proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2017 год
  Агентство  ПРоАтом. 20 ЛЕТ с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
Сроки строительства блоков АЭС в РФ выросли до 10 лет. Причины?
Спешка не требуется
Плохая организация на площадке
Слабый контроль со стороны Заказчика
Некачественный проект
Брак комплектующих в поставках
Другое

Результаты
Другие опросы
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
PRo Рекламу

[14/01/2015]     Перспективные конструкционные материалы. Часть I

для специальной морской техники, судостроения и военного кораблестроения


В.Н.Половинкин, засл. деятель науки РФ, д.т.н., проф.

Разработка и использование инновационных конструкционных материалов - определяющая тенденция и парадигма в современном военном кораблестроении. Даже самое гениальное конструкторское решение лимитируется характеристиками и возможностями конструкционных материалов.


По словам академика Е.Н.Каблова: «Многолетняя отечественная и зарубежная практика показывает, что более 80% инновационных, прорывных разработок в ведущих отраслях промышленности и других секторах экономики базируется на внедрении новых материалов и технологий». Совершенствование тактико-технических характеристик практически всех изделий вооружения и военной техники во многом определяется свойствами применяемых материалов и сплавов.

Эта закономерность особенно проявляется в судостроительной промышленности. В кораблестроении конструкционный материал является важнейшим, определяющим элементом практически любой конструкции. Не случайно в основу постройки кораблей положен принцип неразрывности материала и конструкций, который предполагает одновременно с созданием нового материала разработку технологий изготовления из него требуемых конструкций.


Новые судовые конструкционные материалы

Современное военное кораблестроение предполагает применение сотен марок судостроительных материалов, различающихся как по составу, так и по физической природе. Усилиями специалистов различных учреждений и в первую очередь прославленного ЦНИИ КМ «Прометей» проводится успешная разработка принципиально новых судовых конструкционных материалов, например,уникальных немагнитных аустенитных сталей, легированных азотом, - НС-5Т с пределом текучести 400 МПа. Следующим шагом явилось создание немагнитной коррозионностойкой азотосодержащей стали (легирование азотом до 0,5%) повышенной прочности до 600МПа (сталь АС-1). Известны и успехи этого коллектива в разработке сверхпрочных титановых и алюминиевых сплавов, конструкционных и функциональных наноструктурированных материалов, дисперсионно-упрочненных материалов на основе металлов.

Новая высокопрочная немагнитная и коррозионностойкая сталь АС-1 к настоящему времени прошла серьезное технологическое опробование в металлургическом и судостроительном производствах. Аустенитные стали, легированные азотом, находят широкое применение как немагнитные, коррозионно- и износостойкие, а также как криогенные материалы. Основным преимуществом таких материалов являются высокие эксплуатационные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред и др.) и технологичность. Благодаря введению в сталь азота снижается необходимость в дорогостоящих легирующих элементах, например, никеле,марганце или молибдене. Кроме этого, легирование стали азотом позволяет решать не только вопросы повышения их прочность, коррозионной стойкости,немагнитности, но и экологические проблемы.

Подобная сталь востребована и в гражданском судостроении, например, в постройке ледоколов, а также танкеров-газовозов с так называемыми вкладными танками. Поэтому необходимо оперативно провести диверсификацию новых немагнитных сталей (с пределом текучести не менее 390-650 МПа) при создании лицензионно независимых и импортозамещающих судов-газовозов со вставными танками в России.

В настоящее время освоенными считаются различные методы получения высокоазотистых сталей, в том числе плавка под повышенным давлением азота, плазмохимическое насыщение расплава, использование в качестве исходных веществ нитридов, сплавов, обогащенных азотом и т.д. В качестве перспективных методов получения высокоазотистых сталей следует рассматривать и методы порошковой металлургии.

Проектные разработки различных организаций по развитию глубоководной техники, например, «СПМБП «Малахит», выявили необходимость создания корпусных титановых сплавов с еще большей прочностью - до1000-1200 МПа. Первоочередной задачей, стоящей перед отраслью, является оперативное решение проблем освоение изготовления крупномасштабных деталей из нового титанового сплава в металлургическом производстве, а также разработка технологий и процессов сварки этого материала на судостроительных предприятиях.

Последним достижением ЦНИИ КМ «Прометей»является крупнейший  объект научной инфраструктуры - уникальный автоматизированный опытный прокатный комплекс «Стан кварто 800».

Прокатный стан позволяет моделировать и создавать перспективные модульные технологии производства конструкционных материалов, композитных и объемных конструкций наноструктурированных металлических материалов для промышленного применения в различных отраслях техники, и нацелен на то, чтобы новые рецептуры и технологии производства специальных сталей оперативно переводились на промышленные рельсы.

Совершенствование военной техники предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к конструкционным материалам (например, температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость, коррозионная стойкость и др.). У истоков разработки требований к судовым конструкционным материалам стояли выдающиеся ученые, сотрудники ныне«Крыловского государственного научного центра» И.Г.Бубнов, академики Ю.А.Шиманский и В.В.Новожилов. Их талантом была создана стройная обоснованная система требований, в значительной степени действующая и поныне.



Требования к новым конструкционным материалам

В настоящее время сотрудники ФГУП «Крыловский государственный научный центр» успешно работают над созданием требований к принципиально новым конструкционным материалам. Возрастание требований потребителей к свойствам конструкционных материалов можно свести к следующим показателям:

- повышению удельных механических свойств (прочность, вязкость, упругость, трещиноустойчивось,хрупкость, ударостойкость и т.п. в расчете на единицу массы или удельного веса), при обеспечении снижения массы изделий и затрат на их эксплуатацию;

- повышению сопротивляемости (например, коррозионной стойкости) материала воздействию рабочей или окружающей среды (температуры, агрессивности среды, радиационному и пучковому излучению, распространению колебательной энергии и т.п.);

- повышению надежности (долговечности, безотказности) материала и конструкций, а также их технической, эргатической и экологической безопасности в эксплуатации.

Определяющими параметрами судовых конструкционных материалов традиционно являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных,лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.).

Технико-экономические параметры конструкционных материалов, включают:

- технологические параметры — обрабатываемость металлов давлением, резанием, литейные свойства (жидкотекучесть, склонность к образованию горячих трещин при литье), свариваемость, паяемость, скорость отверждения и текучесть полимерных материалов при нормальных и повышенных температурах и др.;

- показатели экономической эффективности (стоимость, трудоёмкость, дефицитность, коэффициент использования металла и т.п.).

Технологичность материала оценивают также стоимостью всех процессов, связанных с его изготовлением и переработкой в изделие. Для достижения указанных целей разрабатываются новые виды металлических и неметаллических материалов. Обеспечивая конструктивную защиту корабля, специалисты,как правило, идут от конструкций, изучая внешние силы, и далее формируя требования к материалам, добиваясь максимальной функциональности конструкции.

Военное кораблестроение представляет собой область, в которой сосредоточены разнообразные группы конструкционных материалов со специфическими, порой противоречащими друг другу требованиями. Например, кораблестроению необходимы материалы:

- по условиям работы — материалы, работающие как при низких температурах, так и жаропрочные,коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.;

- по критериям прочности — материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности и т.д.

В ближайшее время кораблестроению потребуются так называемые магнитомягкие материалы и магнитные экраны, например, радиопоглощающие композиционные металлополимерные материалы с магнитомягким наполнителем на основе железа. Металлополимерные материалы с различным магнитомягким наполнителем (в том числе, и на основе железа) могут быть широко использованы при создании поглотителей электромагнитных волн для сверхширокополосных антенн, работающих в непрерывном диапазоне УВЧ, СВЧ и КВЧ.


 

Группы конструкционных  материалов

Разнообразие применяемых в судостроении материалов обусловлено различием требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам механизмов и конструктивных элементов судна. Все эти материалы делятся на несколько групп:

1. Корпусные металлические и неметаллические материалы для судостроения. К ним относятся судостроительные стали нормальной, повышенной и высокой прочности, титановые и алюминиевые сплавы, композиционные материалы на металлической и полимерной основах, защитные покрытия.

2. Материалы для судового машиностроения. Это высоколегированные стали, титановые,алюминиевые, медные сплавы, неметаллические материалы.

3. Материалы для создания атомных и неатомных (газотурбинных, котлотурбинных и дизельных)энергетических установок. К ним относятся корпусные радиационно-стойкие стали,коррозионностойкие стали и сплавы, высоконикелевые и титановые сплавы, полимеры и композиционные материалы, функциональные материалы и пр.

Требования к современным корабельным материалам

В целом перспективному кораблестроению необходимы легкие, маломагнитные высокопрочные стали и сплавы с хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью при работе в различных агрессивных средах. При этом эти материалы должны дополнительно иметь максимальный коэффициент внутренних потерь для снижения распространения воздушного шума и колебательной энергии.

Дальнейшее развитие корабельной неядерной энергетики потребует принципиально новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких и низких температурах. Перспективными являются высокопрочные антифрикционные углепластики марок УГЭТ и ФУТ.

Дальнейшее развитие корабельной атомной энергетики предполагает разработку и широкое внедрение конструкционных материалов, обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях при очень высоких температурах и жестком облучении, но и удовлетворяющих новому требованию — малому поперечному сечению захвата нейтронов.Перспективными конструкционными материалами для атомной энергетики могут являться малоактивируемые (с быстрым спадом активности) конструкционные материалы. Для этой цели могут быть рекомендованы сплавы на основе ванадия — перспективные конструкционные материалы для реакторов термоядерного синтеза. Широкое применение высокоэффективных малоактивируемых конструкционных материалов, созданных на базе Fe, Cr, W, V, Та, Ti, Si, Zr, Be, С, позволит существенно улучшить нейтронику активной зоны реакторов (уменьшение паразитных потерь нейтронов). Усилия разработчиков малоактивируемых материалов могут быть направлены на создание дисперсионно-твердеющих материалов (сталей и сплавов) и оптимизацию режимов их термомеханических обработок, формирующих гомогенные наноструктурированные объёмные состояния и обеспечивающих существенное повышение их функциональных свойств.

Учитывая развитие принципиально новых видов оружия, кораблестроению уже сегодня требуются высокоэффективные материалы для защиты от нейтронного и другого излучения, которые могут быть получены не базе специальных ПКМ. Для перспективного кораблестроения должно быть разработано поколение алюминиевых сплавов, легированных литием и скандием.

Революционные решения в создании перспективных изделий ВМФ может обеспечить также новый класс конструкционных материалов – интерметаллидов(химических соединений: титан-алюминий, никель-алюминий, железо-хром-алюминий и др.), имеющих низкую плотность (3,7...6,0 г/см3) и высокую жаропрочность (до 1200 °С), а также высокие характеристики коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости ко всем видам изнашивания. Интерметаллиды,как химические соединения металлов, по своей структуре занимают промежуточное положение между металлами и керамикой.

Стали, применяемые в отечественном кораблестроении,должны отличаться высокой хладостойкостью, хорошей свариваемостью, повышенной трещиностойкостью. Отрасли необходимы специально разработанные хладостойкие хорошо свариваемые материалы. В последнее время идет активная работа над созданием нового класса высокопрочных устойчивых к коррозии сталей, легированных азотом.Благодаря различию взаимодействия углерода и азота с атомами железа, сталь приобретает уникальные физико-химические и эксплуатационные свойства (высокая прочность,пластичность, абсолютная коррозионная стойкость, немагнитность). Азотистые стали обладают хорошей свариваемостью и технологичностью, как в металлургическом, так и судостроительном производстве. Успехи ЦНИИ КМ«Прометей» в разработке таких перспективных материалов должны всесторонне поддерживаться и соответствующим образом финансироваться.

Требование технологичности

Важнейшими технологическими характеристиками судокорпусной стали являются обрабатываемость резанием, способность к холодной и горячей пластической деформации, свариваемость, чувствительность к образованию трещин при операциях тепловой резки. Эти характеристики оценивают по стандартным методикам либо непосредственно в ходе производственных операций,либо с помощью специальных лабораторных методов испытания (проб).

Особое внимание в перспективном кораблестроении будет уделяться легким цветным металлам и сплавам на их основе; материалам,имеющим мелкодисперсную ультрамелкодисперсную и нанодисперсную структуры, монокристаллическим, аморфным и порошковым материалам. Такие структуры, созданные, например, методами пластического или термопластического деформирования,обеспечивают повышение эксплуатационных  характеристик даже традиционных материалов. Можно на порядок увеличить их прочность и придать материалам особые технологические,физические и эксплуатационные свойства. Материалы с такими структурами служат основой для создания композиционных материалов, деталей, получаемых методами порошковой металлургии, а также деталей, обладающих специальными свойствами.

Для кораблестроения важны также малопластичные материалы с высокой удельной прочностью. Проблема их внедрения весьма актуальна,поскольку применяемые материалы исчерпали свою возможность, не позволяя рассчитывать на сколько-нибудь существенное снижение массы корпусов или увеличение глубины погружения.

Повышение прочности металлических материалов традиционными методами (увеличением содержания легирующих элементов, оптимизацией технологий термомеханического упрочнения и т.д.) исчерпало свои возможности.Современные сплавы содержат большое количество дорогостоящих и редких металлов:кобальта, вольфрама, ниобия, молибдена, никеля и др., что резко повышает их стоимость. Кроме того, значительное увеличение количества легирующих элементов в сплавах приводит к зональной и объемной ликвации в слитках и, как следствие,к анизотропии свойств полуфабрикатов и деталей из них. Определенный резерв в повышении свойств конструкций военного кораблестроения, может лежать и в использовании интерметаллидных соединений.


Новые классы резин,герметиков, компаундов

В последние годы военное кораблестроение ставит перед специалистами задачи по созданию новых классов резин, герметиков и компаундов (в том числе, токопроводных резин и герметиков; термо-, морозо-,агрессивостойких резин; термо-, агрессивостойких анаэробных герметиков;теплопроводных, поглощающих СВЧ-энергию компаундов, вибро-, ударопрочных,стойких к термоциклированию эпоксикремнийорганических клеев и т.д.). Например,токопроводные резины и герметики с повышенными в 1,5...2 раза техническими характеристиками благодаря совершенствованию технологических процессов обеспечат снятие статического электричества с корпусов, боевых и технических средств.

Совершенствование качества материалов, принципов их выбора и применения, например, в корпусе корабля происходит по нескольким направлениям:

- усложнение и дифференциация требований к свойствам материалов, в связи с чем,например, регламентацию показателей химического состава и основных физико-механических характеристик дополняют оценкой характеристик технологических свойств и др.;

- специализация свойств и связанное с нею увеличение номенклатуры применяемых материалов: создаются материалы узконаправленного действия (немагнитные стали;противообрастающие краски; стеклопластики, наилучшим образом работающие на изгиб, сдвиг, растяжение) и т.д.

Защитные покрытия

Определенное место среди конструкционных материалов в кораблестроении отводится защитным, в том числе лакокрасочным покрытиям.

Лакокрасочные защитные покрытия должны обладать полифункциональными свойствами. Кроме традиционных требований по обеспечению минимального времени высыхания, адгезии, твердости, стойкости к воздействию агрессивной окружающей среды, срока годности и т.д. перспективные покрытия должны обладать целом рядом специфических свойств. Например, при их нанесении на подводную часть корпуса надводного корабля или на корпус подводной лодки они должны обеспечивать эффект самополирования, снижая сопротивление движению. Помимо защиты корпуса от коррозии свойства защитного материала должны способствовать устранению эрозии и кавитации при обтекании корпуса судна водой. Кроме этого они должны иметь максимальный коэффициент поглощения различных излучений,обеспечивая скрытность кораблей по физическим полям.

Особенно не выдерживают критики применяемые в настоящее время в подводном кораблестроении покрытия на основе резины. Сегодня усилия специалистов необходимо сосредоточить на разработке принципиально новых высокоэффективных в широком диапазоне длин волн пассивно-активных полимерных покрытий, эффективность которых не изменялась бы с глубиной погружения. Опыт такой работы имеется. Так, установлено, что гидроакустические покрытия из ПКМ с переменной по толщине микроскопической пористостью обеспечивают широкий диапазон частот поглощения. Малые размеры пор (~50 мкм) позволяют сохранять работоспособность покрытий при увеличении глубины погружения в 2-3 раза по сравнению с существующими резиновыми покрытиями. Использование в основе ПКМ полимеров, находящихся в состоянии α-перехода, дает возможность одновременно с поглощением поисковых акустических сигналов демпфировать собственные шумы не менее чем на 20 дБ. Такие покрытия обладают полифункциональными свойствами. Например, путем подбора компонентов таких полимеров можно регулировать радиопоглощающие или радиопрозрачные свойства, обеспечивая, наряду с акустической, электромагнитную защиту в диапазоне от радиочастот до инфракрасного излучения.

В целом, для снижения акустической заметности в широком диапазоне частот с учетом требований по снижению массовых характеристик,перспективным может являться создание многослойных структур с чередованием вибропоглощающих структур из металлических и неметаллических (полимерных)материалов.

Актуальной проблемой совершенствования корабельных конструкций защиты от воздействия высокоскоростных поражающих элементов (осколков, пуль) является повышение баллистической стойкости и живучести композитных, в частности, керамикосодержащих защитных преград. Разработка высокоэффективных конструкций керамикосодержащей брони для применения в составе корабля, улучшение технологий изготовления брони, контроля качества и ремонта в период эксплуатации являются важными задачами.

В связи с ужесточением требований пожарной и экологической безопасности перспективных кораблей широкое применение должны найти многофункциональные теплозвукоизоляционные материалы и покрытия:

- поропласты, в которых газообразные включения сообщаются друг с другом и окружающей атмосферой;

- пенопласты – для теплоизоляции рефрижераторов, труб и т.д.;

- сотопласты, являющиеся заполнителями многослойных панелей при создании наружной теплоизоляции и др.

Перспективные термозащитные покрытия могут быть выполнены на базе вермикулита и интеркалированного графита.

Всё многообразие материалов, применяемых, в том числе и в военном кораблестроении, представлено на рис. 1.


Рис. 1. Конструкционные материалы и их характеристики

Диаграмма представлена в координатах: модуль упругости (Гигапаскаль, ГПа) – плотность(Мегаграмм/м3). Для демонстрации противоречивости отдельных требований, предъявляемых к корабельным конструкционным материалам, на диаграмме нанесены линии скоростей распространения  продольных (акустических) волн.

Также на диаграмме приведены линии, которым следует придерживаться с точки зрения минимизации массы конструкции при её проектировании.

На диаграмме представлены следующие конструкционные материалы:

1.     пены (гибкие полимерные пены, твердые полимерные пены);

2.     природные материалы (дерево, кожа, эпоксидные смолы);

3.     полимеры и эластомеры - изопрены, резины, силиконовые эластомерные материалы, полиуретаны, неопрены;

4.     техническая керамика (Si3N4, SiC,Al2O3 и др.);

5.     металлы (свинцовые сплавы, сплавы на медной основе, вольфрамовые сплавы, никелевые сплавы, стали, титановые сплавы, марганцевые сплавы);

6.     композиты.



Заканчивается эпоха мономатериалов

В идеальном случае перспективный материал должен быть более легким и более прочным. Из известных материалов к таким можно отнести, например, титановые, марганцевые сплавы. Но с увеличением модуля Юнга увеличивается и плотность материала, а также скорость распространения продольных (акустических волн). Следовательно, традиционные прочные мономатериалы не отвечают совокупности требований, как по прочности, массе конструкции, так и по коэффициенту внутренних потерь (чем меньше скорость распространения продольных волн, тем больше коэффициент внутренних потерь).Поэтому, с определенной долей уверенности можно говорить, что эпоха повсеместного использования мономатериалов в военном кораблестроении практически заканчивается. В материаловедении наступил своеобразный переломный момент широкого внедрения в военное кораблестроение биметаллов (триметаллов),наностуктурированных сталей и сплавов, металлических и полимерных композиционных и нанокомпозиционных конструкционных материалов, а также так называемых «интеллектуальных материалов» и метаматериалов.

Схематично смена конструкционных материалов в исторической ретроспективе и перспективы военного кораблестроения показана на рис. 2.



Рис.2 Этапы развития конструкционных материалов в военном кораблестроении


Перспективы развития конструкционных материалов

К числу наиболее перспективных корпусных конструкционных материалов следует отнести титановые сплавы, а также азотосодержащие немагнитные коррозионностойкие стали с σт от 400 до 800 МПа. Перспективы их использования очевидны как минимум до 2030 г. Дальнейшее улучшение эксплуатационных свойств данных материалов следует связывать с сохранением их рецептуры и созданием у них наноструктурированной организации. Поэтому к традиционным требованиям к таким материалам можно добавить требование к размерности их структурных элементов.

Для расширения несовместимых свойств традиционных монометаллов уже в ближайшей перспективе возможно появление би- и триметаллов. Наиболее же революционный этап в развитии корабельных конструкционных материалов, несомненно, будет связан с широким внедрением металлических, неметаллических композиционных материалов, сотовых материалов, поропластов, пенопластов, сотопластов, сэндвич-материалов и сэндвич-конструкций и др.

Одним из методов получения эффективных конструкционных материалов будет широкое синтезирование их из элементов,имеющих предельные значения свойств, в том числе, свойств не сочетаемых в мономатериалах, то есть предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т.п. Такие материалы получили название композиционных. При их изготовлении используются высокопрочные элементы (волокна, нити, нитевидные кристаллы,тугоплавкие соединения и т.п., составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из прочного и пластичного материала (металлических сплавов или полимерных материалов). Композиционные материалы по удельной прочности могут на 50-100% превосходить стали или алюминиевые сплавы, обеспечивая при этом  экономию массы конструкции на 20-50%.

К сожалению, в настоящее время широкое внедрение таких ПКМ ограничивается относительно высокими ценами на эти материалы (рис.3).



Рис. 3. Соотношение цен стальных конструкций и конструкций из ПКМ


В мировой практике принята классификация композиционных материалов в зависимости от материала матрицы и типа дисперсного наполнителя (рис. 4).



Рис. 4. Классификация композиционных материалов (по типу матрицы)


Путем подбора состава и свойств матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить практически любые современные материалы и готовые изделия с требуемым (заранее заданным)сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. При этом многообразие комбинаций различных исходных материалов и технологий их переработки в композитные материалы и изделия практически бесконечно и ограничено только современным уровнем развития науки и техники. В ряде случаев, например, при производстве изделий, работающих в особо жестких условиях эксплуатации,возможно применение только композитных материалов. Незаменимость композитов обеспечивается, но не ограничивается, следующими важнейшими характеристиками:

- высокая механическая прочность;

- термостойкость;

- коррозионная стойкость;

- малый удельный вес.

При создании перспективных композиционных материалов широкое применение найдут материалы на базе углеродных кластеров (фуллерены, нанотрубки, термовспученные графиты и др.).

Примеры ориентации наполнителя показаны на рис. 5 и в табл.1, 2



Рис. 5. Примеры ориентации различных наполнителей

Табл.1 Классификация комбинированных композитных материалов по видам и расположению компонентов


Табл.2 Классификация комбинированных композитных материалов по расположению компонентов (схеме армирования)



Примечание: ноль-мерные компоненты, имеющие все три размера одного порядка (например, частицы дисперсно-упрочненных КМ); одномерные компоненты, один из размеров который значительно превышает два других (например, волокнистые КМ); двумерные компоненты (например, биметаллы,триметаллы и др.).


К числу наиболее востребованных военным кораблестроением материалов, можно отнести и так называемый вибродемпфирующий гибридный конструкционный материал (ВГКМ), из которого изготовливаются рамные конструкции наиболее виброактивных элементов боевых и технических средств,например, энергетических установок.

В перспективном военном кораблестроение найдут применение ПКМ из серии углепластиков и гибридных материалов на их основе. Эти материалы должны иметь:

- плотность не выше 1450-1600 кг/м3,

- модуль упругости не менее 50-60 ГПа,

- прочность при сжатии не менее 400-500 МПа,

- прочность при межслойном сдвиге не менее 50 МПа.

Сэндвичная панель образуется двумя тонкими лицевыми листами или плоскостями, разделенными и одновременно связанными с более крупным центральным ядром. Наружные слои (облицовка) делаются из относительно жесткого и прочного материала, например, алюминиевых сплавов,пластиков, армированных волокнами, титана, стали. Они придают конструкции высокий уровень жесткости, прочности, воспринимают растягивающую или сжимающую нагрузку при нагружении внешними силами. Материал ядра, как правило, более легкий, обычно для него характерен низкий модуль упругости. Для изготовления центральной части сэндвичных панелей обычно используют один из трех материалов:

-жесткие пенопласты (вспененные полимерные материалы на основе фенольных, эпоксидных смол или полиуретанов);

- дерево (например, бальза);

- сотовые конструкции.

Центральное ядро сэндвичной конструкции выполняет несколько функций:

- создает эффект сплошной конструкции, связывая лицевые панели между собой;

- противостоит перпендикулярным сдвиговым напряжениям;

- противодействует вспучиванию панели.

Сотовая конструкция является одним из наиболее популярных видов ядра, используемого при производстве сэндвичных панелей. В качестве материала, из которого изготавливают соты, как правило, используется алюминиевые сплавы и арамид.



Рис. 6. Сотовая конструкция




Рис. 7. Примеры формирования сэнвич-панели


Изготовление сэнвич-панелей должно выполняться специализированными фирмами и поставляться на судостроительные предприятия. Пример формирования корпусных конструкций из сэнвич-панелей показан на рис. 8. Первым кораблем, действительно выполненным по технологии «Стэлс» с корпусом из сэнвич-материалов, стал шведский корвет«Висбю» (рис.9).



Рис. 8. Пример формирования корпусных конструкций из сэнвич-панелей


Рис. 9. Шведский корвет «Висбю»с корпусом из сэнвич-панелей


Силуэт корабля представляет собой моноблок с интегрированной надстройкой, расположенной в районе миделя. Корпус корвета выполнен из гибридного композиционного материала (sandwich-construction) — поливинилхлоридного ядра и внешней оболочки из углепластика на поливинилхлоридном связующем. Технология изготовления судовых конструкций из полимерных КМ была разработана на верфях Kockums, принадлежащих немецкой компании HDW,расположенных в Карлскруна (Швеция). Кроме поглощения радиоволн РЛС, углеродные жгуты обеспечивают их «распыление», что способствует снижению уровня вторичного радиолокационного поля корабля. Надводная часть корпуса выполнена в виде комбинации больших плоских поверхностей, расположенных под различными углами, что также способствует рассеиванию электромагнитной энергии. Все основные системы оружия, а также швартовное оборудование, расположены в корпусе корабля за специальными герметичными покрытиями, выполненными заподлицо с корпусными конструкциями, за исключением артиллерийской установки, но башня последней выполнена из радиопоглощающего материала.

Применение в конструкции корпуса нового конструкционного материала позволило значительно снизить составляющую веса корпуса в общей нагрузке. По заявлениям разработчиков, корпус «Висбю» на 50%легче, чем корпус аналогичных размеров, выполненный из традиционных материалов.

Среди композиционных материалов выделяются два основных типа материалов:

- на основе дисперсного наполнителя;

- на основе волокон.

В последние годы наблюдается повышение внимания исследователей к разработке и исследованию металло-матричных композитов (ММК), применение которых позволяет достичь значительного повышения уровня физико-механических и эксплуатационных свойств и расширения температурно-силовых интервалов работы изделий.

Значительный интерес к алюмоматричным композиционным сплавам (АКС) в кораблестроении обусловлен их высокой удельной прочностью, малой плотностью, хорошими технологическими свойствами. К настоящему времени на производственном уровне освоены и успешно используются АКС, содержащие в качестве армирующей фазы частицы SiC, Al2O3, TiC, TiB2, B4C и др.

Основным достоинством композитов на основе керамической матрицы является возможность их использования при высоких температурах за счет высокой термической стойкости керамики.

Основными исходными материалами для производства полимерных матриц на сегодняшний день являются:

- термопластичные материалы;

- термореактивные материалы.

Из термопластичных материалов наиболее перспективными являются полипропилен, полиэтилен, полистирол, фторопласт, поливинилхлорид, полиамид, полиуретан, поликарбонат и другие.

В качестве армирующих наполнителей для композитов, применяемых в военном кораблестроении, могут быть использованы следующие виды волокнистых наполнителей:

стекловолокно;углеволокно; арамидное волокно; базальтовое волокно; полимерные волокна;натуральное волокно и другие виды волокон.



Рис. 10. Примеры армирующих наполнителей


Выбор армирующего наполнителя определяется его удельными характеристиками: удельным напряжением и удельным модулем (рис. 10). С точки зрения прочности ПКМ предпочтение следует отдавать арамиду, карбону.


Нормативные документы,регламентирующие применение ПКМ

Применение новых полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях судов регламентируется ТТХ изделий ВМФ. При проектировании и изготовлении изделий Заказчик требует подтверждение достижения ТТХ, причем традиционно, путем проведения испытаний, как самих материалов, так и конструкций из них. Объем испытаний определяется на основании нормативных документов, определяющих внедрение и постановку на производство новых ПКМ,которые на сегодня значительно устарели и противоречат друг другу, что является одной из причин, сдерживающих внедрение новых ПКМ в судостроение.

На сегодняшний день в отечественном судостроении действуют несколько основных нормативных документов, регламентирующих применение ПКМ:

- ОСТ 5.9310-78 «Стеклопластики конструкционные для корпусов кораблей и судов. Правила приемки»;

- РД 5.0401-85 «Система разработки и постановки продукции на производство. Порядок разработки, испытаний, приемки и постановки на производство неметаллических материалов»;

- «Положение о постоянной межведомственной комиссии по приемке новых и модифицированных  для конструкций, изделий  и покрытий для военного и гражданского судостроения», а также  Правила РМРС;

- другие ГОСТ РВ, не имеющие прямого отношения к ПКМ, но обязательны для выполнения.

Указанные документы, не отвечают современному уровню разработок ПКМ и технологий их переработки, и находятся в противоречии с современной методологией проектирования конструкций и изделий из ПКМ.

Ситуация с широким внедрением ПКМ в военном кораблестроении усугубляется тем, что в 1990-х гг. было практически ликвидировано производство отечественных композиционных материалов. В результате к 2000 г.на отечественном рынке разрешенной для применения в судостроении осталась одна марка полиэфирной смолы (ПН-609-21М), одна марка эпоксидной смолы (ЭКМ-70Т) и три марки стеклоткани (Т-11-ГВС-9, Т-10-14, Т-53-ВМП-78). Указанные материалы были применены для изготовления надстройки и амортизационной рамной конструкции пр. 20380.

В 2007-2011 гг. с учетом отсутствия современных отечественных исходных материалов для ПКМ, проектирование и изготовление проекта12700 (базовый тральщик) велось исключительно на импортных материалах производства Финляндии и Швеции. В течение 5 лет за счет бюджетных средств РФ импортные материалы прошли всесторонние сертификационные испытания и были допущены для применения в судостроении.

В 2011 г. начаты работы по импортозамещению. В рамках ФПЦ РГМТ по результатам ОКР «Аксиал» были разработаны опытные партии отечественных материалов: полиэфирной и винилэфирной огнестойкой смол, мультиаксиальные стеклоткани и углеткани. Испытания ПКМ на их основе показали возможность применения материалов в судостроении взамен используемых импортных. Однако, для их применения при проектировании и изготовлении в изделиях ВМФ необходимо проведение комплекса сертификационных испытаний, которые запланированы на 2014-2016 гг. в рамках ОКР «Биаксиал» (ФЦП «РГМТ»).

При этом остается открытым вопрос по импортозамещению множества других основных и вспомогательных материалов:низковязких эпоксидных смол холодного отверждения, компонентов отверждающей системы, легковесных заполнителей, клеев, герметики, лакокрасочных материалов и покрытий, технологических материалов, а также технологического, измерительного и испытательного оборудования и т.п.

На рис. 11 представлены технологии, применяемые при производстве полимерных композиционных материалов за рубежом.



Рис. 11. Технологии, применяемые при производстве полимерных композиционных материалов

Примеры иностранных боевых кораблей, при постройке которых были широко применены композиционные материалы, показаны на рис. 12, 13.

Рис. 12. Формирование корпуса боевого корабля из ПКМ


Рис. 13. Перспективные зарубежные корабли


Особые перспективы применения ПКМ специалисты связывают с производством высокоэффективных малошумных гребных движителей (рис.14), а также промежуточных и гребных валов. Например, на американской подводной лодке «Мемфис» установлен гребной вал из углепластика, обеспечивающего снижение массы вала более чем в 2 раза.


Рис. 14. Перспективный гребной винт из ПКМ


Рис. 15. Болон воздуха высокого давления из ПКМ


Легкие сосуды и емкости, изготовленные из полимерных композиционных материалов и работающие под давлением, успешно применяются в зарубежном военном кораблестроении (рис. 15). Созданы и эксплуатируются топливные баки, шары-баллоны, корпусы ракетных двигателей,аккумуляторы давления, дыхательные баллоны для подводников, летчиков.


Перспективы создания и использования «интеллектуальных материалов» в военном кораблестроении рассмотрим в статье "Перспективные конструкционные материалы», часть II"
 

 
Связанные ссылки
· Больше про Материаловедение
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Материаловедение:
Уран – главный металл атомной энергетики

Рейтинг статьи
Средняя оценка: 5
Ответов: 2


Пожалуйста, проголосуйте за эту статью:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 2 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Перспективные конструкционные материалы. Часть I (Всего: 0)
от Гость на 15/01/2015
Рис. 15. Болон воздуха высокого давления - никому глаз не резонул?


[ Ответить на это ]


Re: Перспективные конструкционные материалы. Часть I (Всего: 0)
от Гость на 16/01/2015
В глаз попало слово "резонул" из предыдущего коммента, мне, почему-то ближе слово "резанул".


[
Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(812)438-3277
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
Сайт построен на основе технологии PHP-Nuke. Открытие страницы: 0.15 секунды
Рейтинг@Mail.ru