Анализ трендов перспективных материалов для нефтегазовой отрасли

Использование новых, появившихся недавно и даже специально разрабатываемых под требования задачи материалов возросло сразу во многих промышленных отраслях по всему миру. Одновременно с этим растут требования и к самим материалам. Разрабатываются материалы со все большей нагревостойкостью, прочностью, теплопроводностью, стойкостью к износу и т.д., что позволяет изготавливать все более усовершенствованные изделия. Новые материалы из пассивного компонента оборудования превратились в отдельную составляющую разработки, поскольку часто они несут множество потенциальных преимуществ по сравнению с традиционными.

Цель. Анализ существующих трендов в области новых материалов с выявлением самых перспективных для применения в нефтегазовой отрасли.

Материалы и методы. Методика исследования представляла собой анализ публикационной активности в крупнейшей мировой базе данных Scopus по соответствующим тематическим запросам. В результате поиска была получена информация по количеству публикаций по каждой теме и распределению их по отраслям. Кроме этого, был проведен литературный поиск по применению всех рассматриваемых материалов.

В рамках проведенной работы проанализированы более 40 видов современных материалов, включающих различные сплавы, волокна, углеродные материалы, покрытия, наноструктуры, биоматериалы, жидкости, химические добавки и другие. Тематики с наибольшей публикационной активностью за последние 5 лет и со значительным количеством реальных применений в промышленности были признаны самыми перспективными для целей поставленной работы.

Выводы. Выделены главные тренды исследований в области современных материалов: композиты, полимеры, умные материалы и аддитивные технологии. Дана характеристика каждого типа материалов из представленных в обзоре, его особенности, приведены главные области применения.

1. Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерные композиционные материалы: прочность и технология. — Долгопрудный: Интеллект, 2010. — 352 с.

2. Композиционные и композитные материалы — свойства и классификация композиционных материалов /ПластЭксперт — все о пластиках и полимерах. Available at: https://e-plastic.ru/specialistam/composite/kompozicionnye-materialy/ (accessed 2.06.2022).

3. The Seven Ages of Materials. Engineering & Technology, 2019. Available at: https://eandt.theiet.org/content/articles/2019/09/the-seven-age-of-materials/ (accessed 2.06.2022).

4. Polymer matrix composites: properties and applications — matmatch. August 2020. Available at: https://matmatch.com/learn/material/polymer-matrix-composites (accessed 02.06.2022).

5. Zemtsova E.G., Yurchuk D.V., Sidorov Yu.V., Semenov B.N., Morozov N.F., Smirnov V.M. Synthesis of metallic composite based on iron frame and SiC nanostructures and its strength properties. Materials Physics and Mechanics. 2020, vol. 46, no. 1, pp. 122–131. (In Russ.) Available at: https://doi.org/10.18149/MPM.4612020_12

6. Xiaochun Liu, Zheng Liu, Yujing Liu, Zainab Zafar, Yanjin Lu, Xiang Wu, Yue Jiang, Zhiguang Xu, Zhenghua Guo, Shujun Li. Achieving high strength and toughness by engineering 3D artificial nacre-like structures inTi6Al4V-Ti metallic composite, Composites. Part B: Engineering. 2022, no. 230, p. 109552. Available at: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109552

7. Haoren Wang, Rui Kou, Haozhe Yi, Samuel Figueroa, Kenneth S. Vecchio. Mesoscale hetero-deformation induced (HDI) stress in FeAl-based metallic-intermetallic laminate (MIL) composites. Acta Materialia. 2021, no. 213, p. 116949. Available at: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116949.

8. Pilipović A., Ilinčić P., Petruša J., Domitran Z. Influence of polymer composites and memory foam on energy absorption in vehicle application. Polymers. 2020, vol. 12, no. 6, p. 1222.

9. Oladele I.O., Omotosho T.F., Adediran A.A. Polymer-Based Composites: An Indispensable Material for Present and Future Applications. International Journal of Polymer Science. 2020, pp. 1–12. Available at: https://doi.org/10.1155/2020/8834518

10. Khusiafan F.J. Use of KEVLAR® 49 in aircraft components. Engineering Management Research, 2018, vol. 7, no. 2, pp. 14–19.

11. Karthikeyan R., Srinivasan B. Industrial applications of keratins — a review. Journal of Scientific and Industrial Research, 2014, no. 66, pp. 710–715.

12. «Прочность и безопасность»: как реализуется проект композитного крыла для нового российского лайнера МС-21. Available at: https://www.aex.ru/fdocs/1/2022/3/31/32850/ (accessed 02.06.2022).

13. Oladele I.O., Omotosho T.F., Adediran A.A. Polymer-Based Composites: An Indispensable Material for Present and Future Applications. International Journal of Polymer Science, 2020, pp. 1–12. Available at: https://doi.org/10.1155/2020/8834518

14. Композиты в российском судостроении. Available at: https://www.korabel.ru/news/comments/kompozity_v_rossiyskom_sudostroenii_kakovy_perspektivy.html (accessed 02.06.2022).

15. Petronas. Available at: https://www.iiprd.com/ (accessed 02.06.2022).

16. Maxtube. Available at: https://maxtube.com/company-history/ (accessed 02.06.2022).

17. Армированная труба из термопластов HDPE, PERT, PEX, PA, PVDF, PPS для трубопроводов высокого давления. vailable at: https://sibmashpolymer.ru/information/ (accessed 02.06.2022).

18. Suphangul S., Rokaya D., Kanchanasobhana C., Rungsiyakull P., Chaijareenont P. PEEK Biomaterial in Long-Term Provisional Implant Restorations: A Review. J. Funct. Biomater. 2022, no. 13. — P. 33. Available at: . Available at: https://doi.org/10.3390/jfb13020033

19. Mian S.H., Moiduddin K., Elseufy S.M., Alkhalefah H. Adaptive Mechanism for Designing a Personalized Cranial Implant and Its 3D Printing Using PEEK. Polymers. 2022, no. 14, p. 1266. Available at: https://doi.org/10.3390/polym14061266

20. Руспласт. [Rusplast. (In Russ.)]. Available at: https://www.rusplast.com/ (accessed 02.06.2022).

21. Fremond M., Miyazaki S. Shape Memory Alloys. Springer. 2014.

22. Lei Zh., Wu P. Zwitterionic Skins with a Wide Scope of Customizable Functionalities. ACS Nano. 2018, no. 12, pp. 12860–12868.

23. Chapter 8 — High-temperature engineering thermoplastics: polysulfones, polyimides, polysulfides, polyketones, liquid crystalline polymers, and fluoropolymers plastics in medical devices — properties, requirements, and applications. Plastics Design Library, 2010.

24. Harizi W., Anjoul J., Acosta V. et al. Mechanical behavior of carbon-reinforced thermoplastic sandwich composites with several core types during three-point bending tests. Compos. Struct., 2021.

25. Schonhoff L., Mayinger F., Eichberger M., Reznikov E. 3D printing of dental restorations: Mechanical properties of thermoplastic polymer materials. Biomed. Mater., 2021.

26. Fetouhi L., Petitgas B, Dantras E. Mechanical, dielectric, and physicochemical properties of impregnating resin based on unsaturated polyesterimides. EPJ Applied Physics, 2017.

27. Lienert K. Poly(ester-imide)s for Industrial Use. Beck Elektroisolier-Systeme, 1999.

28. Bont M., Barry C., Johnston S. A review of liquid silicone rubber injection molding: Process variables and process modeling. Polymer Engineering and Science. 2021, vol. 61, no. 7. Available at: https://doi.org/10.1002/pen.25618

29. Zygo M., Lipinska M., Lu Z., MarketaIlcikova M., Bockstaller R., Mosnacek J., Pietrasik J. New type of montmorillonite compatibilizers and their influence on viscoelastic properties of ethylene propylene diene and methyl vinyl silicone rubbers blends. Applied Clay Science. 2019, no. 183, p. 105359. Available at: https://doi.org/10.1016/j.clay.2019.105359

30. Wang M., Yuan Ya., Zhao C., Diao Sh., Duan B. Preparation of fluorosilicone rubber containing perfluorocyclobutyl aryl ether. Polymers for Advanced Technologies (IF3.665), Pub Date: 2020-09-25. Available at: https://doi.org/10.1002/pat.5107

31. Назаров В.Г., Столяров В. П., Доронин Ф. А. и др. Сопоставление влияния некоторых методов модификации на характеристики сверхвысокомолекулярного полиэтилена и композитов на его основе., Высокомолекулярные соединения. Серия А, 2019. — Т. 61. — № 3. — С. 254–263. Available at: https://doi.org/10.1134/S2308112019030106

32. Сергеева Е.А., Костина К.Д. Способы получения композитов и изделий на основе ткани из СВМПЭ и резины для производства топливных баков // Вестник Казанского технологического университета. 2014. — Т. 17. — № 5. — С. 101–105.

33. Gautam Y.R., Singh S., Verma M.K. Application of UHMWPE fiber based composite material. ResearchGate. Available at: https://www.researchgate.net/publication/327221940 (accessed 19.04.2022).

34. Валуева М.И., Колобков А.С., Малаховский С.С. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен: рынок, свойства, направления применения (обзор). Available at: https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-03-49-57

35. Jiayou Quan, Junrong Yu, Yan Wang, Zuming Hu. Oriented shish-kebab like ultra-high molecular weight polyethylene membrane for direct contact membrane distillation. Separation and Purification Technology. 2022, no. 290, p. 120847. Available at: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120847

36. Копылов В.М. Кремнийорганические соединения // Большая российская энциклопедия. — 2010. — Т. 15. — С. 686.

37. Кахраманов Н.Т. Состояние проблемы получения, исследования и применения кремнийорганических полимеров /В. М. Копылов, Р. В. Гурбанова, Ю. Н. Кахраманлы // Химические науки. Евразийский союз ученых (ЕСУ). — 2016. — № 6 (27). — С. 112–118

38. Banea M.D., da Silva L.F., Campilho R.D. Effect of Temperature on Tensile Strength and Mode I Fracture Toughness of a High Temperature Epoxy Adhesive. Journal of Adhesion Science and Technology, 2012.

39. Marques E.A., da Silva L.F., Banea M.D., Carbas R.J. Adhesive Joints for Low and High-Temperature Use. The Journal of Adhesion, 2015.

40. Wanga J., Guo Q. The preparation and performance of high-temperature adhesives for graphite bonding. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2005.

41. High temperature ceramic adhesive. Available at: https://www.final-materials.com/gb/232-high-temperature-ceramicadhesive (accessed 02.06.2022).

42. Клей пленочный бисмалеимидный АМ250. Available at: https://www.itecma.ru (accessed 27.05.2022).

43. Кокцинская Е.М. «Умные» материалы и их применение (обзор) // Видеонаука: сетевой журн. — 2016. — № 1 (1). Available at: https://videonauka.ru/stati/13-tekhnicheskie-nauki/42-umnye-materialy-i-ikh-primenenie-obzor (accessed 27.05.2022).

44. Ситников Н.Н., Хабибуллина И.А., Мащенко В.И. Самовосстанавливающиеся материалы: обзор механизмов самовосстановления и их применений // Видеонаука: сетевой журн. — 2018. — № 1 (9). Available at: https://videonauka.ru/stati/19-materialovedenie/186-samovosstanavlivayushchiesya-materialy-obzor-mekhanizmov-samovosstanovleniya-i-ikh-primenenij (accessed 27.05.2022).

45. Осовская И.И., Литвинов М.Ю., Васильева А.П. Технология полимеров. Применение и переработка. Самовосстанавливающиеся покрытия: учебное пособие / ВШТЭ СПбГУПТД. — СПб., 2020. — 80 с.

46. Стойе Д. Краски, покрытия и растворители/ пер. с англ. под ред. Э.Ф. Ицко / Д. Стойе. — СПб.: Профессия, 2007. —528 с.

47. Голубев А.В., Лузгина А.С., Ворончихин В.Д. Коррозия технологического оборудования и трубопроводов в условиях Крайнего Севера и приравненных к ним территорий // Полимерные и композиционные материалы в условиях Севера: материалы Всеросс. научно-практич. конф. с международным участием, 12–15 октября 2021 г. Якутск: ИПНГ СО РАН, 2021

48. Антифрикционные материалы самосмазывающиеся // Справочник химика 21. Химия и химическая технология. Available at: https://www.chem21.info/info/808309/?ysclid=l3vnwiliuh (accessed 31.05.2022).

49. Самоочищающиеся покрытия будут использовать в судостроении. Available at: https://www.lkmportal.com/news/2014-08-25/9971 (accessed 31.05.2022)].

50. Покрытие Balconano. Available at: https://www.oknamedia.ru/novosti/ (accessed 31.05.2022).

51. Самоочищающиеся покрытия. Available at: https://lakokraska-ya.ru/blog/samoochischayuschiesya-pokrytiya-mechta-stroitelei (accessed 31.05.2022).

52. Шилова О., Цветкова И. Синтез и исследование супергидрофобных, антиобледенительных гибридных покрытий. Инновационные транспортные системы и технологии. 2015. — С. 91–98.

53. Бледнова Ж., Степаненко М. Роль сплавов с эффектом памяти формы в современном машиностроении. Научно-образовательный курс, 2012

54. Couplings A., Druker V., Perotti A., Esquivel I., Malarria J. Design of Devices and Manufacturing of Fe-Mn-Si Shape Memory Alloy. Procedia Materials Science. 2015, pp. 878–885.

55. Pan M., Zhang X., Zhou D., Misra R., Chen P. Fe–Mn–Si–Cr–Ni Based Shape Memory Alloy: Thermal And Stress-Induced Martensite Materials. Science And Engineering: A. October 2020, vol. 797, no. 21, p. 140107.

56. Claderaa A., Weberb B., Leinenbachb C., Czaderskib C., Shahverdib M., Motavalli M. Iron-Based Shape Memory Alloys For Civil Engineering Structures. An Overview Construction And Building Materials, 2014, vol. 63, pp. 281–293.

57. Yin H., Qu M., Zhang H., Chan Lim Ye. 3D Printing and Buildings: A Technology Review and Future Outlook Technology. Architecture + Design, 2018, vol. 2 (1). С. 94–111.

58. Tibbits S. 4D printing: Multi-material shape change Archit. Des. 2014, vol. 84, pp. 116–121.

59. Studart A.R., Erb R.M. Bioinspired materials that self-shape through programmed microstructures. Soft Matter, 2014, vol. 10, pp. 1284–1294.

60. Прочная невесомость или аэрогель. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/prochnaya-nevesomost-ili-aerogel/viewer (accessed 03.06.2022).