Волоконная оптика – это одна из перспективных и быстроразвивающихся наукоемких отраслей промышленности. Кварцевые волокна, передающие световые сигналы на большие расстояния, активно применяются в сферах коммуникации, навигации, медицины и приборостроения. Но их изготовление – очень сложный и дорогостоящий процесс. Особенно это касается нового типа оптоволокна, сердцевина которых окружена множеством воздушных отверстий. Такие дырчатые микроструктуры расширяют и улучшают функциональные возможности оптических технологий. Их основу составляют капилляры, полученные путем вытягивания из кварцевых заготовок. При этом для получения качественного продукта важно сохранить все геометрические пропорции и формы волокна, чтобы не допустить дефектов. Ученые Пермского Политеха разработали модель, которая обеспечивает постоянный контроль параметров и на 10% снижает нарушения в процессе вытяжки капилляров. Подход повышает качество и стабильность изготовления оптоволокна.

Статья с результатами опубликована в журнале «Computation», 2024 год. Работа выполнена в рамках Государственного задания №124020600009-2.

Микроструктурированные волокна все чаще находят свое применение в отрасли оптической телекоммуникации, метрологии, сенсорике, волоконных лазерных системах и биомедицине. Их производство очень трудоемко, оно заключается в вытягивании капилляров (труб) с помощью специального оборудования из расплава кварцевой заготовки.

Основные оптические и механические характеристики кварцевых волокон зависят от множества факторов. Критически важными считаются соотношение скоростей вытягивания волокна и подачи заготовки, а также параметры печи (распределение температуры), обеспечивающей плавление кварца. Необходимо контролировать форму вытянутых капилляров, так как отклонение от геометрических характеристик приведет к браку изделия. На это влияет скорость вытяжки, давление внутри трубы, температура печи и расплава кварца.

Существующая сейчас система управления вытяжкой не позволяет осуществлять эффективный контроль и управление процессом производства волокна. Ученые Пермского Политеха предложили новый подход, при котором измерения отклонений радиуса вытягиваемой трубы производятся сразу в нескольких точках по всей длине капилляра. Разработанная модель учитывает все виды теплообмена с окружающей средой, влияние сил инерции, контролирует скорость расплава, температуру капилляра, внешний и внутренний радиус. Она позволяет получить более полную информацию о всех возмущениях системы и своевременно их устранить. Это стало возможным благодаря разработанной системе оптимального управления производством.

– В процессе вытяжки геометрические размеры кварца претерпевают многократные изменения, также меняются скоростные и температурные режимы. Все это требует высокоточной настройки и выверенного программного сопровождения. Иногда необходимо быстро и правильно внести корректировки в систему. Например, если заготовка содержит дефект в виде воздушного пузыря в кварце или нарушена ее геометрия. Тогда важно стабилизировать форму вытягиваемой трубы, то есть избавиться от дефектов готового волокна, – объясняет доцент кафедры «Прикладная математика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Дарья Владимирова.

Политехники проводили расчеты для величины дефекта заготовки до 5%, так как бо́льшие значения являются для производства критическим. Моделирование процесса вытяжки показало, что корректировка скорости вытягивания позволяет трансформировать поверхностные нарушения. Так, дефект в 7% на заготовке ученые снизили до 1,5% на готовом продукте.

Исследователи отмечают, что в результате выполнения работы получен закон изменения во времени скорости вытяжки, следуя которому удается существенно уменьшить или полностью устранить обнаруженные дефекты заготовки.

Модель ученых Пермского Политеха отличается возможность контроля и оперативного устранения геометрических дефектов на капилляре. Отклонения внешнего радиуса даже в 15% можно уменьшить до 4-5%, управляя лишь скоростью вытяжки капилляра. Разработанный подход способствует стабильному и качественному производству оптического волокна.

В конструкциях аэрокосмического назначения, например, БПЛА, а также морского транспорта и автомобилей все чаще применяют крепкий, но сверхлегкий углепластик, который по своим характеристикам превосходит высокопрочную сталь. Для активного внедрения любого материала в промышленность важно знать, какие эксплуатационные нагрузки приведут к его разрушению. Основное повреждение слоистых композитов, к которым как раз относится углепластик, при ударе – это растрескивание полимерного основания. При дальнейших нагрузках трещины распространяются, приводят к расслоению материала и разрыву волокон. Поэтому крайне важно изучать возможные механизмы деформации слоистых композитов. Ученые Пермского Политеха провели исследования над углепластиком и выяснили, какая нагрузка несет разрушающий характер. Результаты позволят спрогнозировать сценарий повреждения тех или иных конструкций, тем самым повысить их надежность.

Статья с результатами опубликована в журнале «Деформация и разрушение материалов», 2024 год. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-10205.

Углепластик – это полимерное основание, армированное углеродными волокнами (нитями). Эти нити очень тонкие и обеспечивают жесткость и прочность по оси волокон. Из них сплетаются ткани, которые кладутся друг на друга слоями и скрепляются с помощью специальных смол. Так получается композитный материал со структурой типа многослойного «пакета». Он обладает чрезвычайной способностью выдерживать высокие нагрузки и более чем на 30–50% легче традиционных металлических материалов. Поэтому углепластик очень подходит для облегчения конструкций ракетно-космической техники и многих других видов транспорта.

В процессе производства и эксплуатации композиционные элементы конструкции постоянно подвергаются ударным воздействиям, которые могут вызвать микроповреждения материала и снизить его прочность. Поэтому важно детально изучать, как те или иные нагрузки могут повлиять на работоспособность композита, прежде чем использовать его по назначению.

Для такого слоистого композита, как углепластик, критическим видом разрушения является межслойный сдвиг, когда под сильным напряжением происходит смещение между двумя слоями, например, в основании лопатки авиационного двигателя. Чтобы изучить предел этой деформации, при которой дальнейшая эксплуатация материала будет невозможной, ее моделируют и проводят испытания на прочность. Именно такие исследования выполнили ученые Пермского Политеха. С помощью современных методов экспериментальной механики они испытали межслойный сдвиг углепластика предварительными ударными воздействиями (то есть сначала исследовали образцы на удар, а затем на межслоевой сдвиг).

– Совмещение моделирования испытаний на прочность и таких методов, как акустическая эмиссия и корреляция цифровых изображений позволяет достаточно точно регистрировать и устанавливать вид повреждений, вызываемых сдвиговыми деформациями. Первый – регистрирует сигналы акустических волн, испускаемых объектом, благодаря чему качественно оценивается состояние повреждения композитов. А второй метод позволяет обнаружить локализацию и развитие различных дефектов структур в процессе нагружения, регистрируя поля перемещений и деформаций, – рассказывает аспирант кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Екатерина Чеботарева.

Политехники провели эксперименты с образцами углепластика с межслойным сдвигом в виде коротких балок. Их подвергали ударному воздействию энергией 1, 3, 5 и 6 Дж (мощность удара) падающим грузом. От начала механических испытаний до полного разрушения образцов все время регистрировали сигналы акустической эмиссии и поля деформаций. В итоге получили диаграммы статического нагружения после предварительного удара разной мощности и определили значения остаточной прочности углепластика при межслоевом сдвиге.

Результаты предварительного удара энергией 1 и 3 Дж практически не отличаются от исходных образцов. Они имеют схожие значения разрушающей нагрузки и прочности. А удар энергией в 5 Дж уже считается «приграничным». Он приводит к смене механизма разрушения, снижению жесткости и несущей способности углепластика.

Значения акустической эмиссии представлены в виде пиковых амплитуд. Чем выше сигнал, тем сильнее разрушение материала. Так, для образцов с ударом 5 и 6 Дж значение амплитуд в 3-4 раза больше, они достигают 75 дБ уже в начале испытания, что говорит о критическом разрыве волокон в структуре углепластика.

– Анализ акустических частот показывает нам степень повреждений. Например, растрескивание матрицы соответствует низкочастотному диапазону, расслоение материала – средним частотам, а разрушение волокна – высоким. Для образцов с ударом в 5-6 Дж количество сигналов во всех трех диапазонах больше, чем у образцов первой группы в 6 раз. Преобладают разрушения от сжатия и смятия с локальными расслоениями в материале, – объясняет старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук Дмитрий Лобанов.

Исследования ученых ПНИПУ показали, что предварительные ударные воздействия с энергией удара 1 и 3 Дж не оказывают существенного влияния на разрушения образцов из углепластика. Тогда как для 5-6 Дж повреждения фиксируются с самого начала испытаний, появляются сильные расслоения и растрескивается основа материала. Проведенные испытания позволят точнее предсказать поведения конструкций из углепластика, повысить их надежность и долговечность.

Получение калийных удобрений происходит благодаря переработке сильвинитовых руд. Для обогащения полезного ископаемого применяется флотация, когда с помощью специальных реагентов-собирателей из руды выделяют максимальное количество ценного компонента – хлорида калия. Наиболее эффективными собирателями являются соли первичных длинноцепочечных аминов, действие которых приводит к образованию мицелл (частиц), влияющих на поглощающую способность реагентов. Но слишком крупные мицеллы в процессе флотации препятствует выделению ценного вещества из руды, что приводит к нерациональному использованию дорогостоящих реагентов. Ученые Пермского Политеха выяснили, что уменьшить мицеллообразование можно с помощью ультразвуковой обработки. Оптимально подобранные режимы меняют физико-химические свойства солянокислого амина и повышают качество извлечения хлорида калия.

Статья с результатами опубликована в «Journal of Mining Science», том 60, 2024 год.

Большую часть добываемых руд обычно составляет пустая порода. Технология их обогащения методом флотации заключается в отделении полезных частиц руды (хлорида калия) от пустой породы. Их разделение происходит благодаря гидрофобным свойствам, когда частицы определенного минерала, плохо смачивающиеся водой, стремятся избежать контакта с ней и всплывают на поверхность. Чтобы придать это свойство хлориду калия, используют реагенты, которые собираются на его поверхности и выталкивают из воды, образуя флотационную пену. Так все ценные компоненты руды в виде пены отделяют от жидкости, сушат, а в дальнейшем используют для создания калийных удобрений.

Наиболее эффективные и распространенные реагенты-собиратели для флотации сильвинитовых руд – это соли высших алифатических аминов. Они склонны к образованию мицелл, от которых зависит поглощающая способность реагентов. Результат флотации во многом зависит от их поверхностной активности и физического состояния в жидкости. Важно не допустить слишком сильного мицеллообразования, потому что тогда они не будут равномерно распределяться по хлориду калия. Это потребует увеличения количества дорогостоящих реагентов.

Ученые Пермского Политеха выяснили, что ультразвуковым воздействием можно влиять на структурные свойства реагентов. Установили, какие параметры и как способствуют эффективному качественному процессу флотации калийных солей.

– Малоэнергоемкая и безопасная для человека ультразвуковая обработка способна изменять физико-химические свойства солянокислого амина – электрокинетический потенциал мицелл, сорбционные и пенообразующие свойства, поверхностное натяжение растворов реагентов и другие. При оптимально подобранных режимах ультразвука повышается качество и выход пенного продукта, увеличивается извлечение хлорида калия. К настоящему времени существует мало сведений о влиянии ультразвука на структурные свойства и коллоидное состояние реагента-собирателя, изучение которого важно для оптимизации процессов флотации хлорида калия, – рассказывает инженер кафедры химических технологий ПНИПУ Владимир Буров.

В реагентных растворах могут присутствовать разнообразные мицеллярные структуры: сплошные или сетчатые, состоящие из большого числа нитеобразных пластинчатых частиц. Это приводит к резкому возрастанию их мутности, вязкости и снижению поглощающей способности. Использование же ультразвуковой обработки позволяет изменить сложную структуру аминов на более простую, уменьшить размер мицелл.

Политехники провели эксперименты, обработав раствор солянокислого амина ультразвуком максимальной мощностью 0.85 Вт/см3 и продолжительностью воздействия 150 секунд. Выяснили, что этот процесс вызывает изменение структуры раствора: понижается вязкость, уменьшается объем и размер самих мицелл. В таком случае флотация проходит проще и дешевле за счет меньшего использования реагентов, так как небольшие по размеру мицеллы реагента равномерно распределяются по поверхности.

Исследование ученых ПНИПУ показывает перспективность использования ультразвуковой обработки реагента-собирателя, используемого для флотации сильвинитовых руд в калийной промышленности России. Оптимально подобранный режим ультразвука увеличивает извлечение хлорида калия примерно на 3% в процессе лабораторных испытаний.

С каждым годом нагрузка на российские дороги возрастает, в среднем количество транспортных средств увеличивается на 2 млн единиц. Поэтому повышаются и требования к дорожной инфраструктуре. На строительство и реконструкцию автомобильных дорог сильно влияют условия местности. Например, во многих регионах России большинство грунтов – глинистые, и для повышения их прочности необходимы дополнительные мероприятия. Улучшить структуру грунта можно с помощью хлорида натрия и хлорида калия. Однако такой способ невыгодно сказывается на бюджете строительства дорог. Ученые Пермского Политеха предлагают использовать для укрепления глинистых грунтов галитовые отходы с калийных предприятий, которые содержат в своем составе нужные химические соединения. Такая технология снижает себестоимость строительства за счет использования альтернативных материалов и эффективно уменьшает объем промышленных отходов.

Статья опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Проекты строительства автомобильных дорог зависят от гидрогеологических условий местности. Это показатели, характеризующие особенности подземных вод, их мощность и глубину залегания. Так, слабые глинистые грунты сильно подвержены изменению своих свойств под воздействием внешних факторов окружающей среды, в том числе высокому водонасыщению. Такой вид почвы характерен для многих регионов России, особенно для средней полосы.

Для укрепления грунта эффективно применение цемента, но это товарный продукт, который в настоящее время резко возрос в цене. Улучшить стабильность почвы и устойчивость к воздействию воды помогают также и химические соединения. Существующие исследования доказали, что хлорид натрия и хлорид калия меняют физико-механические характеристики глинистых грунтов. С их помощью можно повысить его плотность, из-за чего частицы будут менее подвержены влаге.

Чтобы снизить финансовые затраты на хлорид натрия и калия, ученые Пермского Политеха предлагают применять промышленные отходы, имеющие эти соединения в своем составе.

– По нашим исследованиям, наиболее подходящие оказались галитовые отходы, которые образуются при производстве минеральных удобрений. Объем их накоплений на калийных предприятиях в год составляет более 270 млн тонн, что позволяет реализовать крупнотоннажную технологию их переработки для укрепления глинистых грунтов, – поделился доктор технических наук, профессор кафедры автомобилей и технологических машин ПНИПУ Константин Пугин.

Политехники отмечают, что глинисто-солевые шламы и галитовые отходы не представляют опасность для окружающей среды. Это означает, что использовать их в качестве строительных материалов можно без ограничения.

Эти промышленные отходы содержат до 91,2 % хлорида натрия и до 13,8 % хлорида калия, что позволит разрабатывать с их помощью технологии стабилизации грунтовых конструктивных слоев различного назначения. Улучшение характеристик глинистых грунтов заключается в комплексных физико-химических реакциях, например, благодаря ионному обмену и коагуляционным процессам, когда происходит сцепление мелких частиц друг с другом и образование одной общей структуры.

Предварительные исследования ученых ПНИПУ показали, что укрепление глинистых грунтов галитовыми отходами возможно. Его устойчивость к вертикальным нагрузкам возрастает на 10-30%. Это зависит от исходного предела текучести грунта, его химического состава и влажности. Такая технология позволит снизить затраты на строительство автомобильных дорог, а также уменьшить объем промышленных отходов от калийных предприятий.