Проектирование, моделирование, синтез и аддитивное производство материалов и конструкций с повышенными эксплуатационными характеристиками
Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).
Срок реализации: 2020-2025 гг.
Исполнитель: Лаборатория «Синтез новых материалов и конструкций» (СНМиК)
Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты
В 2020 году
Разработан лабораторный технологический регламент получения алюмосиликатных пропантов заданного гранулометрического состава в установке воздушной плазмы, удовлетворяющим ГОСТ Р 51761-2013 «Пропанты алюмосиликатные. Технические условия (с Поправкой)».
1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.
Цель исследования - разработка научно-технологических основ получения пропантов для использования в нефтедобывающей промышленности для технологии гидроразрыва пласта (ГРП).
В ходе работы был выполнен анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме создания и применения пропантов; обоснованы и выбраны направления исследований; разработаны и обоснованы требования к технологическим режимам процесса изготовления пропантов в воздушной плазме; разработана программа и методики экспериментальных исследований технологических режимов процесса изготовления пропантов в воздушной плазме; проведены экспериментальные исследования технологических режимов процесса изготовления пропантов в воздушной плазме.
Целью первого этапа НИР являлась разработка методики экспериментальных исследований и получения алюмосиликатных пропантов заданного гранулометрического состава в установке воздушной плазмы. Объектом исследования являлись природные алюмосиликаты и магнисиликаты сфероидизированные воздушной плазмой, предметом исследования - получение и исследование керамических пропантов для ГРП.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- проведен обзор научно-технической литературы по составам, способам изготовления и свойствам пропантов;
- изучены текущие международные и российские технические регламенты, и требования, предъявляемые к пропантам и изучению их свойств;
- исследованы элементный состав и морфология исходного минерального сырья;
- разработана методика получения пропантов из алюмосиликатного сырья в воздушной плазме;
Фактическим результатом выполнения работ является разработка методики экспериментальных исследований и получения алюмосиликатных пропантов заданного гранулометрического состава в установке воздушной плазмы.
2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем.
Основные результаты и выводы работы полностью соответствуют мировому уровню исследований в области разработки технологии получения пропантов для технологии ГРП в нефтедобывающей промышленности. Подход производства пропантов с помощью обработки в воздушной плазме является уникальным, аналогов в мире нет. Преимуществом данной технологии является уменьшение технологической цепочки производства без потери качества и количества получаемого продукта, первичные расходы, расходы на амортизацию оборудования и помещения снижаются в разы вплоть до одного порядка, себестоимость продукции также значительно падает в цене. Так, для обработки больших объемов исходного сырья традиционным методом необходима печь для обжига, стоимость которой доходит до миллиарда рублей, в то время как установки воздушной плазмы с сохранением производственных мощностей обойдутся дешевле в несколько раз. Получаемые технологией обработки в воздушной плазме пропанты имеют высокую степень сферичности и округлости (близкой к 1), получаемые фракции не ограничиваются по размеру – от 0.05 до 2 мм, способны выдерживать огромные давления (более 6000 psi), а также существует возможность создания полимерного покрытия во время плазменной обработки с подачей полимерных гранул в рабочую камеру одновременно с подачей необработанного воздушной плазмой пропанта для испарения пропанта и последующего осаждения на поверхности частиц порошка, что характеризует уникальность технологии, ее простоту и высокое качество конечного продукта.
- Разработаны методики исследования и подготовки порошковых композиций для использования при синтезе металломатричных композиционных материалов.
- Разработаны требования к технологическим свойствам исходного материала для формирования направленной внутренней структуры изделий в процессе аддитивного производства с учётом анизотропии материала
- Разработана 3D модель ФГ каркаса с иррегулярной сетчатой структурой, по своим физическим и механическим свойствам близкой или аналогичной эндогенной костной ткани для последующего изготовления методами аддитивного производства;
- Разработана методика экспериментальных исследований и получения алюмосиликатных пропантов заданного гранулометрического состава в установке воздушной плазмы.
- Разработаны научно-технологические основы получения алюмосиликатных пропантов заданного гранулометрического состава в установке воздушной плазмы.
- Разработаны научно-технологические основы создания энергоемких литий-ионных аккумуляторов с управляемой трехмерной микро- и макроструктурой с применением аддитивных технологий и технологий, использующих металлические пены с открытой пористостью.
- Получена алюминиевая пена методом инфильтрации водорастворимой соли, осаждение и спекание алюминиевых порошков АСД-1, АСД-6 и пудр ПАП-2 на полиуретановые пены с различной плотностью пор.
- Образцы green-моделей из металломатричных композиционных материалов изготовленные с применением аддитивных технологий.
- Разработаны требования к технологическим свойствам исходного материала для формирования изделий с мультиматериальным составом в процессе аддитивного производства.
- Разработан лабораторный технологический регламент изготовления ФГ иррегулярных сетчатых каркасов имплантов и индивидуальных эндопротезов методами аддитивного производства из порошков титановых сплавов;
- Разработан лабораторный технологический регламент проведения термической обработки сетчатых каркасов имплантов и индивидуальных эндопротезов, изготовленных методом селективного лазерного плавления из отечественных и зарубежных порошков титановых сплавов;
- Разработан лабораторный технологический регламент обработки моделей сетчатых структур для создания микро и нано рельефа поверхности;
- Разработан лабораторный технологический регламент подготовки магнезиальнокварцевые минералов к обработке в воздушной плазме (грубый/тонкий помол, сепарирование).
- Разработан лабораторный технологический регламент получения магнезиальнокварцевые пропантов заданного гранулометрического состава в установке воздушной плазмы.
- Разработана макроструктура 3-х мерного токоснимателя. Созданы экспериментальные модели с порами различной формы (кубическая, сферическая, цилиндрическая), размером пор от 150 мкм до 500 мкм и различной толщиной стенок.
- Получены экспериментальные образцы из металломатричных композиционных материалов изготовленные с применением аддитивных технологий.
- Получены экспериментальные образцы с направленной структурой, полученные методами аддитивного производства.
- Получены результаты вычислительных экспериментов по определению механических характеристик сложнопрофильных протезов с элементами сетчатых структур, по разработанным программам и методикам исследовательских испытаний;
- Разработан лабораторный технологический регламент получения неорганических покрытий на сетчатых 3D структурах обладающих остеоинтегрирующими характеристиками;
- Разработана электронная модель индивидуального протеза для изготовления методом селективного лазерного плавления из отечественных и зарубежных порошков титановых сплавов;
- Получены экспериментальные образцы индивидуальных эндопротезов, полученные методом селективного лазерного плавления из порошков титановых сплавов;
- Разработан лабораторный технологический регламент получения магнезиальнокварцевые пропантов заданного гранулометрического состава в установке воздушной плазмы, удовлетворяющим ГОСТ Р 54571-2011 «Пропанты магнезиальнокварцевые. Технические условия».
- Создан прототип 3-х мерных токоснимателей для вторичных источников тока, полученные методами аддитивных технологий.
- Получены экспериментальные образцы с мультиматериальным составом, изготовленных с использованием аддитивных технологий.
- Получены результаты «in-vitro» исследований разработанных сетчатых 3D структур с функциональными свойствами.
- Создан экспериментальный образец токоснимателей.
- Определены физико-технологические свойства (согласно ГОСТ Р 54571-2011) и функциональные характеристики (согласно ГОСТ Р 51761-2013) полученных магнезиально-кварцевых и алюмосиликатных пропантов.
- Получены прототипы изделий из металломатричных композиционных материалов изготовленные с применением аддитивных технологий.
- Получен прототип изделия с внутренней структурой, учитывающей анизотропию, изготовленные методами аддитивного производства.
- Проведены стендовые испытания алюмосиликатных и магнезиально-кварцевых пропантов для оценки эксплуатационных свойств пропантной пачки путем определениея абсолютных значений и динамики проводимости пачки в воссозданных пластовых условиях с использованием кернового материала в качестве «стенок трещины».
- Разработаны научно-технологические основы создания энергоемких литий-ионных аккумуляторов с управляемой трехмерной микро- и макроструктурой с применением аддитивных технологий и технологий, использующих металлические пены с открытой пористостью.
- Выполнены исследования электрохимической активности 3-х мерного токоснимателя для вторичных источников тока с ионнопроводящими покрытиями в диапазоне потенциалов 2.5-4.5В.
- Получены прототипы сложнопрофильных изделий с установленными функциональными характеристиками из металломатричных композиционных материалов изготовленные с применением аддитивных технологий.
- Получены прототипы изделий, созданных с использованием мультиматериальных аддитивных технологий
- Разработана технология получения алюмосиликатных пропантов с заданными эксплуатационными характеристиками в установке воздушной плазмы. Выполнены стендовые полученных алюмосиликатных пропантов согласно ГОСТ Р 51761-2013 «Пропанты алюмосиликатные. Технические условия (с Поправкой)».
- Разработана технология получения алюмосиликатных пропантов с заданными эксплуатационными характеристиками в установке воздушной плазмы. Выполнены стендовые испытания полученных алюмосиликатных пропантов согласно ГОСТ Р 54571-2011 «Пропанты магнезиальнокварцевые. Технические условия».
- Получен ЛИА с электродами на основе 3-х мерных токоснимателей с удельной энергетической плотностью от 150 до 250 Втч/кг, работающего при уровне тока до 5С.
- Создан электрод на основе модифицированного 3-х мерного токоснимателя.
