|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Материалы на основе минеральных волокон, устойчивые для применения в условиях АрктикиНИР
Mineral fiber materials resistant to arctic conditions
- Руководитель НИР: Гутников С.И.
- Участники НИР: Жуковская Е.С., Попов С.С.
- Подразделение: НИЛ технологии функциональных материалов
- Срок исполнения: 29 декабря 2023 г. - 29 декабря 2025 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 24-29-00279
- Номер ЦИТИС: 124022100019-0
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Функциональные материалы, наноматериалы и технологии
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: связанность территории Российской Федерации
- ПН России: Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
- Критическая технология России: Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.15.19 Химия твердого тела
- Классификатор OECD: Неорганическая и ядерная химия
-
Ключевые слова:
минеральные волокна, прочность, долговечность, экстремальные условия, устойчивость
extreme conditions, mineral fibers, strength, durability, stability -
Описание:
Проект направлен на решение научной проблемы – установление закономерностей состав-структура свойства в минеральных волокнах при воздействии экстремально низких температур
-
Abstract:
In recent years, more and more requirements have been imposed on materials for the possibility of their use in extreme conditions. This is of particular importance in projects related to the development of the Arctic regions and the production of LNG. Under these extreme conditions, the materials must be resistant to operation at deep negative temperatures (up to minus 196 C), resistant to sudden temperature changes, and withstand exposure to sea water. Mineral fibers have great potential for use under extreme conditions for this range of applications. Due to their high mechanical characteristics (mineral fibers have higher strength and modulus of elasticity (2800 - 3200 MPa, 60 - 70 GPa) than the currently widely used glass fiber grade E (2500 - 2800 MPa, 45 - 60 GPa), they can be used as structural materials.At the same time, the wide use of mineral fibers in extreme conditions is limited due to insufficiently studied their long-term properties.This problem is supposed to be solved in this project by establishing the mechanisms of destruction of mineral fibers in extreme conditions (high temperatures, ultra-low temperatures, aggressive environments) and determining the relationship of these mechanisms with the production technology, composition, structure and surface of fibers and materials based on them.
-
Планируемые результаты:
К концу 1 года будет получено 15 образцов минеральных волокон, обработанных при долгосрочном воздействии отрицательной температуры. Волокна, полученные при разных условиях (разных технологических параметрах), выдержанные при температурах 0 °С, минус 50°С, минус 100°С, минус 196°С в течении 1, 7, 14, 21 дней будут исследованы комплексом методов физико-механического анализа. Планируется проведение комплексного изучения структуры обработанных волокон, характера микро- и нанонеоднородностей на их поверхности, а также основных физико-механических свойств (кристаллизация, прочность, модуль упругости и пр.). Исследование структуры минеральных волокон включает в себя определение локального окружения входящих в стекла катионов-сеткообразователей и катионов-модификаторов, а также расчет степени полимеризации стекла и числа немостиковых атомов кислорода. Комплексное исследование структурных свойств будет проведено с использованием методов ИК-спектроскопии, КР-спектроскопии, ЯМР-спектроскопии. Для обнаружения нано- и микродефектов на поверхности волокна будут использованы методы сканирующей электронной микроскопии, EDX и оптического анализа. Особое внимание будет уделено изменению структуры поверхности волокон. Дополнительно планируется определение механических характеристик полученных волокон. На основании выявленных закономерностей технология получения- состав – структура –свойства будет установлен механизм разрушения минеральных волокон при экстремальных температурах. Установление механизма позволит получать волокна более стойкие в указанном диапазоне температур, а также прогнозировать ресурс их работы. На основании полученных результатов будут опубликованы 2 работы в журналах индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus).
-
Научный задел:
В течение последних 5 лет научный коллектив специализировался в области исследования минеральных волокон. В течение нескольких лет в лаборатории проводились исследования влияния различных катионов, в частности катионов-сеткообразователей алюминия и кремния, на физико-химические свойства стекол и волокон на их основе По теме работы опубликовано 11 работ, реферируемых в системе ISI Web of Knowledge и SCOPUS. Для оценки параметров минерального волокна использованы методы, выбранные на основе анализа широкого круга отечественных и зарубежных стандартов, методик исследования минеральных волокон. В основу работы заложен оригинальный системный подход к изучению зависимостей “состав-структура-свойства-технологические параметры”, основанный на комплексном изучении свойств волокон методами мессбауэровской спектрометрии, рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии и дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии и др. Наши исследования показали, что основную роль в определении механических характеристик играет химический состав волокна, а также количество и вид дефектов на его поверхности. В ходе проведенных исследований были установлено влияние на свойства волокон отдельных компонентов (FeO, Fe2O3, Al2O3, ZrO2, MgO). Показано, что добавки оксидов щелочных металлов увеличивают модуль упругости базальтовых волокон за счет перехода оксида алюминия в тетраэдрическое состояние, в качестве сеткообразователя.
-
Основные результаты:
1 год В течение 1 года будет получено 15 образцов минеральных волокон, обработанных при долгосрочном воздействии температуры. Волокна, полученные при разных условиях (разных технологических параметрах), выдержанные при температурах 0 °С, минус 50°С, минус 100°С, минус 196°С в течении 1, 7, 14, 21 дней будут исследованы комплексом методов физико-механического анализа. Планируется проведение комплексного изучения структуры обработанных волокон, характера микро- и нанонеоднородностей на их поверхности, а также основных физико-механических свойств (кристаллизация, прочность, модуль упругости и пр.). Исследование структуры минеральных волокон включает в себя определение локального окружения входящих в стекла катионов-сеткообразователей и катионов-модификаторов, а также расчет степени полимеризации стекла и числа немостиковых атомов кислорода. Комплексное исследование структурных свойств будет проведено с использованием методов ИК-спектроскопии, КР-спектроскопии, ЯМР-спектроскопии. Для обнаружения нано- и микродефектов на поверхности волокна будут использованы методы сканирующей электронной микроскопии, EDX и оптического анализа. Особое внимание будет уделено изменению структуры поверхности волокон. Дополнительно планируется определение механических характеристик полученных волокон. На основании выявленных закономерностей технология получения- состав – структура –свойства будет установлен механизм разрушения минеральных волокон при экстремальных температурах . Установление механизма позволит получать волокна более стойкие в указанном диапазоне температур, а также прогнозировать ресурс их работы. На основании полученных результатов планируется опубликовать 2 работы в журналах индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus). 2 год В течение 2 года будет получено 15образцов минеральных волокон, обработанных при долгосрочном воздействии морской воды . Волокна, полученные при разных условиях (разных технологических параметрах) будут выдержанны в морской воде в течение 1, 7, 30 и 60 дней. А также в условиях одновременного воздействия морской воды и низкой температуры (0°С, минус 50°С, минус 100°С, минус 196°С). Планируется проведение комплексного изучения структуры обработанных волокон, характера микро- и нанонеоднородностей на их поверхности, а также основных физико-механических свойств (кристаллизация, плотность и пр.). Исследование структуры минеральных волокон включает в себя определение локального окружения входящих в стекла катионов-сеткообразователей и катионов-модификаторов, а также расчет степени полимеризации стекла и числа немостиковых атомов кислорода. Комплексное исследование структурных свойств будет проведено с использованием методов ИК-спектроскопии, КР-спектроскопии, ЯМР-спектроскопии. Для обнаружения нано- и микродефектов на поверхности волокна будут использованы методы сканирующей электронной микроскопии, EDX и оптического анализа. Особое внимание будет уделено изменению структуры поверхности волокон. Дополнительно планируется определение механических характеристик полученных волокон. На основании выявленных закономерностей технология получения- состав – структура –свойства будет установлен механизм разрушения минеральных волокон при долгосрочном воздействии агрессивных сред. Установление механизма позволит получать волокна более химически стойкие, а также прогнозировать ресурс их работы. На основании полученных результатов планируется опубликовать 2 в журналах индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus).
- Добавил в систему: Гутников Сергей Иванович
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 29 декабря 2023 г.-29 декабря 2024 г. | Материалы на основе минеральных волокон, устойчивые для применения в условиях Арктики |
| Результаты этапа: рамках проведенного исследования были получены 15 образцов минеральных волокон, обработанных при различных температурных режимах с целью анализа их структуры механических свойств. Для детального изучения влияния состава минеральных волокон на их физико-химические свойства и устойчивость при пониженных температурах варьировали их химический состав. Для детального изучения механизма разрушения минеральных волокон, были получены и исследованы волокна с разным химическим составом. В ходе выполнения работы и получали не менее 2 образцов минеральных волокон разного диаметра на основе природных базальтов, с добавлением 5 и 10 мол % оксида натрия, с повышенным содержанием оксидов алюминия, титана и кремния, а также с варьированием содержания оксида кальция 5 и 10 мол %. Образцы были подвергнуты обработке при температуре 0 °С, минус 50 °С, минус 100 °С и минус 196 °С в течение 1, 7, 14 и 21 дня. В ходе выполнения работы были получены образца минеральных волокон разного диаметра на основе природных образцов, где нижний температурный предел получения волокон составил 1430 °C, а верхний - 1500 °C, что дало температурный интервал в 70 °C. Образец с добавлением 5 мол % оксида натрия, продемонстрировал более низкий нижний предел в 1360 °C и верхний предел в 1490 °C, что привело к увеличению температурного интервала до 130 °C. Это указывает на то, что добавление натрия может снижать нижний предел, что может быть связано с изменением кристаллической структуры или снижением температуры плавления. Образец, содержащий 10 мол % оксида натрия, имеет еще более низкий нижний предел в 1280 °C и верхний предел в 1430 °C, что создает интервал в 150 °C. Это подтверждает тенденцию к снижению температурных пределов с увеличением содержания натрия, что может быть связано с его способностью влиять на вязкость расплава и, следовательно, на термическую стабильность волокон. Образец с добавлением 5 мол % оксида кремния, показывает более высокие температурные пределы: нижний предел составляет 1480 °C, а верхний - 1510 °C, что дает интервал в 30 °C. Это может свидетельствовать о том, что кремний способствует повышению термостойкости волокон, что делает их более подходящими для высокотемпературных приложений. Образцы содержащие 5 и 10 мол % оксида кальция соответственно, имеют нижние пределы 1420 °C и 1450 °C, с верхними пределами 1480 °C и 1490 °C, что приводит к интервалам в 60 °C и 40 °C. Эти значения показывают, что кальций также влияет на термические характеристики, но в меньшей степени, чем натрий. Образец с добавлением 5 мол % оксида титана, имеет нижний предел 1450 °C и верхний 1510 °C, что дает интервал в 60 °C. Это указывает на то, что титан может повышать верхний предел, что делает его полезным для создания волокон, устойчивых к высоким температурам. Образец с повышенным содержанием оксидов алюминия, демонстрирует нижний предел 1440 °C и верхний 1510 °C, что приводит к интервалу в 70 °C. Это подтверждает, что алюминий также может способствовать повышению термостойкости, аналогично кремнию и титану. Таким образом, результаты показывают, что изменение химического состава образцов существенно влияет на их термические характеристики. В частности, увеличение содержания оксида натрия приводит к снижению нижних температурных пределов, в то время как оксиды кремния, кальция, титана и алюминия могут повышать верхние пределы, что делает их более подходящими для применения в условиях высоких температур. Эти данные могут быть полезны для дальнейших исследований и разработки новых материалов с заданными термическими свойствами. Впервые были исследованы изменения прочности минеральных волокон после низкотемпературной обработке. Обнаружено, что прочность, уменьшается, причем степень уменьшения зависит от химического состава волокон. Добавление щелочных и щелочноземельных оксидов может способствовать незначительному увеличению прочности благодаря снижению вязкости стекла и уменьшению кристаллизации. В структуре стекол кислород может находиться в двух формах: мостиковый и немостиковый, что определяет физико-химические показатели стекол и волокон на их основе. С добавлением оксида натрия уменьшается вязкость расплава и расширяется температурный диапазон производства волокон. Добавление большого количества кальция может привести к негативным последствиям, связанным с расслоением в исследуемых составах минеральных стекол и волокон на их основе. Для образцов на основе природных стекол предел прочности на растяжение снизился с 1915 МПа до 1868 МПа после обработки при -50 °C, что привело к сдвигу на -2,4%. После обработки при -196 °C прочность дополнительно снизилась до 1714 МПа, со сдвигом на -10,5%. Образец с повышенным содержанием натрия показал снижение с 2351 МПа до 2223 МПа при -50 °C, что соответствует сдвигу на -5,5%, и значительное снижение до 1946 МПа при -196 °C, со сдвигом на -17,2%. Образцы с содержанием оксида натрия 10 мол % показали предел прочности на растяжение 2037 МПа до обработки, который снизился до 1860 МПа при -50 °C (-8,7% сдвига) и далее снизился до 1368 МПа при -196 °C (-32,8% сдвига). Образец с повышенным содержанием оксида кремния показал небольшое увеличение прочности с 2123 МПа до 2136 МПа при -50 °C, что привело к положительному сдвигу на 0,6%, в то время как при -196 °C прочность снизилась до 1983 МПа (-6,6% сдвига). Для образца с повышенным содержанием оксида кальция прочность снизилась с 2144 МПа до 2086 МПа при -50 °C (-2,7% сдвига) и до 1932 МПа при -196 °C (-9,9% сдвига). Образец с содержанием оксида кальция 10 мол % показал снижение с 2097 МПа до 1995 МПа при -50 °C (сдвиг на -4,8%) и дальнейшее снижение до 1827 МПа при -196 °C (сдвиг на -12,9%). Образец с повышенным содержанием оксида титана имел предел прочности на растяжение 1797 МПа до обработки, который снизился до 1771 МПа при -50 °C (сдвиг на -1,4%) и до 1663 МПа при -196 °C (сдвиг на -7,5%). Наконец, образец с повышенным содержанием оксида алюминия показал увеличение прочности с 2223 МПа до 2253 МПа при -50 °C (сдвиг на 1,4%) и снижение до 2071 МПа при -196 °C (сдвиг на -6,8%). Для всех серий образцов полученные значения предела прочности на растяжение были проанализированы с использованием статистического анализа, обычно проводимого с распределением Вейбулла. Данные по прочности на разрыв нанесены на график Вейбулла, а именно ln(ln(1/(1-P))) против ln(прочность на разрыв), из которого параметры Вейбулла r₀ и m определены посредством линейной регрессии данных. Каждая серия испытаний включает от 40 до 50 волокон. В ходе работы было выполнено комплексное исследование структуры минеральных волокон, включая определение локального окружения катионов-сеткообразователей и катионов-модификаторов, а также расчет степени полимеризации и числа немостиковых атомов кислорода. Используя методы структурно чувствительные методы, были выявлены основные причины изменения механических свойств волокон. Исследование влияния добавок, таких как оксиды кремния, алюминия и титана, на изменения механических свойств показало, что использование данных оксидов в небольших количествах может помочь снизить количество гидроксильных групп и улучшить прочность волокон. Для анализа нано- и микродефектов на поверхности волокон были применены методы сканирующей электронной микроскопии и EDX, что позволило визуализировать структурные характеристики и подтвердить однородность состава образцов. Также, оптический анализ показал изменения в структуре поверхности волокон, что связано с обработкой при отрицательных температурах. В результате проведенных испытаний были определены механические характеристики, которые подтвердили высокую прочность волокон, обработанных при экстремально низких температурах. Дополнительно для двух составов были получены крупные образцы минеральных волокон, для которых удалось определить показатели теплопроводности при низких и сверхнизких температурах. С применением метода защищенной горячей плиты были получены значения эффективной теплопроводности образцов минеральных волокон в широком диапазоне температур от -150 °C до 300 °C, что предоставляет важные данные для исследований в области теплоизоляции. Измеренные значения теплопроводности варьировались от 0,0147 до 0,2113 Вт/(м·К), что указывает на значительную зависимость тепловых характеристик этих материалов от температуры. Анализ полученных данных показал, что хотя линейные модели могут быть применены для предварительных оценок изоляционных материалов с высокой плотностью, этот подход может привести к значительным неточностям для легковесных материалов. В частности, расхождения в оценках теплопроводности могут достигать 30% при низких температурах, что имеет серьезные практические последствия для проектирования и эксплуатации систем хранения жидкого азота. Эти расхождения подчеркивают необходимость разработки более сложных моделей, учитывающих нелинейные зависимости между теплопроводностью и температурой. Такие усовершенствования улучшат точность расчетов, связанных с тепловыми потерями в криогенных системах, и, соответственно, повысят общую энергетическую эффективность. Важно отметить, что неточности в оценках теплопроводности могут привести к значительным финансовым потерям для потребителей энергии, что еще раз подчеркивает необходимость точного анализа тепловых свойств. В целом результаты исследования открывают новые горизонты для применения минеральных волокон в композитных материалах, особенно в условиях низких и ультранизких температур, таких как арктические регионы. Однако необходимо учитывать, что избыток добавок может привести к снижению прочности из-за проблем с растворимостью. Все обозначенные в плане пункты были успешно выполнены, и установлены закономерности связи между технологией получения, составом, структурой и свойствами минеральных волокон. Это исследование позволило выявить механизмы разрушения волокон при воздействии низких температур, что открывает перспективы для разработки более стойких материалов и прогнозирования ресурса их работы. | ||
| 2 | 29 декабря 2024 г.-29 декабря 2025 г. | Материалы на основе минеральных волокон, устойчивые для применения в условиях Арктики |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".