Титанові сплави проти. Композитні матеріали: які дозволять підводним апаратам занурюватися глибше? - Новини

Океан, величезний простір, що охоплює понад дві-третини поверхні Землі, є одним із кордонів людських досліджень. Тиск у глибокому морі величезний; на кожні 10 метрів збільшення глибини тиск зростає на одну атмосферу. У найглибших точках, що перевищують 10 000 метрів, гідростатичний тиск сягає понад 110 мегапаскалів-, що еквівалентно більш ніж одній тонні ваги на квадратний сантиметр.

У таких екстремальних фізичних середовищах матеріал оболонки будь-якого обладнання є не лише структурним бар’єром, але й рятівним кругом, який визначає успіх чи провал місії та безпеку персоналу. Отже, конструкційні матеріали, стійкі- до тиску, повинні водночас мати надзвичайно високу міцність, щоб протистояти деформації, чудову міцність, щоб запобігти крихкому руйнуванню, видатну корозійну стійкість, щоб справлятися зі складними хімічними та біологічними середовищами, і найменшу можливу щільність, щоб досягти ефективного контролю плавучості та економії енергії.

Матеріал для корпусу під тиском глибоководного-обладнання є одним із ключових напрямків досліджень і розробок. Очікується, що до 2025 року світова глибоководна економіка перевищить один трильйон доларів. Титанові сплави (традиційні металеві матеріали) і композитні матеріали (не-металеві матеріали) є двома основними системами матеріалів, і їхня еволюція впливає на глибину та ширину дослідження людиною та використання морських глибин.

01. Титановий сплав

З середини 20 століття титанові сплави були «золотим стандартом» для глибоководного-обладнання. Їх переваги обумовлені властивостями матеріалу:

A. Питома міцність і питома жорсткість

B. Стійкість до корозії

C. Відмінна міцність

02. Композиційні матеріали

Якщо переваги титанових сплавів кореняться в їх матеріальній природі, то композитні матеріали покладаються на винахідливість людського дизайну. Це не окремий матеріал, а скоріше система матеріалів, розроблена на вимогу, представлена епоксидною смолою, армованою вуглецевим волокном.

Секрет глибоководних композитних корпусів під тиском полягає в їх багаторівневій структурі, яка імітує природу та функціонально розшаровує шари.

Цей «розроблений матеріал» пропонує безпрецедентні переваги:

A. Надзвичайно висока питома міцність і питомий модуль: питома міцність високо-вуглецевих волокон класу T800 і вище може досягати 2-3 разів більшої ніж у титанових сплавів. Це означає, що при досягненні тієї ж міцності на стиск вага композитної оболонки може бути значно зменшена, тим самим значно покращуючи витривалість і маневреність підводного апарату. (Питомий модуль — це відношення модуля пружності матеріалу до його щільності, що використовується для вимірювання несучої здатності матеріалу.)

Б. Чудова стійкість до втоми: під навантаженнями змінного тиску шлях розповсюдження тріщини в композитних матеріалах є більш звивистим, ніж у металах (він потребує обходу численних інтерфейсів волокон-матриці), і його термін служби втоми зазвичай набагато довший, ніж у металевих матеріалів.

C. Чудова свобода проектування: змінюючи послідовність укладання волокон, кут і локальне потовщення, можна досягти «оптимізації топології» конструкції, дозволяючи цілеспрямоване посилення в зонах концентрації напруги та зменшення ваги в зонах із низьким -напруженням, таким чином максимізуючи ефективність розподілу матеріалу.

Підсумовуючи, під час фактичного технічного проектування глибоководного-обладнання вибір матеріалу — це аж ніяк не просте питання «який міцніший», а потребує комплексного рішення, яке враховує такі фактори, як вимоги до глибини занурення, сценарії використання, контроль витрат і виробничі процеси.

У майбутньому розробка та застосування високо-нових матеріалів для глибоководних-застосувань залишатиметься ключовим напрямком морської науки та технологій.

titanium Titanium round pipe