В табл. 1-4 приведены расчетные параметры прочных корпусов из стеклометаллокомпозита, состоящего из силикатного стекла (14,5 М^О ■ 14,5 Л12Оз ■ 71 БіО2) и алюминиево-магниевого сплава ЛМг3М [4].
Таблица 1
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЧНЫХ КОРПУСОВ ИЗ СТЕКЛОМЕТАЛЛОКОМПОЗИТА ДЛЯ РАБОТЫ НА ГЛУБИНЕ 6000 М
Оболочки прочного корпуса Параметры цилиндрической оболочки Внешний объем, ко Масса, Т кЦ м3 Плот- ность, Т/м3
Цилиндр Полусфе- ра Толщина стек-лослоя, ко Длина, ко Внутренний радиус, ко
Г ладкая Г ладкая 1,0 32,0 7,5 9778,8 5496,2 0,562
Подкреп- ленная Г ладкая 0,1897 32,0 7,5 8869,3 0,907 3070,6 0,559 0,346
Подкреп- ленная Подкреп- ленная 0,1897 32,0 7,5 8475,1 0,867 2566,7 0,467 0,303
Двух- слойная Г ладкая 0,227 32,0 7,5 10876,2 1,112 3428,7 0, 624 0,315
Двух- слойная Двух- слойная 0,227 32,0 7,5 11220, 2 1,147 3021, 6 0,550 0,269
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЧНЫХ КОРПУСОВ ИЗ СТЕКЛОМЕ-ТАЛЛОКОМПОЗИТА С ПОЛУСФЕРИЧЕСКИМИ ОКОНЕЧНОСТЯМИ ИЗ ________СПЛАВА В-95 ДЛЯ РАБОТЫ НА ГЛУБИНЕ 6000 м___
Оболочки прочного корпуса Параметры цилиндрической оболочки Внешний объем, ко Масса, Плот- ность, Т/м3
Цилиндр из стек-ломет. Полусфера из сплава В-95 Толщина стек-лослоя, ко Длина, ко Внутренний радиус, ко Т кЦ м3
Г ладкая Г ладкая 1,0 32,0 7,5 9902,0 6333,8 0,640
Подкреп- ленная Г ладкая 0,1897 32,0 7,5 8992,5 0,908 3908,1 0, 617 0,435
Двух- слойная Г ладкая 0,227 32,0 7,5 10999, 3 1, 111 4266,3 0, 674 0,388
Таблица 3
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЧНЫХ КОРПУСОВ ИЗ СТЕКЛОМЕ-ТАЛЛОКОМПОЗИТА ДЛЯ РАБОТЫ НА ПРЕДЕЛЬНЫХ ГЛУБИНАХ МИРОВОГО ОКЕАНА
Оболочки прочного корпуса Параметры цилиндрической оболочки Внешний объем, ко Масса, Т кЦ м3 Плот- ность, Т/м3
Цилиндр Полусфе- ра Толщина стек-лослоя, ко Длина, ко Внутренний радиус, ко
Г ладкая Г ладкая 1,0 28,0 6,5 6685,3 4285,1 0,641
Подкреп- ленная Г ладкая 0,277 28,0 6,5 5519,8 0,826 2479,7 0,579 0,449
Подкреп- ленная Подкреп- ленная 0,277 28,0 6,5 5260,6 0,787 2135,3 0,498 0,406
Двух- слойная Г ладкая 0,334 28,0 6,5 7339,7 1,098 3166, 1 0, 739 0,431
Двух- слойная Двух- слойная 0,334 28,0 6,5 7967,4 1, 192 3040, 7 0, 710 0,382
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЧНЫХ КОРПУСОВ ИЗ СТЕКЛОМЕ-ТАЛЛОКОМПОЗИТА С ПОЛУСФЕРИЧЕСКИМИ ОКОНЕЧНОСТЯМИ ИЗ СПЛАВА В-95 ДЛЯ РАБОТЫ НА ПРЕДЕЛЬНЫХ ГЛУБИНАХ
МИРОВОГО ОКЕАНА
Оболочки прочного корпуса Параметры цилиндрической оболочки Внешний объем, к Масса, Плот- ность, Т/м3
Цилиндр из стек-ломет. Полусфера из сплава В-95 Толщина стек-лослоя, Но Длина, Но Внутренний радиус, Но Т НЦ м3
Г ладкая Г ладкая 1,0 28,0 6,5 6882,6 5443,8 0,791
Подкреп- ленная Г ладкая 0,227 28,0 6,5 6243,0 0,907 3872, 0 0, 711 0,620
Двух- слойная Г ладкая 0,334 28,0 6,5 7740,3 1,125 4421, 8 0, 812 0,571
Прочные корпуса, представленные в таблицах, состоят из круговых цилиндрических оболочек с полусферическими оконечностями. Длина цилиндрических оболочек принята равной четырем радиусам срединной поверхности. Рассмотрены оболочки прочного корпуса трех конструктивных оформлений: гладкие (безнаборные) [10], подкрепленные кольцевыми шпангоутами [12] и двухслойные (сэндвич-конструкции) [11]. В качестве единицы измерения линейных размеров принята толщина стеклянного слоя гладкой цилиндрической оболочки Н0, что позволяет распространить представленные данные на прочные корпуса любых размеров. Толщина металлических облицовок принята равной 0,1 Н, где Н - толщина стеклянного слоя рассматриваемой цилиндрической оболочки. Внутренняя металлическая облицовка имеет толщину 0 , 01 Н. Внешние объемы и массы прочных корпусов представлены в абсолютных (числитель) и относительных (знаменатель) величинах, отнесенных к объему и массе гладких корпусов соответственно. Для объективности сопоставление прочных корпусов произведено при их одинаковых внутренних объемах. В табл. 1 и 3 цилиндрические и полусферические оболочки считаются изготовленными из стекломе-
таллокомпозита. В табл. 2 и 4 стеклометаллокомпозитные цилиндрические оболочки имеют полусферические оконечности из алюминиевого сплава В-9 5. В табл. 1 и 2 приведены параметры прочных корпусов для работы на глубине 6000 м, в табл. 3 и 4 - параметры прочных корпусов для работы на предельных глубинах мирового океана.
На основании расчетных данных, представленных в табл. 1-4, следует, что использование в качестве облицовок стеклометаллокомпозита легких металлических сплавов позволит создавать прочные корпуса с достаточной положительной плавучестью для всех известных видов подводной техники. Рабочая глубина погружения современной подводной техники может быть доведена до 6000 м и может быть создана уникальная глубоководная техника, способная работать на предельных глубинах мирового океана. Отказ от использования прочностных свойств металлических облицовок и переход на легковесные металлические сплавы повышает надежность соединения металлических облицовок со стеклом за счет перехода от припаивания к диффузионной поверхностной сварке. При этом повышается положительная плавучесть прочных корпусов [3].
Заключение
Таким образом, стеклометаллокомпозит способен придать прочным корпусам глубоководной техники достаточную положительную плавучесть для работы на любых глубинах мирового океана и, тем самым, решить основную проблему на пути его освоения. Нами предложено семь способов изготовления различных конструкций из стеклометаллокомпозита, на которые получены патенты РФ [6-12].
Стеклометаллокомпозит является высокотехнологичным материалом. Термопластичность стекла позволяет при переработке заготовок использовать известные технологические операции резки, гибки и сварки. Неограниченные запасы сырья и их дешевизна при наличии развитой промышленности производства стекла и стеклянных изделий создают реальные предпосылки для орга-
низации промышленного изготовления высокопрочных корпусов глубоководной техники различного назначения из стеклометаллокомпозита.
Существует два способа соединения стекла с металлом: пайка и диффузионная сварка. Нами исследованы теоретические вопросы формирования стек-лометаллокомпозита с позиций механики и теплофизики применительно к первому способу. К настоящему времени появилась возможность не только теоретического, но и экспериментального изучения процессов формирования стек-лометаллокомпозита и исследования его механических, теплофизических и химических свойств. Для выполнения этих работ Институтом проблем морских технологий ДВО РАН приобретены необходимые оборудование и приборы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Диомидов М.Н., Дмитриев А.Н. Подводные аппараты (проектирование и конструкция). Л.: Судостроение, 1966. 364 с.
2. Пикуль В.В. Перспективы создания слоистого композита на основе стекломатериа-лов // Перспективные материалы. 1999. № 1. С. 61-64.
3. Пикуль В.В. Перспективы создания прочных корпусов глубоководной техники из стеклометаллокмпозита // Судостроение. 2000. № 4. С. 14-16.
4. Пикуль В.В. К созданию композиционного наноматериала на базе стекла // Перспективные материалы. 2008. № 3. С. 78-81.
5. Пух В.П., Байкова Л.Г., Кириенко М.Ф. и др. Атомная структура и прочность неорганических стекол // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. Вып. 5. С. 850-855.
6. Патент РФ № 2067060. Способ изготовления оболочки прочного корпуса глубоководного аппарата // Пикуль В.В. / Опубл. 27.09.1996. Бюл. изобр. № 27.
7. Патент РФ №2196747. Способ получения композиционного изделия // Пикуль В.В. / Опубл. 20.01.2003. Бюл. изобр. №2.
8. Патент РФ № 2243900. Способ изготовления композиционного изделия на основе стекла // Пикуль В.В. / Опубл. 10.01.2005. Бюл. изобр. № 1.
9. Патент РФ № 2304117. Способ изготовления стеклометаллокомпозита // Пикуль В.В. / Опубл. 10.08.2007. Бюл. изобр. № 22.
10. Патент РФ № 2337036. Способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата // Пикуль В.В., Наумов Л.А., Гончарук В.К. / Опубл. 27.10.2008. Бюл. изобр. № 30.
11. Патент РФ № 2361770. Способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата // Пикуль В.В. / Опубл. 20.07.2009. Бюл. изобр. № 20.
12. Патент РФ № 2361771. Способ изготовления цилиндрической оболочки прочного корпуса подводного аппарата // Пикуль В.В. / Опубл. 20.07.2009. Бюл. изобр. № 20.
