Российские исследователи создали универсальный композиционный материал прочнее металла

Гром среди ясного неба

Ранним утром 17 августа 2009 года по миру прокатилась ужасная новость: авария на Саяно-Шушенской ГЭС (СШГЭС). Машинный зал и технические помещения на крупнейшей российской гидроэлектростанции оказались полностью затоплены. Повреждены или разрушены все десять гидроагрегатов станции. Из-за короткого замыкания полностью прекращена работа огромного энергокомплекса и многих предприятий региона.

Масштабная катастрофа, не имеющая аналогов в мировой гидроэнергетике, унесла жизни 75 человек. После окончания аварийно-спасательных работ началось долгое расследование причин аварии. Сразу несколько ведомств параллельно взялись за выяснение обстоятельств произошедшего.

Первоначально было ясно только одно – авария произошла в штатных условиях: все сотрудники были на своих местах, оборудование работало в обычном режиме. Техника регулярно проходила все плановые ремонты и технические обслуживания.

Фатальная череда совпадений

Через несколько месяцев Ростехнадзор представил полный доклад, где описал все предпосылки трагедии. В ведомстве отметили, что авария произошла из-за совокупности причин. Среди них были халатность, технические ошибки и организационные просчёты. Долгие годы понадобились, чтобы сильный напор воды, поступающий на лопасти гидротурбин, стал опасностью для людей. Никто не ожидал, что поток высокого давления, созданный конструкцией плотины для выработки электричества, в итоге разрушит весь машинный зал.

Виновником случившейся катастрофы был гидроагрегат №2, выпущенный в 1979 году. Первые годы он работал с временным рабочим колесом, что плохо сказалось на общем состоянии аппарата. Конструкция этой модели гидротурбины также имела ряд недостатков, которые периодически приводили к сильной вибрации в проточной части. Это происходило каждый раз при регулировке выдаваемой мощности.

В 2000 году специалисты отметили, что рабочие колёса гидротурбины требуют замены. Их внесли в программу технического перевооружения и реконструкции ГЭС. Только её начало было запланировано на 2011 год.

Гидроагрегат №2 без проблем проходил все последующие обслуживания. В 2005 году на нём успешно провели капитальный ремонт. Лишь зафиксировали повышенные вибрации оборудования, но они были в пределах нормы. Общее ухудшение состояния турбины продолжилось, и ко дню аварии амплитуда вибрации подшипника на крышке гидроагрегата превышала максимально допустимую в пять раз. В такой ситуации главный инженер СШГЭС обязан был остановить гидроагрегат, чтобы выяснить причины повышенной вибрации. Но он не сделал этого, так как не учёл, что система непрерывного виброконтроля на турбине установлена, но не активирована. Обычная человеческая ошибка, которая не была критической.

Кто же виноват

За день до катастрофы на соседней, Братской ГЭС произошёл небольшой пожар, который повредил связь. Это привело к тому, что автоматическая система группового регулирования энергосистемы всего региона начала перераспределять мощности турбин. Из-за изменения нагрузки гидроагрегат №2 начал сильно вибрировать, что привело к обрыву шпилек крышки турбины. Давление воды мгновенно разрушило установку и привело к массовому замыканию электрооборудования СШГЭС. Машинный зал оказался затопленным. Восемь человек целый час вручную закрывали аварийные затворы водоприёмников, чтобы прекратить поступление воды внутрь.

После доклада Ростехнадзора на скамье подсудимых оказались семь сотрудников станции, действия которых привели к роковой аварии. На восстановление ГЭС ушло более пяти лет и 41 млрд руб. Катастрофа на гидроэлектростанции выявила проблемы, которые устранили на комплексной реконструкции, а также повысили требования к безопасности. Дополнительно на всех российских гидроагрегатах во время планового обслуживания заменили все крепления крышек.

Очередная гибель людей из-за аварии оборудования показала, что надо искать решение для главной проблемы – физического износа деталей механизмов. Вибрация, трение и другие явления так и будут медленно разрушать металлические элементы гидроагрегатов. Неизвестно, где и когда новая череда случайных совпадений приведёт к смерти людей. Никто не может предугадать масштабов новой катастрофы.

Различные исследовательские лаборатории по всему миру на протяжении нескольких десятилетий ищут более совершенные аналоги металлов. Новые материалы появляются постоянно, но большинство из них имеют очень узкие сферы применения.

Поиск нового пути

Так было и со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом (СВМПЭ), который изобрели в 1950-х годах. Этот материал состоит из очень вытянутых молекул, которые по длине цепочки превышают обычный полиэтилен 10-20 раз. Это придаёт СВМПЭ необычные свойства, такие как низкий коэффициент трения, высокую прочность и химическую устойчивость. Но применение революционных волокон было ограничено лишь изготовлением канатов, веревок и рыболовных сетей.

Всё дело в том, что такие нити по отдельности очень хрупкие. Поэтому получение объёмного материала на основе СВМПЭ волокон стало актуальной проблемой материаловедения для учёных всего мира на все последующие десятилетия.

Только сейчас решение нашли молодые российские специалисты из научно-исследовательского центра «Композиционных материалов», Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». Они не только создали композиционный материал на основе СВМПЭ волокон, но и смогли сохранить их внутреннюю ориентацию.

Композит состоит из двух компонентов: пластичной основы (или матрицы) и наносимого на неё жесткого и прочного наполнителя из волокон СВМПЭ. Исследователи университета «МИСиС» предложили использовать в качестве матрицы тот же самый сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Подобные однородные материалы называются самоармированными композитами и имеют идеальное взаимодействие.

Прочнее металла

Российские исследователи придумали создавать самоармированный композит на основе СВМПЭ с помощью метода термического прессования. Это было сложной научно-технической задачей, в которой нужно максимально сохранить ориентированную структуру волокон и при этом расплавить их, чтобы сформировать матрицу. После длительных экспериментов учёные нашли оптимальную температуру, давление прессования и время выдержки. Так они смогли сделать однородную поверхность без разрывов и структурных дефектов. На границе раздела материала сформировался градиентный диффузионный слой, толщиной не более 1 мкм, который образовался в процессе термопрессования при взаимном проникновении полимерных цепочек.

Но на этом в лаборатории не остановились. Исследователи предложили создать объёмную структуру с помощью чередования слоёв самоармированного композиционного материала и обычного СВМПЭ. Соотношение толщины таких слоёв, их количество и расположение позволяет получить гибридный композит и придать ему контролируемый набор свойств.

«Благодаря низкому коэффициенту трения они могут быть использованы в различных узлах трения: роликах, подшипниках, насосах, приводах и многих других механизмах. Это позволит сохранить себестоимость изделий и обеспечить длительный и бесперебойный срок службы, значительно повысив износостойкость деталей», – рассказал о композите руководитель проекта, сотрудник НИЦ «Композиционных материалов», Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» кандидат технических наук Дилюс Чуков.

Новый композиционный материал обладает высокой научной и практической значимостью для всего мира. Низкий коэффициент трения позволит использовать его в машиностроении. Благодаря высокой совместимости с живыми тканями, композит будет востребован в протезировании тазобедренного и коленного суставов. Полимер нового поколения обеспечит длительную работу искусственных суставов и снизит вероятность дополнительных операций, связанных с заменой износившихся частей протеза.

Ещё одна перспективная область применения разработки – индивидуальные средства бронезащиты, так как на сегодняшний день СВМПЭ волокна и композиты на его основе считаются наиболее интересными в этой области.

Результаты работы учёных опубликованы в престижном международном журнале Materials. Разработка была поддержана Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.

Автор: Евгений Рубин

Источник: https://www.sciencemon.ru/office/org/blog/258075/