Разработка технологии изготовления нового композиционного материала стеклометаллокомпозита, как перспективного материала на основе стекла для решения актуальных задач индустрии наноматериалов

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.06.2014 № 14.575.21.0009 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 17.06. 2014 по 31.12. 2014 выполнялись следующие работы:

1.1 Аналитический обзор информационных источников по теме ПНИ.

1.2 Исследование, выбор и обоснование методов и средств разработки технологии изготовления стеклометаллокомпозита, арматуры и свай из стеклометаллокомпозита.

1.3 Математическое моделирование отдельных параметров технологического процесса сварки стекла и металла, а именно, времени образования физического контакта и зарождения активационных центров, температуры и давления.

1.4 Разработка эскизной конструкторской и эксплуатационной документации на лабораторную установку для изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита.

1.5 Сборка и запуск лабораторной установки для изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита.

1.6 Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальные образцы стеклометаллокомпозита.

1.7 Разработка лабораторного технологического регламента изготовления стеклометаллокомпозита.

1.8 Разработка методики исследования структуры и свойств зоны на границе стекло – металл и проведение микроскопических исследований шлифов, выполненных из экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита

1.9 Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточ­ных результатов ПНИ.

1.10 Подготовка промежуточного отчета о ПНИ в соответствии с ГОСТ 7.32-2001

1.11 Проведение патентных исследований согласно ГОСТ Р 15.011-96.

1.12 Закупка отдельных комплектующих лабораторной установки для изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита.

1.13 Разработка методики исследовательских испытаний и проведение исследовательских испытаний экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на ударную вязкость.

1.14 Подготовка заявки на результаты интеллектуальной деятельности.

При этом были получены следующие результаты:

1. выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему,выполнены патентные исследования, исследованы, выбраны и обоснованы методы и средства разработки технологии изготовления стеклометаллокомпозита и арматуры и свай из стеклометаллокомпозита, проведено математическое моделирование параметров сварки стекла и металла, разработана эскизная конструкторская и эксплуатационная документация  на лабораторную установку для изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита, разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы стеклометаллокомпозита, разработан лабораторный технологический регламент изготовления стеклометаллокомпозита, разработаны методики: исследовательских испытаний экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на ударную вязкость; методика исследовательских испытаний экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на динамические нагрузки; методика исследовательских испытаний экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на усталость; исследования структуры и свойств зоны на границе стекло-металл, разработан лабораторный технологический регламент изготовления арматуры и сваи из стеклометаллокомпозита;
2. Теоретическая значимость работы заключается в разработке способа упрочнения стекла в составе нового конструкционного материала стеклометаллокомпозита. При выполнении работ спроектированы, изготовлены и запущены две уникальные лабораторные установки: установка для диффузионной сварки и четырех камерная электропечь шахтного типа, на первую установку подана патентная заявка на полезную модель, для второй заявка подготавливается. Все разработанные на первом этапе ПНИЭР методики для проведения исследовательских испытаний стеклометаллокомпозита являются новыми, поскольку стеклометаллокомпозит новый материал с неизученными свойствами.
3. Полученные при проведении ПНИЭР результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту, представляется перспективным продолжение работ по проекту, поскольку результаты первого этапа позволяют предположить, что все запланированные работы, в том числе по второму и третьему этапу будут выполнены в полном объеме.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.06.2014 № 14.575.21.0009 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01. 2015 по 30.06. 2015 выполнялись следующие работы:

1. Дополнительные патентные исследования по теме «Устройства для производства стеклометаллокомпозитов».
2. Математическое моделирование технологических напряжений в процессе формирования стеклометаллокомпозита при различных режимах отжига стеклометаллокомпозита.
3. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния стеклометаллокомпозита под действием различных нагрузок.
4. Разработка методик и исследовательские испытания экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на коррозионную стойкость, сопротивление термическим нагрузкам и трению
5. Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальные образцы арматуры и свай из стеклометаллокомпозита.
6. Разработка лабораторного технологического регламента изготовления арматуры и свай из стеклометаллокомпозита
7.  Закупка материалов и комплектующих для изготовления элементов гидротехнических сооружений, включающих арматуру и сваи из стеклометаллокомпозита
8. Изготовление экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита.
9. Разработка эскизной конструкторской документации на лабораторный стенд для исследования поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита в гидротехнических сооружениях в соответствии с ГОСТ 2.125-2008
10. Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточ­ных результатов ПНИ.
11.  Промежуточный отчет о ПНИ в соответствии с ГОСТ 7.32-2001
12. Закупка отдельных комплектующих для лабораторного стенда для исследования поведения экспериментальных образцов свай из стеклометаллокомпозита, имитирующие реальные нагрузки в процессе эксплуатации гидротехнических сооружений
13. Установка и запуск лабораторных стендов для исследования поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита, имитирующего реальные нагрузки в процессе эксплуатации гидротехнических сооружений
14. Разработка эксплуатационной документации на лабораторный стенд для исследования поведения экспериментальных образцов арматуры из стеклометаллокомпозита в гидротехнических сооружениях.
15. Разработка эксплуатационной документации на лабораторный стенд для исследования поведения экспериментальных образцов свай из стеклометаллокомпозита в гидротехнических сооружениях.
16.  Заявки на результаты интеллектуальной деятельности.

При этом получены следующие результаты:

1) разработан лабораторный технологический регламент изготовления экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита, как следствие математического моделирования режима его изготовления, в том числе: управление режимом отжига с целью контроля технологических и остаточных напряжений и определение напряженно-деформированного состояния стеклометаллокомпозитной арматуры, шпунтовой сваи и шпунтовой плиты армированной стеклометаллокомпозитной арматурой под действием различных нагрузок. По разработанному лабораторному регламенту в соответствии с подготовленной эскизной конструкторской документацией, для проведения исследовательских испытаний поведения в гидротехнических сооружениях, изготовлены экспериментальные образцы арматуры и свай из стеклометаллокомпозита. Для изготовленных экспериментальных образцов спроектировано два независимых лабораторных стенда, для арматуры и шпунтовых сваи и плиты соответственно. Лабораторные стенды позволят провести исследовательские испытания для исследования поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита в гидротехнических сооружениях и позволят продолжить исследования по улучшению свойств стеклометаллокомпозита.

2) изготовлены экспериментальные образцы арматуры из стеклометаллокомпозита в комплектности 108 образец, в виде стержней, состоящих из стеклянного сердечника и металлической облицовки, диаметром не менее 20 мм, длиной не менее 200 мм, плотность экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита равна 3500 кг/м³. Значение удельной ударной вязкости стеклометаллокомпозита составило 18,4 кН/м, а прочности на сжатие 1000 МПа. Также изготовлены экспериментальные образцы шпунтовой сваи и шпунтовой плиты, армированных стеклометаллокомпозитной арматурой, в комплектности 12 образов и 6 образцов соответственно. Для проведения исследовательских испытаний экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на коррозионную стойкость, сопротивление термическим нагрузкам и трению были изготовлены экспериментальные образцы в комплектности 64 образца, в виде стержней, состоящих из стеклянного сердечника и металлической облицовки, диаметром не менее 10 мм, длиной не менее 30 мм, с плотностью равной 3500 кг/м³.

В результате исследовательских испытаний по разработанным методикам проведения исследовательских испытаний экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита на коррозионную стойкость, сопротивление термическим нагрузкам и трению было установлено, что: в агрессивных средах новый композиционный материал изменяет свои геометрические характеристики не более чем на 10 %, в то время как стальные образцы показывают существенное изменение геометрических характеристик до 50 % от первоначальных, при этом стеклометаллокомпозит сохраняет достаточную прочность для использования его как арматуры в бетонных конструкциях; экспериментальный предел термической устойчивости экспериментальных образцов составляет 230 , что позволяет рассматривать его как актуальный материал не только в строительной, но и в химической индустрии; скорость абразивного износа истиранием в агрессивной среде у стеклометаллокомпозита и стали на начальных стадиях примерно одинакова, до тех пор, пока на стеклометаллокомпозитном стержне остается металлическая оболочка, далее скорость изменения массы у стальных образцов сохраняется, а у композиционных образцов снижается и стремится к нулю, замечена еще одна особенность изменения скорости, а именно, при подходе к стеклянному сердечнику скорость убыли массы у стеклометаллокомпозитных образцов замедляется, что может быть объяснено структурным изменением стали вблизи зоны соединения.

Научная новизна работы заключается в разработке нового способа упрочнения стекла в составе нового конструкционного материала - стеклометаллокомпозита. По разработанной технологии изготовлены и испытаны на коррозионную стойкость, сопротивление термическим нагрузкам и абразивному износу истиранием в агрессивной среде экспериментальные образцы стеклометаллокомпозита, представляющие из себя двухслойные стержни со стеклянным сердечником и стальной оболочкой.

При выполнении работ спроектированы, изготовлены и запущены лабораторные стенды для исследования поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита в гидротехнических сооружениях, кроме универсальных испытательных машин стенды включают в себя лабораторную оснастку, которая позволит воспроизвести нагрузки испытываемые арматурой, шпунтовой сваей и плитой при использовании их в бетонных сооружениях для гидротехнического строительства.

Для определения эффективных характеристик шпунтовой свай и шпунтовой плиты армированной применен современный подход физической мезомеханики и компьютерного конструирования материалов, позволяющий рассчитывать эффективные характеристики композиционного материала, армированного нано-трубками, в котором предлагается поэтапное моделирование композиционных конструкций: 1) уровень структурных единиц материала; 2) масштабный. Примененный подход позволил получить эффективные механические характеристики с использованием которых было рассчитано напряженно-деформированное состояние шпунтовой сваи и плиты под действием различных нагрузок. Теоретические расчеты показывают, что армирование стеклометаллокомпозитом вместо традиционно используемой стали, не приводит к снижению прочностных характеристик бетонных изделий, при этом вес арматуры почти вдвое уменьшается и на 30% возрастает прочность на сжатие.

Полученные при проведении ПНИ результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту. Выполненные работы создают основу для проведения дальнейших исследований, предусмотренных техническим заданием на тему, в полном соответствии с планом-графиком исполнения обязательств.

Проект направлен на решение проблемы создания нового конструкционного материала на базе стекла и металла – стеклометаллокомпозита и исследования его свойств и возможностей практического применения в гидротехническом строительстве.

При выполнении проекта разрабатывается технология изготовления экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита, исследуются их свойства и предлагается использовать стеклометаллокомпозит, как армирующий элемент в подпорных стенках и сваях для морского прибрежного строительства.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.06.2014 № 14.575.21.0009 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 3 в период с 01.07. 2015 по 31.12. 2015 выполнялись следующие работы:

1. разработка методики и проведение исследовательских испытаний поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита для конструкций в гидротехнических сооружениях;
2. исследования по обоснованию применения стеклометаллокомпозита в промышленности для нужд строительной отрасли
3. разработка плана дальнейших исследований по применению стеклометаллокомпозита;
4. разработка предложения по коммерциализации стеклометаллокомпозита;
5. разработка рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в гидротехническом строительстве;
6. участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточ­ных результатов ПНИ;
7. подготовка заключительного отчета о ПНИ в соответствии с ГОСТ 7.32-2001.

При выполнении работ по 3 этапу получены следующие основные результаты:

По разработанным методикам исследования поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита, как элементов конструкций в гидротехнических сооружениях на специально спроектированных и изготовленных лабораторных стендах, проведены исследовательские испытания поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита под действием различных нагрузок, испытываемых элементами конструкций в гидротехнических сооружениях.

Проведены исследовательские работы по обоснованию применения стеклометаллокомпозита для нужд строительной отрасли, спроектирован завод по производству стеклометаллокомпозитной арматуры, выполнен экономических расчет себестоимости продукции, разработаны предложение по коммерциализации стеклометаллокомпозита и рекомендации по применению результатов ПНИ в гидротехническом строительстве.

Проведенные исследовательские испытания позволили отработать разработанную методику проведения исследовательских испытаний на изгиб в условиях специального закрепления экспериментальных образцов арматуры из стеклометаллокомпозита, из значений, зафиксированных при эксперименте, можно отметить, что несмотря на невысокую нагрузку при которой в стекле появляются первые трещины, определяющей является нагрузка при которой образец теряет несущую способность она составляет 425 кг в среднем, что с отклонением в пределах 5 % совпадает с расчетной теоретической нагрузкой, при испытаниях шпунтовых плит на изгиб экспериментально полученные значения нагрузки составляют 4 750 кг, что на 23 % предельную расчетную теоретическую нагрузку..

Проектирование технологии производства арматуры из стеклометаллокомпозита и завода по производству позволила выполнить прямой экономический расчет себестоимости продукции. Расчеты показывают, что: композитная арматура существенно дешевле стальной (на 30%) при нормальной рентабельности продаж (15%); технология производства, стоимость строительства завода имеет нормальный срок окупаемости в районе 7 лет.

Проведенный экономический анализ стоимости арматуры из стеклометаллокомпозита позволил сформулировать актуальные исследовательские задачи, для продолжения дальнейших исследований, среди которых исследование по технологическим основам изготовления длинных образцов до 12 метров, нанесение ребер сцепления, поиск оптимального с точки зрения стоимости и физико-химических характеристик состава стекла и стали, позволяющего делать композит заданной прочности.

Научная новизна работы заключается в разработке нового способа упрочнения стекла в составе нового конструкционного материала – стеклометаллокомпозита и сопутствующих методик по исследованию свойств нового материала.

Конструкционный материал на основе стекла – стеклометаллокомпозит (стеклометаллокомпозитные стержни) – это уникальный конструкционный материал, который не имеет аналогов в мире.

При выполнении работ спроектирована, изготовлена и запущена уникальная лабораторная установка для изготовления экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита. При выполнении работ спроектированы, изготовлены и запущены лабораторные стенды для исследования поведения экспериментальных образцов арматуры и свай из стеклометаллокомпозита в гидротехнических сооружениях, кроме универсальных испытательных машин стенды включают в себя лабораторную оснастку, которая позволит воспроизвести нагрузки испытываемые арматурой, шпунтовой сваей и плитой при использовании их в бетонных сооружениях для гидротехнического строительства.

Для определения эффективных характеристик шпунтовой свай и шпунтовой плиты армированной применен современный подход физической мезомеханики и компьютерного конструирования материалов. Теоретические расчеты показали, что армирование стеклометаллокомпозитом вместо традиционно используемой стали, не приводит к снижению прочностных характеристик бетонных изделий, при этом вес арматуры почти вдвое уменьшается и на 30% возрастает прочность на сжатие. Разработана методика исследования поведения экспериментальных образцов стеклометаллокомпозита с применением метода акустической эмиссии для контроля накопления дефектов и характера разрушения образцов при изгибе. При проведении исследований по обоснованию применения стеклометаллокомпозита доказано, что: арматура из нового материала способна составить конкуренцию арматуре из конструкционных сталей.

Полученные при проведении ПНИ результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту. Выполненные работы создают основу для проведения дальнейших исследований по оптимизации технологии изготовления стеклометаллокомпозита и арматуры на его основе, с целью вывода на рынок новой продукции, способной составить конкуренцию конструкционной стали.