На волнах инноваций и передовых технологий

Одной из часто встречающихся в судостроении проблем является коррозия металлических конструкций, вследствие которой снижается их долговечность. Страдают даже те элементы, которые непосредственно не контактируют с водной средой, например обычные двери и люки судов. А тренд на повышение энергоэффективности, снижение расхода топлива обуславливает замену металлов не только на коррозионностойкие, но и более легкие материалы. На помощь в решении данной проблемы приходят полимерные композиты, которые помимо хороших прочностных характеристик и лёгкости, обладают высокой коррозионной стойкостью и гидрофобностью. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) — многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной основы (матрицы), армированной дисперсными (порошки, гранулы и т.д.) или непрерывными наполнителями (ровинги, ткани, нетканые материалы и т.д.). Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических характеристик. В настоящее время в судостроении уже применяются так называемые сэндвич-композиты, то есть материалы, имеющие снаружи упрочненные облицовочные слои из стекло- и углепластиков, а внутри пористый или ячеистый заполнитель. В частности, плиты из вспененного поливинилхлорида (ПВХ), причем зачастую импортного производства. А учитывая политику импортозамещения, актуальна работа по формированию внутреннего вспененного слоя из имеющегося отечественного сырья.

В течение 24 дней команда из пяти школьниц из Москвы, Рыбинска, Смоленска, и Череповца под руководством наставников из Санкт-Петербурга трудилась над решением задачи.

В рамках работы была проанализирована возможность применения в качестве заполнителя материала, наполненного полыми стеклянными микросферами (ПСМ), — синтактного композита. Синтактные композиты на основе ПСМ и эпоксидной матрицы не только легкие, но и прочные (прочность на сжатие у пенопластов на основе ПВХ 0,2–12 МПа, у синтактных на основе ПСМ — 25–95 МПа). Синтактные композиты изготавливались с помощью технологии литья. Были изготовлены образцы с различным массовым содержанием наполнителя: от 10 до 30 %. Установлено, что с увеличением количества наполнителя снижается плотность образцов (например, плотность образца с 10 % (масс.) составляет 0,918 г/см³, а у образца с 30 % (масс.) ПСМ — 0,601 г/см³). Образцы с 15% (масс.) ПСМ и более обладают выраженной плавучестью. Все разработанные синтактные композиты гидрофобны, массовая доля поглощенной влаги составляет менее 1% (после одного дня нахождения образца в воде) и не изменяется с течением времени. Заполнитель из ПСМ и эпоксидной смолы изготавливали в двух формах: сплошной — для последующего формования прямых элементов из композитов и дискретный (в виде отдельных блоков) — для выкладки на поверхность, обладающую кривизной.

Было апробировано использование разработанных образцов при создании трехслойных сэндвич-композитов с внешними силовыми слоями из стекло- и углепластика с помощью технологий ручного формования и вакуумной инфузии, и получены образцы данных материалов с плотностью 0,83–0,99 г/см³, что обуславливало их плавучесть и легкость. Стоит также отметить, что коэффициент теплопроводности полученных сэндвичей (0,185–0,200 Вт/м·К) значительно ниже, чем у используемых традиционных металлических материалов (17,0–200,0 Вт/м·К). Что также положительно сказывается на энергоэффективности судовых конструкций, позволяя экономней расходовать энергоресурсы.

В конце проектной смены участницы команды представили и технико-экономическое обоснование выбора материала для реализации проекта. Так, себестоимость изготовления 1 м² сэндвич-материала с синтакным заполнителем и несущими слоями из стеклопластика составила чуть больше 6 000 рублей, что дешевле, чем лист судовой стали.

23 июля состоялась успешная защита проекта, а 24 июля девочки приняли участие со стендом в «Параде проектов», представив свои результаты всем участникам «Больших вызовов 2023».

Хочется отметить, что это был наш первый опыт проектной работы со школьниками. И, судя по отзывам и участниц, и экспертов, и организаторов мы с достойно с ней справились. Мы знаем, что талантливые, увлеченные своим делом, проявляющие живой интерес к разработке новых материалов ребята собираются не только в Сириусе, они есть по всей стране. Очень надеемся, что многие из них свяжут свою будущую деятельность с полимерами и композитам, совершат много открытий и реализуют множество полезных и нужных проектов. За ними будущее отрасли!

Мы благодарим участниц проекта: Алину, Валентину, Варвару, Дарину и Майю за любознательность и целеустремленность, успехов вам в выборе профессии, новых побед и свершений!

Гаязова Алина

Школа № 1505, Москва

«Самое главное, что дал мне проект — опыт. Для меня, как и для многих других подростков, выбор направления, с которым будет связана будущая профессиональная деятельность, довольно трудный. Такие проекты, как тот, который мы делали в «Сириусе», помогают разобраться в том, чего ты хочешь».

Фомичева Валентина

Средняя общеобразовательная школа № 17, Череповец, Вологодская обл.

«До проекта в «Сириусе» о композитных материалах я знала совсем немного и не задумывалась об актуальности их использования и производства. Поэтому в течение работы над проектом стало интересно погружаться в такую обширную тему, узнавать об экономических проблемах, связанных с полимерными композитами в целом, и о том, как они значительно могут изменить привычное судостроение в частности. Было интересно сравнивать использование металла и полимерных композитов в судостроении, а участие в создании образцов помогло почувствовать тонкости производства. Мне понравился проект тем, что я узнала предметную область, в которую в других условиях не погрузилась бы».

Вачина Дарина

МОУ СОШ №29, Рыбинск, Ярославская обл.

«Очень понравилось участвовать в проекте. Давно мечтала узнать побольше о полимерах и поработать с ними. Работая над этим проектом, я поняла, что мне интересна тема композитных материалов, и я хотела бы продолжить еë изучение».

Скородина Майя

Школа № 1532, Москва

«В процессе работы мы с командой не просто создали свой материал, но и углубились в теоретическую часть, что помогло понять взаимосвязь строения композитов и свойств компонентов его образующих, а также разобраться в причинах появления заданных характеристик в материале. Для меня удивительно, но полученные знания уже находят свое применение в моей учебной жизни».

Бобарыкина Варвара

Печерская средняя школа, Печерск, Смоленская обл.

«Мне очень понравилось работать над проектом, каждый день был разным, а опыты интересными (я никогда не забуду вакуумную инфузию). Наша команда действительно сдружилась за время работы над проектом, а наши научные руководители — это отдельная любовь. Я очень благодарна Наталье Сергеевне и Ольге Игоревне не только за сделанный вместе с нами проект, но и за поддержку, за любовь к своему делу и за крылатые фразы, которыми теперь пользуется вся наша команда. Это был незабываемый опыт, спасибо «Большим вызовам», ОЦ «Сириус» и, конечно же, нашим научным руководителям».

Отдельное спасибо Объединённой судостроительной корпорации за постановку задачи и поддержку проекта; компании «ХимСнаб Композит» и лично Оксане Григораш — за безвозмездно предоставленные сырьевые материалы; сотрудникам лаборатории «Технологии композитов» Президентского лицея «Сириус» и особенно Евгению — за возможность работы на оборудовании лаборатории и механическую доработку изделий, методисту и куратору направления «Новые материалы» Анастасии Тереховой и Анне Заякиной — за организацию и координацию всех этапов работы проекта! Без вас у нас ничего не получилось бы!

А мы начинаем прием заявок на тематику проекта в 2024 году. Если у Вашей компании есть проблемы или, наоборот, идеи, связанные с технологией композитов, над которыми было бы интересно поработать вместе со школьниками, — пишите главному редактору журнала «Композитный мир» Ольге Гладуновой по email: o.gladunova@kompomir.ru

Также мы приглашаем партнеров и спонсоров для реализации будущих проектов! Давайте растить специалистов композитной отрасли вместе!