Композиционные ледовые материалы с повышенными эксплуатационными характеристиками, армированные природными целлюлозными волокнистыми наполнителями, включая нано-и микроразмерные, и создание изделий из них для применения в Арктике

Актуальность и важность освоения Арктики подтверждена в Указе Президента РФ от 26 октября 2020 г. № 645 "О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года". Как показал опыт освоения холодных территорий, успех во многом определяется материалами, способными эффективно работать в экстремальных климатических условиях. Особое внимание уделяется материалам, которые можно производить в Арктической зоне Российской Федерации (АЗРФ) из местного сырья, поскольку их не надо будет завозить с «материка» как в подавляющем большинстве других случаев.

Использование льда как конструкционного материла и умение управлять его эксплуатационными свойствами имеет не только современный земной интерес. Полученные знания и приемы могут стать полезными в будущем и при освоении других планет, имеющих лёд, к примеру Марса, куда доставлять любые строительные материалы будет практически невозможно.

Одним из самых, доступных местных материалов в АЗРФ и на Марсе может быть лёд, который можно использовать как строительный и конструкционный материал для строительства дорог, переправ, разгрузочных площадок, взлетно-посадочных полос, зданий и других сооружений.

Однако природному льду и технологиям его применения присущ ряд существенных недостатков:

1. чистый лед имеет низкие механические свойства (прочность на растяжение 0,5-2 МПа, на сжатие – 1-25 МПа, вязкость разрушения для пресноводного льда 80-200, а для соленоводного 50-140 кПа/м^0,5), сильно зависящие от температуры, примесного состава, условий кристаллизации, что делает актуальным разработку методов его упрочнения;
2. лед имеет весьма высокую теплопроводность (2,2-2,6 Вт/м∙К), что можно также расценивать как недостаток при возведении зданий и конструкций различного назначения;
3. существующие технологии получения льда и формования из него конструкций и сооружений достаточно примитивны, малопроизводительны, не учитывают его специфики и не позволяют регулировать его свойства в соответствии решаемыми задачами и условиями использования.

Проект направлен на устранение этих недостатков и существенное улучшение механических и теплофизических свойств композитов на основе ледовой матрицы.

1. Упрочнение. Теоретическая прочность льда составляет (0,07-0,1)Е = 0,7-1 ГПа, где Е=10-11 ГПа - измеренный экспериментально модуль Юнга. Природный лед обычно имеет крупнокристаллическое строение (диаметр зерен 1-10 мм и более), ослабленное большим количеством пор, микро- и макротрещин, в результате чего реальная прочность снижается до (0,1-1) % от теоретической. Перевод его в микрокристаллическое состояние с мелким зерном должен в соответствии с соотношением Холла-Петча многократно увеличить его прочность и вязкость разрушения. Второе направление в упрочнении льда – создание композитов на его основе, в частности, армированных природными нано- и микроволокнами природного происхождения. Первым таким материалом был «пайкерит» – лед, наполненный древесными опилками, но реального применения композит не получил, исключая строительство развлекательных сооружений типа ледовой Саграда Фамилиа (Ice Sagrada Familia). Последующие системные исследования композиционных материалов с ледовой матрицей (КЛ), наполненных материалами разной природы и морфологии, показали, что наиболее эффективными наполнителями являются волокнистые материалы.

Как установлено исследованиями полимерных и минеральных армирующих волокон, для упрочнения ледовых композитов важен характер их взаимодействия со льдом. В этом отношении минеральные волокна уступают природным целлюлозосодержащим в водной комплементарности. Поэтому логично провести исследования перспективности КЛ, армированных нано-/микроволокнами растительного происхождения, что системно ранее не делалось.

Такие композиты имеют ряд преимуществ: они экологичны в сравнении с искусственными полимерными, углеродными, минеральными материалами, после эксплуатации их не нужно утилизировать, а это для арктической зоны РФ чрезвычайно важно; они намного дешевле многих искусственных волокон; обладают низкой плотностью и хорошей адгезией к ледовой матрице.

Нанокристаллическая целлюлоза, являющаяся силовым каркасом любых растительных видов, имеет модуль Юнга Е = 140-200 ГПа и прочность на растяжение σb = 6-8 ГПа, а в форме микроволокон – Е = 80-90 ГПа и σb = 0,8-1,5 ГПа. Таким образом, прочность микроволокон целлюлозы сопоставима с теоретической прочностью льда и, как минимум, не уступает конструкционным сталям при пяти-/семикратно более низкой плотности.

С учетом гидрофильности молекул целлюлозы можно рассчитывать на хорошую адгезию волокон к ледовой матрице. Следовательно, по совокупности предельных характеристик лед и нано-\микроцеллюлоза потенциально могут образовывать высокопрочные, абсолютно безвредные для природы композиты различного назначения. Однако для этого необходимы соответствующие методы и аппаратура, которые могут реализовывать эти «зеленые» технологии.

Дополнительное упрочнение, помимо введения микроволокон целлюлозы длиной 100-500 мкм в матрицу льда, будет достигаться путем ее армирования целлюлозным нетканым иглопробивным материалом (главным образом, в приповерхностных слоях).

2. Модификация теплофизических характеристик. Высокую теплопроводность льда для улучшения теплоизоляционных свойств планируется понизить тремя способами:

1. микроструктурирование матрицы льда, которое полезно для ее упрочнения, должно снижать теплопроводность за счет появления большого количества межзеренных границ;
2. введение армирующих нано-/микроцеллюлозных волокон еще больше увеличит число этих границ;
3. создание программируемой пористости в ячеистой структуре ледовой матрицы в средних слоях изделия также будет снижать теплопроводность.

 

3. Формовка изделий требуемой конфигурации. Ее планируется осуществлять как традиционными способами – заливкой в формы и набрызгиванием, так и не использовавшимися ранее при формовке льда – с помощью распыления композиционных аэрозолей электрокапельным и электроспининговыми способами. Два последних способа позволяют включить распыляющую головку в состав 3D печатающего устройства, которое будет разработано с учетом свойств водной суспензии с армирующими волокнами, фазового превращения при кристаллизации, характеристик получаемых ледовых композитов и специфики ставящихся перед ними задач. Это позволит регулировать структуру льда и КЛ в процессе их получения, в том числе, создавать многослойные, ячеистые и градиентные структуры, а также формовать изделия требуемой геометрии с градиентными свойствами (по прочности, вязкости разрушения и теплопроводности). Решение этих задач потребует углубленного изучения природы прочности структурированного льда и КЛ, механизмов их формирования и взаимодействия воды/льда с растительными волокнами, а также их деформации и разрушения. Микроструктурные исследования будут дополнены параллельными поисками способов улучшения физико-механических и теплофизических характеристик КЛ.

Цели проекта:

1) разработка способов микроструктурирования и углубление понимания механизмов формирования микроструктуры, деформации и разрушения структурированных льдов и ледовых композитов с растительными волокнами и нано-/микроцеллюлозой;

2) выяснение зависимостей механических и тепловых свойств ледовых композитов с различной микроструктурой матрицы, а также армирующих нано-/микро- волокон целлюлозы и нетканых иглопробивных материалов от технологии их получения в условиях действия как квазистатических, так и импульсных силовых и термо-механических полей;

3) поиски и оптимизация эффективных и недорогих способов упрочнения льда и ледовых композитов, оптимизация морфологии упрочняющих компонентов, их структурного состояния и технологии введения в ледовую матрицу;

4) разработка гибких, производительных методов формования из ледовых композитов готовых объектов и изделий с улучшенными эксплуатационными свойствами для практического применения в условиях холодного климата.

Публикации