История исследований в области полимерного материаловедения

ИНСТИТУТ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ СО РАН

(1990-2006)

Начало фундаментальным и прикладным исследованиям работоспособности  полимерных и композиционных материалов и изделий из них в условиях Крайнего Севера было положено в 1970 году, когда  при Институте физико-технических проблем Севера ЯФ СО АН СССР была создана группа авиатранспорта под руководством И.Н. Черского.

Сотрудниками группы разрабатывались герметизирующие устройства (уплотнения) с применением фторопласта-4, для испытания которых была создана оригинальная экспериментальная установка «СЛИП» (от англ. slip– скользить). В этот период установилось многолетнее и плодотворное сотрудничество якутских ученых с ОКБ О.А. Антонова, проводились натурные испытания амортстоек шасси и гидроцилиндров самолетов АН-124 (Руслан), АН-224 (Мрия), АН-14 (Пчелка), АН-2 (сельхозвариант), других агрегатов и узлов авиационной техники.

Амортстойка шасси самолета АН-124,

герметизаторы для которой разрабатывали

сотрудники группы

Созданная на базе группы в 1972 г. лаборатория механики полимеров была в 1975 г преобразована в отдел физики и механики полимеров  в составе трех лабораторий: механики полимеров (зав. к.т.н. И.Н. Черский), физики полимеров (зав. к.т.н. И.С. Филатов) и старения полимеров (зав. к.т.н. А.Г. Козлов).

Основные научные направления отдела были следующие:

- исследование и разработка методов прогнозирования работоспособности машин и металлоконструкций в условиях районов с холодным климатом;

- разработка методов прогнозирования и оптимального проектирования узлов трения;

- исследование и создание полимерных материалов и конструкций для опор скольжения и герметизаторов арктической техники;

- исследование влияния климатических и эксплуатационных факторов на деформационно-прочностные свойства полимеров и прогнозирование работоспособности изделий из них в условиях холодного климата;

Десятилетие с 1975 по 1985 гг. было  периодом становления и интенсивного развития отдела. В 1975 г. опубликована монография И.Н. Черского «Полимерные материалы в современной уплотнительной технике», в 1976 г. - монография И.Н. Черского, А.Г. Козлова «Физическая механика полимеров при низких температурах», в 1983 г. – монография О.Б. Богатина, В.А. Морова, И.Н. Черского «Основы расчета полимерных узлов трения». В 1977 г. в Якутске была проведена Всесоюзная научная конференция «Свойства и применение полимерных материалов при низких температурах». Представленные сотрудниками отдела доклады, проведенные дискуссии и личные контакты с известными учеными, приехавшими со всей страны, послужили хорошей школой для подготовки высококвалифицированных специалистов. К 1983 г. сотрудниками отдела опубликовано 4 монографии, 6 сборников научных трудов, 11 препринтов и бюллетеней научно-технической информации, получено несколько авторских свидетельств на изобретения.

Введение в строй в 1982 г. лабораторно-экспериментального корпуса ИФТПС ЯФ СО АН СССР с конструкторским отделом и опытным производством значительно повысило возможности сотрудников отдела в части разработки новых образцов экспериментального оборудования и методов испытаний, позволило расширить номенклатуру исследуемых материалов, в частности, начать изучение морозостойкости резин и резино-технических изделий. В 1985 г. в состав отдела  входило уже  6  лабораторий:

В лаборатории полимерных материаловвпервые в мировой практике проведе-

        

Открытое экспонирование образцов под нагрузкой на полигоне ОФиМП, справа – сотрудник лаборатории полимерных материаловА.А. Герасимов  (1984 г.)

но многолетнее систематическое изучение климатической устойчивости различных классов полимерных, эластомерных, дисперснонаполненных и волокнистых композиционных материалов в арктических условиях. Разработаны оригинальные методики и получены обширные фактические данные по изменениям деформационно-прочностных и электрических свойств материалов, как в условиях открытого экспонирования, так и хранения в неотапливаемых закрытых помещениях. Это позволило выявить основные физико-химические процессы старения полимерных и композиционных материалов. Результаты исследований служат основой для создания банков данных, государственных и отраслевых стандартов и рекомендаций по оценке стойкости, прогнозированию сроков сохраняемости и применению материалов и конструкций в условиях Севера.

В лаборатории композиционных материалов(зав.  к.т.н. В.Н. Булманис, с 1990 г. по 2000 г. – зав. к.т.н. Бабенко Ф.И.) созданы полуэмпирические модели прогнозирования долговечности полимерных волокнистых композитов при воздействии     статических нагрузок и факторов внешней среды, разработан лабораторный экспресс-метод предварительной оценки атмосферостойкости этих материалов в условиях холодного климата, теоретически обоснована и практически реализована хладо

стойкая конструкция бипластмассовых труб для горячего и холодного водоснабжения.

 

 

 

Изготовление бипластмассовых труб.
Сотрудник отдела  Н.С. Попов, 1986 г.

Для систематического изучения морозостойкости резин и резинотехнических изделий  для техники, эксплуатирующейся в экстремальных условиях холодного климата, в 1982 г. совместным приказом-распоряжением СО АН СССР и Миноборонпрома СССР была организована Сибирская научно-исследовательская лаборатория климатических испытаний (СНИЛКИ), которая успешно работала до 1995 г. В разные годы руководителями лаборатории  были к.т.н. В.И. Маланичев (1982–1986),  к.т.н. В.А. Моров (1986–1989), к.т.н. И.З. Гольдштрах (1989–1995). Координацию ее деятельности осуществлял отраслевой институт ВНИИ транспортного машиностроения.

В лаборатории была  разработана уникальная методика прогнозирования морозостойкости манжетных герметизаторов по результатам испытаний на стандартных образцах, позволяющая на стадии проектирования и отработки конструкции оценить допустимую величину технологических несовершенств  для заданных условий эксплуатации или предельно допустимую температуру для заданного конструктивного исполнения, выбрав наилучшее техническое решение при значительном снижении объема испытаний.

В лаборатории стандартизации методов исследования полимерных материалов (зав. И.З. Гольдштрах) создан универсальный комплекс для исследования деформационных свойств резин и манжетных герметизаторов при низких температурах, включающий установки для определения жесткости, модуля упругости, восстанавливаемости, твердости, релаксации, температуры стеклования. При создании комплекса реализован модульный принцип. Ряд установок защищен авторскими свидетельствами.

                                                                      

Универсальный комплекс для исследования деформационных свойств резин (слева)
и герметизаторов  (справа) (1985 г.)

В лаборатории трения и износа (зав. лаб. к.т.н. О. Б. Богатин) разработаны методы расчета, проектирования и прогнозирования работоспособности и долговечности полимерных узлов трения – подшипников скольжения и контактных уплотнений с учетом внешних эксплуатационных факторов, особенностей конструкции, вязкоупругого поведения материалов, тепловыделения от трения и изнашивания контактирующих элементов. Создан трибоцентр для изучения трения и износа антифрикционных материалов, оснащенный измерительно-управляющим и вычислительным комплексом на базе ПЭВМ. Высокая точность эксперимента, разработанные оригинальные методы температурной диагностики, методы ускоренных испытаний, признанные изобретениями СССР, позволяют имитировать при испытаниях реальные условия эксплуатации узлов трения машин и механизмов, прогнозировать их работоспособность, сократив время испытаний в десятки раз.

Разработки лаборатории герметологии (зав. к.т.н.С.Н. Попов)  в области уплотнительной техники защищены 15 авторскими свидетельствами СССР, отмечены дипломами и медалями ВДНХ СССР и Международной Лейпцигской ярмарки (ГДР).

Золотая медаль Международной Лейпцигской ярмарки за разработку «Уплотнительные устройства для гидроагрегатов» вручается делегации СО АН СССР (первый слеав зам. директора ИФТПС СО АН СССР по научной работе - к.т.н. В.А. Моров).

 

Ряд конструкций уплотнительных устройств  для герметизации вращающихся валов и гидроагрегатов возвратно-поступательного движения нашли применение в промышленности. Фторопластовые цанговые уплотнения внедрены в системах шасси самолетов АН-28, АН-22, АН-124 (Руслан), АН-224 (Мрия). На основе полимер-эластомерных уплотнений осуществлена модернизация вибросейсмических комплексов СВ-150.

    

В системах шасси АН-124  установлены уплотнения,
разработанные в отделе физики и механики 
полимеров

 

Уплотнения – разработки отдела физики и механики полимеров для гидросистемы сейсмического вибратора СВ-5-150

В отделе полимерного материаловедения (зав. отделом д.т.н. И.Н. Черский) разработан термостойкий электропроводящий композиционный материал, обеспечивающий постоянную температуру нагревателя без применения терморегулирующих устройств; создан комплекс методов и оборудования для исследования поверхностных свойств, адгезии, трения и износа материалов в контакте со льдом; сформулированы принципы и разработаны технологические основы формирования гидрокриофобного покрытия на металлической поверхности; по заказу ОКБ О.А. Антонова совместно с ВПИ и ОНПО «Пластполимер» создан малопримерзающий износостойкий полоз для авиационных лыж на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, который прошел успешные летные испытания на острове Диксон и в Антарктиде.

         

. Натурные испытания лыжных полозов для               Стенд для испытания лыжных полозов

  самолетов малой авиации на о. Диксон, 1983 г.           

 

На основе структурного подхода к модификации полимеров были созданы новые морозостойкие рецептуры композиционных материалов антифрикционного назначения с повышенной эластичностью и износостойкостью для узлов трения и уплотнительных устройств. Материалы прошли опытную проверку в составе геофизического оборудования «Сигнал». Разработаны технологические приемы изготовления деталей узлов трения сложной формы и изготовления длинномерных профилей с повышенными рабочими характеристиками.

Накопленный к середине 80-х годов опыт исследования полимерных и композиционных материалов показал, что лабораторные испытания на модельных образцах не дают полной информации о работе материалов и изделий при эксплуатации в реальных условиях. Выявились трудности при моделировании климатических условий в камерах большого объема и неизбежные при этом большие материальные и трудовые затраты.

В связи с этим первостепенное значение получило создание натурного полигона для испытания материалов и техники в условиях Крайнего Севера. Якутия является идеальным естественным полигоном для испытания техники в северных условиях, поскольку она характеризуется экстремальными для всего северного полушария климатическими, а также разнообразными мерзлотно-грунтовыми и гидрологическими условиями. Температура воздуха достигает до  минус 600С и ниже, отмечаются резкие и быстрые перепады температур в течение суток в весенне-осенний период, значительное (до 200 – 250 дней в году) количество морозных дней, большая влажность и сильная солнечная радиация.

Советские и иностранные фирмы уже проводили испытания некоторых видов техники в северных районах СССР (Тюменская обл., ЯАССР и др.), однако, такие испытания, проводимые в условиях производственных предприятий без привлечения специалистов в области материаловедения, не позволяли дифференцировать возникающие дефекты и отказы по причинам их возникновения, не предусматривали разработки отдельных узлов агрегатов в северном исполнении и не давали, поэтому, большого объема полезной информации.

В апреле 1987 года постановлением СО АН СССР № 297 в составе ИФТПС СО АН СССР был организован Научно-исследовательский центр «Север», в котором на момент создания работало около 70 человек в 6 научных лабораториях.

Важнейшие результаты научно-исследовательской деятельности НИЦ «Север» к 1990 г.:

- установлено, что модификация эластомеров высокомолекулярным полиэтиленом и антифрикционными добавками (β-сиалоном и дисульфидом молибдена) существенно улучшает эксплуатационные характеристики резины на основе бутадиеннитрильного каучука;

- полимерэластомерные материалы при температуре минус 55 °С имеют морозостойкость до 20 % по сравнению с чистой резиной;

- созданы опытные партии уплотнений разных типоразмеров, которые  успешно прошли промышленные испытания на Чебоксарском тракторном заводе и Кыл-Бастахском заводе железобетонных изделий;

- на основе решения нестационарных обратных задач теплопроводности разработана концепция температурного мониторинга трибосистем с целью обеспечения безаварийной работы ответственных узлов трения, в частности, цилиндрических опор скольжения;

- разработаны методы прогнозирования термоконтактного поведения и термоупругой неустойчивости трибосистем, позволяющие оценить опасность катастрофических ситуаций при эксплуатации узлов трения.

- разработано оборудование для исследования герметичности статических и динамических торцовых сопряжений, позволяющее определить величину утечки и распределение давлений в контактном слое.

Идет защита кандидатской диссертации Л.Я. Моровой  в конференц-зале ИФТПС СО АН СССР, 1989 г.:

1 ряд: д.т.н. И.С. Филатов, член-корр. Лат АН СССР Ю.С. Уржумцев, Р.Баишева, М.Е. Гаврильева;

2 ряд: д.т.н. И.Н. Черский, М.И. Слепцова, В.Я. Филатов;

3 ряд: к.т.н. С.Н. Попов, д.т.н. М.Д. Новопаши;4 ряд: С.В. Корбанков;

5 ряд: Ю.В. Демидова, д.т.н. Л.И. Никитина.

В 1990 году в целях расширения фундаментальных исследований в области создания морозостойких материалов и конструктивных элементов для условий Крайнего Севера на базе НИЦ «Север» был создан Институт неметаллических материалов СО РАН. На момент создания он  состоял из 5 лабораторий, 5 секторов и научно-вспомогательные подразделений, объединенных в 3 научно-исследовательских отдела.  Директорами института в 1990–1998 гг. были:  Заслуженный деятель науки и техники РС (Я), д.т.н. проф. И. Н. Черский  (1990–1998 гг.), д.т.н. С.Н. Попов (1998-2006 г.г), заместителями директора по научной работе – к.т.н. С.Н. Попов (1990-1998 гг.) и  к.т.н.  Н.А.  Коваленко  (1998-2006 гг.), ученым секретарем – к.т.н. Л. Я. Морова (1992 - 2006 гг.).

В 1991 г. институтом совместно с ИФТПС СО АН СССР был проведен международный советско-скандинавский семинар по проблеме «Машины, материалы и конструкции в арктических условиях». По результатам совместных работ с фирмой ВТТ (Финляндия) предложен метод оценки интенсивности обледенения покрытий и способ скоростного энергосберегающего разрушения льда ледокольными средствами, создана конструкция снегоходного демпфирующего шасси для скоростного передвижения по неровностям тундры и руслам замерзающих рек, обладающая достаточной устойчивостью и низким  трением.

Члены ученого  совета  ИНМ СО РАН (1996 г.)

1 ряд (слева направо): к.т.н. В.А. Семенов, к.т.н. В.А. Игошин, ученый секретарь  к.т.н. Л.Я. Морова, директор- д.т.н. проф.  И.Н. Черский, председатель СМУиС Е.А Постол, д.т.н. А.В. Виноградов, к.т.н. Н.А. Коваленко

2 ряд (слева направо): д.т.н. Н.П. Старостин, зам. директора по научной работе д.т.н. С.Н. Попов, к.т.н. Ф.И. Бабенко, зам. директора по общим вопросам  В.А. Кулагин.

После распада СССР и сокращения объемов бюджетного финансирования институт был вынужден активизировать внедрение своих разработок в народное хозяйство в ущерб научно-исследовательской работе. Результатом этого стало существенное сокращение численности научных кадров, особенно в области теоретических исследований.

Основными результатами этого периода являются:

- малогабаритная установка для полусухого прессования кирпичей;

- пакет прикладных программ «ТЕМП 1.0» для расчета нестационарных температурных полей в радиальных несмазываемых подшипниках скольжения, позволяющий в диалоговом режиме варьировать исходные данные;

- новые шлифовальные материалы с использованием политетрафторэтилена (ПТФЭ) в качестве органической связки, отличающиеся высокими физико-механическими характеристиками, высокой термостойкостью, низким коэффициентом трения, что позволяет эксплуатировать инструменты на их основе в жестких условиях, без применения принудительного охлаждения;

                                         

Алмазный абразивный инструмент разработка ИНМ СО РАН, патент РФ.

                                                                           

Малогабаритная установка для полусухого  прессования кирпичей, патент РФ (слева- сотрудник ИНМ СО РАН Н.И. Федоров)

- выявлена перспективность модификации ПТФЭ оксидами хрома и циркония, повышающая износостойкость композиций  в 70-80 раз при сохранении высокого уровня физико-механических свойств; модифицированные рецептуры и конструкции уплотнений защищены авторскими свидетельствами и получили мировое признание на международных выставках и конференциях;

- установлены граничные параметры, определяющие допустимые диапазоны внешних воздействий (температура, давление обжатия, смещение в результате морозного пучения, скорость приложения нагрузки), в котором обеспечивается работоспособность полимерных трубопроводов без хрупкого разрушения.

- в 1996 г. разработаны «Временные указания по проектированию, строительству и эксплуатации полиэтиленовых газопроводов в Республике Саха (Якутия)» и перед правительством РС(Я) поставлен вопрос о замене металлических трубопроводов различного назначения на полимерные и об организации в Якутии производства полимерных труб большого диаметра, что может дать значительный экономический эффект в связи с существенным (в 2-3 раза) уменьшением материальных затрат при проведении строительно-монтажных работ и увеличением в 2-4 раза (до 50 лет) рабочего ресурса трубопровода.

В 2000-2006 гг. ИНМ СО РАН занимал первые места по результатам научно-исследовательской и научно-организационной деятельности среди 12 институтов, входящих в Объединенный ученый совет по механике, энергетике и информатике СО РАН.

Наиболее интересны в научном плане следующие результаты, полученные в 1999-2006 гг.:

1. В соответствие с постановлением Правительства РС (Я) проведен комплекс работ по научно-техническому сопровождению строительства и эксплуатации магистрального нефтепровода ПМТП-150 «Талакан-Витим», который показал целесообразность и надежность применения сборно-разборной конструкции нефтепровода с использованием в качестве герметизирующих элементов резиновых уплотнений, изготовленных по рецептурам ИНМ СО РАН. Вместо требовавшихся согласно техническому заданию двух лет трубопровод успешно прослужил без замены уплотнений 10 лет.

2. Разработана методика выбора допустимых параметров (нагрузок и скоростей) и оптимизации теплофизических свойств ограночных дисков на основе расчета теплового режима в трибосистемах типа «алмазный инструмент-изделие».

3. Исследованы полимерные композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителей нанокерамики: оксиды алюминия, оксинитриды  алюминия-кремния, шпинели переходных металлов со средним размером частиц 70-100 нм.

Развиты представления о физико-химических процессах формирования полимерных композиционных материалов, наполненных нанокерамическими частицами.

Разработана модель формирования поверхностей трения материалов на основе политетрафторэтилена и нанокерамик, объясняющая неординарно высокую износостойкость полимера при малом содержании наполнителя.

4. Впервые для модификации ПТФЭ использованы природные цеолиты месторождений РС(Я) с различным химическим составом и адсорбционной способностью, приведенные в активное состояние путем механохимической активации, что способствует повышению износостойкости в 90-125 раз и деформационных характеристик на 20-25%. Созданы материалы антифрикционного назначения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и цеолитов с улучшенным комплексом эксплуатационных свойств.

5. Разработаны рецептуры эластомерных смесевых композиций уплотнительного назначения, сочетающие высокую морозостойкость с маслобензо- и износостойкостью на основе традиционно используемых бутадиен-нитрильных эластомеров, СВМПЭ и пропиленоксидного каучука.

6. Выдвинута гипотеза о перспективности применения резиновой крошки в качестве наполнителей в резиновых смесях в целях экологически оправданной утилизации отходов производства и ресурсосбережения.

 

 

Разработки ИНМ СО РАН для авиационной, автомобильной и карьерной техники, эксплуатирующейся в условиях Крайнего Севера, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ

 

За период с 1970 по 2006 г. по тематике института защищено 11 докторских и 38 кандидатских диссертаций, опубликовано 11 монографий, 7 научно-методических и учебных пособий, 33 сборника научных трудов, получено свыше 125 авторских свидетельств СССР и патентов Российской Федерации на изобретения.

Сотрудники института были активными участниками международных (Финляндия, ГДР, Болгария, Китай, Индия),  всероссийских и республиканских научных конференций и выставок.

 

 

 

Патенты, монографии, сборники научных трудов института

 

 

 

 

 

  

Международная конференция «Механика композитных материалов-98» в Риге (Латвия). В центре сотрудники ИНМ СО РАН  А.А. Охлопкова и М.Д. Соколова.

В 2006 г. в рамках структурных преобразований,  проводимых СО РАН, Институт неметаллических материалов был реорганизован в две лаборатории, которые вошли в  Институт проблем нефти и газа СО РАН.