VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Применение наноструктурных покрытий в судостроении и судоремонте на приме-ре СРЗ «Нерпа» и "35 СРЗ" АО "ЦС "Звездочка"

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Марков Д.А. 1Фадеев П.В. 1

---

1МБОУ г. Мурманска ММЛ

Огнева М.В. 1

---

1МБОУ г. Мурманска ММЛ

Работа в формате PDF

17 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Море всегда было и будет сферой важнейших интересов человека. Мировой флот ежегодно перевозит морем до 10 млрд. тонн грузов. В XXI веке эти интересы будут существенно трансформироваться. Причинами станут коренные изменения международной обстановки, а также возрастание экономической и военно-стратегической роли Мирового океана в развитии цивилизации [1].

Проблема

Отечественный потенциал в области судостроения в период 1990 - 1999 годов остановился в своем развитии. В то же время развитие судостроения за рубежом осуществлялось нарастающими темпами. Это обусловило низкий уровень конкурентоспособности отечественного судостроения.

Актуальность: государство поставило задачу по улучшению судостроения и судоремонта в России. Реализация мер, предусмотренных Государственной программой РФ "Развитие судостроения на 2013 - 2030 годы", позволит сохранить за Россией статус морской державы, достигнуть улучшения конкурентной позиции судостроения.

В России приоритетными направлениями науки являются индустрия наносистем и материалов и рациональное природопользование [1]. Гидрофобные покрытия и нанокраски удобны в применении, защищают корпус корабля от коррозии и облегчают работу судна. В России промышленного производства таких материалов нет. В судостроении отсутствует опыт применения наноматериалов. Поэтому у нас возникла идея создания собственного нанопокрытия для корпуса корабля.

Цель работы: выяснить, как можно применить наноматериалы в судостроении, и найти удобные в применении нанопокрытия для предупреждения коррозии на корпусе корабля.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

Выяснить, какие наноматериалы применяют в строительстве, изучить применение нанотехнологий в судостроении.

Провести анализ композитных материалов нового поколения в судостроении и выяснить, какие материалы можно использовать для получения наноструктур.

Провести расчет количества красок для покрытия поверхности судна.

Разработать технологический цикл производства гидрофобного покрытия и изготовления нанокраски из шунгита для предупреждения коррозии на корпусе корабля.

Объект исследования: создание нанотехнологического материала для антикоррозийных работ и антибактериальной защиты корпуса корабля.

Предмет исследования: наноматериалы.

Гипотеза: покрытие изприродного фуллереносодержащего минерала шунгита можно применить для антикоррозийных работ корпуса корабля.

Методы исследования: классификация, моделирование, анализ и синтез, аналогия, эксперимент.

Научная новизна работызаключается в том, что выявлены возможности использования экологически безопасных нанокрасок в интерьерном дизайне судов. НЛКМ для самолетов можно использовать для камуфляжа судов и подводных лодок. Доказано, что применение шунгита в создании композиционных материалов гарантирует экономическую и экологическую эффективность в сфере судостроения.

Практическая значимость работы заключается в том, что изготовлены гидрофобное покрытие и нанопокрытиеиз природного минерала шунгита для антикоррозийной защиты корпуса корабля. Результаты работы могут быть использованы в судостроении и судоремонте (в Мурманской области на СРЗ «Нерпа» и "35 СРЗ" АО "ЦС "Звездочка").

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ проблем отечественного судоремонта и судостроения

2

Рисунок 1. Диаграмма лидеров мирового судостроения (Источник: https://infourok.ru/prezentaciya-k-uroku-mashinostroenie-1062931.html)

0 лет назад отечественное судостроение было одним из самых мощных в мире - только по заказам Военно-морского флота строилось до 50 подводных лодок, боевых кораблей и судов обеспечения. В области гражданского судостроения страна входила в десятку развитых стран мира. Сейчас Россия по гражданскому судостроению занимает 80-е место в мире (0,6% от суммарного объема заказов трех лидеров судостроения: Япония, Ю.Корея, Китай).

Для преодоления отставания России от развитых стран мира, задачей госпрограммы «Социально-экономическое развитие Арктической зоны РФ до 2025 года» является развитие науки и использование ресурсной базы Арктической зоны. В стратегии развития судостроения РФ на период до 2035 года планируется внедрение высокоэффективных технологий. Премьер-министр РФ Д.А. Медведев в качестве примера привел использование композитных материалов в авиакосмической отрасли. Но эти материалы можно применить и в судостроении.

Вывод: для того, чтобы судостроение в России опять занимало высокую позицию в мире, необходимо применять нанотехнологии, в частности, нанопокрытия корпусов кораблей. Это увеличит срок эксплуатации и гарантирует экономическую и экологическую эффективность в сфере судостроения. Задача освоения Арктики будет решена.

1.2 Наноматериалы в строительстве, авиации и автомобильной промышленности

В 1984 г. открыта наночастица фуллерен - форма существования углерода, в 1991 г. открыты нанотрубки и "наноалмазы" и в 2010 г. наноструктура – графен (А. К. Гейм и К. С. Новосёлов - Нобелевская премия по физике). В 2013 году Михаил Кацнельсон награждён премией Спинозы за разработку базовой концепции в области графена [3].

Главным признаком наночастиц является их размер - не более 100 нм. Именно размерами определяются уникальные свойства наноматериалов. Например, электропроводность начинает зависеть от размера частицы при уменьшении кристалла вещества до размеров 10-20 нм и менее. Нанонить паутины может удержать огромных по сравнению с ее толщиной насекомых.

Фуллерен и нанотрубки - дорогие вещества, в строительстве не применяются. Российские ученые получили фуллероиды. При изготовлении наноматериалов введение в цемент наночастиц улучшает свойства изделий при меньшей стоимости [4].

Наноструктурированное покрытие для стелс-самолетов состоит из углеродных нанотрубок и скрывает объект в ночном небе. Нанотрубки имеют высокую прочность и электропроводность, поглощают спектр излучения от радиоволн до ультрафиолета. Это обеспечивает камуфляж, стелс-самолеты красят в темный цвет, чтобы скрыть их от видимости. Показатель преломления почти равен показателю воздуха. Это значит, что свет не будет рассеиваться от нанотрубок без поглощения [4].

В автомобильной промышленности используются наноструктурные материалы, обладающие высокой прочностью. Разрабатываются лаки на основе наносистем, обладающие способностью к «самозалечиванию» поверхности. Изучаются возможности придавать эффект самоочищения «лотоса» всем используемым лакам и стеклам.

Вывод: нанокраску для самолетов можно использовать для камуфляжа судов и подводных лодок, чтобы они стали для невидимыми для радара. Повышенная прочность к повреждениям корабля может быть обеспечена использованием нанолаков, использующихся в автомобилестроении. Можно заменить топливо на кораблях на водород, который необходимо будет аккумулировать в устройствах, содержащих наноматериалы (например, сложные фуллерены).

1.3.Использование композитов нового поколения в судостроении

Применение композитных материалов является перспективным направлением в судостроении — особенно при создании высокоскоростных, пассажирских и рыболовных судов. Главные качества композитов: износостойкость и устойчивость к воздействию агрессивных сред. Малая плотность позволяет изготавливать легкие конструкции. Это повышает безопасность и экономичность судов.

Лакокрасочные материалы, в составе есть наноструктуры называют нанолакокрасочными (НЛКМ). НЛКМ готовят двумя путями: введением наночастиц или синтезом наночастиц в ЛКМ. При приготовлении первым способом возникают затруднения:

- равномерное распределение наночастиц в ЛКМ возможно лишь ультразвуком;

- сложность сохранения размеров наночастиц, поскольку из-за высокой поверхностной энергии они интенсивно агрегируются;

- высокая стоимость, обусловленная большими энергозатратами на получение наночастиц.

Второй способ получения НЛКМ - "золь-гель технология" – не имеет этих недостатков. Синтез наночастиц осуществляется в ЛКМ путем превращения молекул веществ, называемых прекурсорами и вводимых в ЛКМ, сначала в "золь", а затем в "гель" (студнеобразное тело). Наночастицы дешевле тех, которые получают измельчением твердых тел. Эта технология проста и экологически безопасна.

Вывод: НЛКМ можно использовать в судостроении для устранения пылимости меловых побелок, повышения их водостойкости, можно снижать вязкость олиф и красок, заменяя пожароопасные растворители, повышая прочность и теплостойкость конструкций.

1.4 Шунгит – природный нанотехнологический материал

Наночастицы содержат минералы асбест и бентонитовые глины. Этим объясняются высокие эксплуатационные свойства плоских листов, труб, тормозных дисков. Введение таких глин в полимеры придает им огнестойкость.

Уникальным природным минералом, содержащим наночастицы-фуллерены, является шунгит (обнаружен вблизи с. Шуньга в Карелии). Наша страна - владелица единственного в мире месторождения шунгита, ресурс оценивается в миллиард тонн. Шунгит внесен в разработки крупнейших мировых исследовательских центров. Шунгитовый углерод обладает аморфной структурой, на его поверхности адсорбируются вредные вещества [5].

Основу шунгитового углерода представляет глобула размером около 10 нм. Структура обладает сорбционными и каталитическими свойствами. Основные минералы, входящие в состав шунгита:

углерод – 30 %;

кварц – 45%;

сложные силикаты (слюды, хлориды) – 20%;

сульфиты  и оксиды– 5%.

ЛКМ, в состав которых введен шунгит, становятся НЛКМ. В России производства таких НЛКМ нет. НЛКМ вырабатывают электрический ток, как солнечные батареи и излучают белый свет подобно светодиодам, питаясь при этом током, который они сами вырабатывают. НЛКМ образуют пьезоэлектрические покрытия, которые контролируют усталость материалов.

Вывод: шунгит обладает сорбционными, каталитическими и бактерицидными свойствами и высокой механической прочностью (800—1200 кг/см²), малой истираемостью. Из графитовых нанотрубок, толщиной в несколько атомов можно изготовить непробиваемую броню, несгораемые корпуса кораблей, канаты, доставляющее грузы на корабль.

1.5 Применение шунгита в строительстве

Шунгитовая краска нетоксична, экологически и пожаробезопасна, при нагреве не выделяет вредных веществ, при попадании на кожу человека легко смывается водой, не дает побочных эффектов. При неоднократных циклах замораживания и оттаивания сохраняет свойства. На основе шунгита созданы нагреватели малой удельной мощности (от 100 до 1000 вт/м²), надежные за счет малых нагрузок на единицу площади, не создающие участков перегрева [4]. Это обогреваемые участки дорог, теплые полы помещений и др. Стены из шунгита абсорбируют неприятные запахи. В машиностроении применяются композиты: электропроводные краски и материалы-нагреватели. Шунгитовые материалы ослабляют электромагнитную энергию в диапазоне более 100 МГц.

Используют шунгит в фильтрах воды, при этом улучшаются её свойства: запах, цветность, прозрачность. В частности, в Москве построены шунгитовые фильтры по очистке стоков с МКАД.

Вывод: применение шунгита в создании композиционных материалов гарантирует экономическую и экологическую эффективность в сфере судостроения. По сравнению с металлами шунгит обладает экологическими преимуществами, так как не искажают магнитное поле Земли и исключают возможность возникновения напряжений за счет резонансных явлений. Шунгитовые радиоэкраны можно использовать в каютах корабля [4].

1.6.Применение нанокрасок в судостроении

Нанокраска использует нанотехнологию, благодаря которой на поверхности покрываемого объекта создается барьер воздуха. Он полностью отражает воду, густые масла, краски, оставляя поверхность при этом сухой и без бактерий. Этой краской можно покрывать для защиты от воздействия воды и масел пластик, стекло, ткани, металл и т.д.

Полупроводниковые наночастицы - это частицы диоксида титана, покрытые слоем сульфида или селенида кадмия. Из них изготавливают нанокраску, способную генерировать электричество под действием света. КПД преобразования солнечной энергии такой нанокраской составляет 1%, что намного меньше, чем в традиционных кремниевых панелях (10–15%). Достоинства: малая стоимость нанокраски и возможность покрывать ею больше площади поверхности.

Чтобы днище не обрастало ракушечником, применяют нанокраски на судах, развивающих скорость до 40 узлов. Нанокраски Seajet экологичны. Полирующий механизм обеспечивает срок службы не менее трех лет. Краска Seajet 039 PLATINUM является безвредной для окружающей среды.

Известно, что здание Пекинского театра в Китае построено с использованием нанотехнологии «Эффект лотоса». Нанопокрытие купола не подвержено загрязнению. Капли воды и грязи скатываются с него. При повреждении покрытия нанокраска способна восстанавливать свою структуру [5]. Нанопокрытия, нанесенные на окна домов, позволяют освещать внутренние помещения, сокращая расходы на электроэнергию. Низкая себестоимость в несколько раз меньше, чем у солнечных батарей. Нанокраски применяются для стен, легко наносятся на материал, не имеют запаха, влагоустойчивы и гигиеничны. Краска является защитой от влажности и ее воздействий.

Вывод: экологически безопасные нанокраски New Nanomat (антибактериальная), New Nanotex (водоотталкивающая) и New Nanoson (огнезащитная) могут использоваться в судостроении и судоремонте. Нанокраски, блокирующие беспроводные сигналы, могут использоваться в интерьерном дизайне судов. Нанокраски Seajet 033 SHOGUN, 034 EMPEROR и 039 PLATINUM - самополирующиеся средства для защиты от обрастания ракушками и водорослями. Взаимодействуя с морской водой, обеспечивают оптимальные характеристики в течение мореходного сезона [7].

Противокоррозионные покрытия судов ледового плавания должны противостоять абразивному действию льда, зависящему от шероховатости корпуса, характеристик льда, скорости движения, давления, температуры, влажности, наличия снега. Этим требованиям удовлетворяет покрытие "Инерта 160". При использовании покрытия расход топлива при ходе во льдах снижается до 18 %, на чистой воде - до 6 %.

ГЛАВА II. ОПИСАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ

2.1. Окраска судна

Окрасочные работы включают в себя подготовку поверхности, грунтовку, шпатлевку и окраску, от которых зависят стойкость и защитные качества лакокрасочного покрытия. Покрытия должны быть негорючими, обладать стойкостью против воздействия моющих веществ. Для защитного покрытия подводной части корпуса судна применяются лакокрасочные материалы трех типов: антикоррозионного, противообрастающего и для переменной ватерлинии. В зависимости от растворителя материалы бывают: масляные, битумные, хлоркаучуковые, виниловые, акриловые, эпоксидные, неорганические [7].

2.2. Изготовление гидрофобного покрытия

Опыт № 1.

Берем 1 часть парафина (можно взять парафиновую свечу) на 20 частей уайт-спирита;

парафин при измельчаем в крошку для лучшего растворения в растворителе;

тщательно размешиваем состав до однородности;

готовую смесь наносим на чистое стекло;

через некоторое время уайт-спирит полностью улетучится, после этого обработанную поверхность полируем бумажными салфетками.

Опыт № 2

Настоящий шунгит можно отличить от подделки благодаря электропроводимости. Возьмём батарейку, лампочку от карманного фонаря и два провода. Соединим последовательно лампочку и батарейку и замкнём двумя проводами на кусочек шунгита – лампочка загорится. Наш первый опыт получения нанопокрытий из шунгита будет представлен в этом учебном году.

2.3. Расчет количества красок и грунтов

Чтобы рассчитать количество краски, надо посчитать площадь подводной и надводной поверхности, палубы и надстроек. После этого окрашиваемой поверхности, посчитать, сколько краски или грунта понадобится для окрашивания.

Для расчета необходимо знать площадь окрашиваемой поверхности (рассчитывается по формуле, см. Приложение 1, таблица) и укрывистость грунтов и красок.

2.4. Основные этапы изготовления нанокраски

Гидрофобное покрытие не будет долго защищать поверхности, и придется через время повторить процесс. Технологический цикл изготовления гидрофобного покрытия (наноматериал) представлен в Приложении 2. Каждый вид бесконтактного с водой слоя предназначен для определенной поверхности. Например, можно добавлять этот наноматериал в цементный раствор, что значительно увеличивает изностойкость, прочность и улучшает его качества. 

Выводы:

поверхность, обработанная гидрофобизатором, останется сухой под воздействие воды;

бетон и дерево нуждается в нанозащите для сохранения и увеличения срока службы;

предметы, обработанные гидрофобным покрытием намного прочнее;

не перекрывается доступ воздуха, что позволяет сохранять тепло.

Гидрофобное покрытие — это эффект несмачивания влагой поверхности, на которую оно наносится: кирпич, бетон, стекло, камень и т.д. Благодаря ему обработанная поверхность более устойчива к коррозийным процессам или воздействиям низких температур.

Гидрофобное покрытие защищает поверхность от разрушительного воздействия влаги. Оно имеет наполнитель, который, взаимодействуя с поверхностью, образует тонкий слой - пленку. Именно она и препятствует проникновению влаги сквозь себя, создавая антикоррозийный барьер. Гидрофобное покрытие способно проникать глубоко в поры поверхности, создавая при этом путем кристаллизации тонкий невидимый слой.

Этим покрытием можно обрабатывать тканевые элементы, металл, стекло, даже при неблагоприятных погодных условиях продлевая их срок службы.

2.5. Проведение экспериментов

Защитить металл от коррозии можно с помощью нанотехнологий. Необходимо защищать изделия от коррозии уже на выходе с конвейера, покрывая их графеновыми пленками снаружи и изнутри с помощью специального механизма. Мы планируем изготовить нанокраску из шунгита и провести эксперименты по покрытию макета судна и исследовать свойства данного покрытия.

Заключение

В работе исследованы теоретически композитные материалы нового поколения и виды НЛКМ. Изучив свойства нанокрасок (антибактериальное, водоотталкивающее, огнезащитное), сделан вывод о возможности использовании красок New Nanomat, New Nanotex и New Nanoson в интерьерном дизайне кораблей.

В результате исследования выяснилось, что для изготовления структур нанометрового масштаба можно использовать фуллереносодержащий минерал шунгит, размеры элементов которого имеют порядок 100 нм и менее. Таким образом, мы достигли цели нашей работы, и гипотеза оказалась верна:покрытие изприродного фуллереносодержащего минерала шунгита можно применить для антикоррозийной защиты корпуса корабля.

Для того, что бы судостроение в России опять стало занимать высокую позицию в мире, надо применять нанотехнологии, в частности, нанопокрытия корпусов кораблей. Это увеличит срок эксплуатации, даст экономическую и экологическую эффективность. Поэтому в перспективе мы планируем изготовить нанокраску из шунгита и провести экперименты по изучению его свойств.Также мы планируем провести эксперименты по применению нанопокрытия на модели судна и создать солнечные батареи методом муаровой нанолитографии. Такие краски убивают болезнетворные бактерии, вирусы, грибки, защищают от распространения инфекций, предотвращают возникновение эпидемий. Их можно использовать для блокировки беспроводных сигналов, включая радиочастотный диапазон мобильных и Wi-Fi сетей. Это значит, что внутри помещения, окрашенного такой краской, мобильный телефон работать не будет.

Практически исследованы возможности получения гидрофобного покрытия. Доказано: гидрофобное покрытие хорошо справляется с повышенной влажностью.

Цель работы достигнута. Мы выяснили, как можно применить наноматериалы в судостроении и получили нанопокрытие для предупреждения коррозии на корпусе корабля.

Разработан технологический цикл производства гидрофобного покрытия и изготовления нанокраски из шунгита для предупреждения коррозии на корпусе корабля.

Главные преимущества альтернативных нанопокрытий заключаются в быстроте, дешевизне и в доступности метода. Для того что бы судостроение и судоремонт в России опять стал занимать высокую позицию среди стран, необходимо применять наноматериалы это увеличит срок эксплуатации и в общем изменит сферу судостроения и судоремонта.

Ожидаемые результаты

Результаты работы могут быть использованы в судостроении и судоремонте (в Мурманской области на судоремонтных заводах «Нерпа» и "35 СРЗ" АО "ЦС "Звездочка"). Задача освоения Арктики будет решена с применением лучших мировых достижений.

Список литературы

Государственная программа РФ «Развитие судостроения на 2013 - 2030 годы».

Сайт СХЕМА [электронный ресурс] — URL: http://www.shema.ru/news/view/541/(дата обращения: 21.09.2019).

Портал БЕТОН.РУ компания ООО "Альфа-Пол" (г. Санкт-Петербург) [электронный ресурс] — URL: http://yun.moluch.ru/archive/10/681/(дата обращения: 21.09.2019).

Шунгит-природный нанотехнологический материал [электронный ресурс] — URL: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2008/shungit-prirodnyi-nanotekhnologicheskii-material(дата обращения: 21.09.2019).

Озерянский В.А., Клецкий М.Е., Буров О.Н. Познаём наномир. Простые эксперименты — Бином. Лаборатория знаний, 2012.

Гидрофобное покрытие [электронный ресурс] — URL: http://fb.ru/article/164490/gidrofobnoe-pokryitie-svoimi-rukami (дата обращения: 21.09.2019).

Инфоурок [электронный ресурс] — URL: https://infourok.ru/prezentaciya-k-uroku-mashinostroenie-1062931.html (дата обращения: 21.09.2019).

Нанотехнологии. Азбука для всех / под ред. Ю.Д. Третьякова. — М. : Физматлит, 2009.

Николаев С. Вещество, которое изменит мир. С. Николаев. // Юный техник 2015. № 10. С. 22–27.

Рябинин Л. С., Маюров С. Г. Нанотехнологии на защите металлов от коррозии // Юный ученый. — 2017. — №1. — С. 84-88.

Приложение 1

Таблица

Расчет площади поверхности, площадь палубы и надстроек

Условные обозначения:

 LWL - длина по ватерлинии
 LOA - габаритная длина 

 B      - траверз (максимальная ширина)
 D      - осадка (до основания киля)
 F       - высота надводного борта (от ватерлинии до планширя)

Приложение 2

Технологический цикл изготовления гидрофобного покрытия

Гидрофобность – это физико-химическое свойство, при котором твердая поверхность имеет угол смачивания жидкостью θ > 90° ( θ – краевой угол смачивания жидкостью поверхности твердого тела). При обволакивании волокон гидрофобной пленкой вода не проникает внутрь ткани и придает поверхностям водоотталкивающие свойства. (Источник: Журнал «Бурение и нефть». Март 2010. [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://burneft.ru/archive/issues/2010-03/10).

При покрытии нитей гидрофобной пленкой, жидкость не проходит через материал, а или беспрепятственно стекает, или разделяется на мелкие капли, остающиеся на плоскости и не смачивающие его.

Приложение 3