Развитие содержания профессиональных дисциплин на основе трансфера результатов научных исследований в области нанотехнологий

Обеспечение конкурентоспособности продукции машиностроительных предприятий, отличительной особенностью которой является высокая материалоёмкость, во многом зависит от выбора используемых конструкционных материалов и оптимизации самой конструкции проектируемого технологического оборудования на основе полного учета всех свойств этих материалов. Современный конкурентоспособный инженер должен не только знать свойства наиболее распространенных материалов и оптимально использовать при разработке продукции машиностроения, но и учитывать тенденции совершенствования существующий и получения новых конструкционных материалов при создании инновационных проектов. Необходимость повышения качества обучения технических специалистов предопределяет потребность в постоянной корректировке содержания образования посредством отражения в нем наиболее актуальных разработок в области материаловедения. С учетом становления в экономике шестого технологического уклада приоритетное значение приобретает трансфер разработок в области нанотехнологий в подготовку специалиста к инновационной деятельности в своем профессиональном сегменте [1; 2].

В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) являются одними из самых востребованных конструкционных материалов, применяемых в различных отраслях промышленности. Это обуславливает предъявление к ним не только повышенных требований по прочности и долговечности, но специфических - наличие достаточной электро- и теплопроводности. Обеспечение указанных свойств может быть достигнуто использованием достижений в области создания наноразмерных объектов на основе углерода, которая открывает пути совершенствования полимерных и композиционных материалов. Наибольшее количество экспериментальных данных по созданию новых ПКМ с улучшенными показателями прочности, износостойкости, водопоглощения, электро- и теплопроводности получены при использовании углеродных нанотрубок (УНТ), введенных в структуру материала [3-11]. Усиление корректирующего воздействия УНТ на свойства композита возможно достичь функционализацией углеродных нанотрубок, позволяющей увеличить их поверхность с целью равномерного распределения и эффективного взаимодействия с полимерной матрицей [3; 8]. Одним из наиболее эффективных способов функционализации является получение на поверхности УНТ функциональных групп, способных образовывать прочные химические связи с полимерной матрицей, что обеспечивает улучшение технологических и эксплуатационных характеристик полимерных матриц и снижает вязкость, повышает прочностные и диэлектрические свойства. Анализ проводимых исследований в данной сфере показал, что современному специалисту в области наноиндустрии для обеспечения инновационного характера профессиональной деятельности и организации выпуска конкурентоспособной продукции необходимо владение не только на уровне распознавания, но и на деятельностном и рефлексивном уровнях компетенциями, определяющими данный сегмент нанотехнологий:

• -    знание всего многообразия свойств функционализированных УНТ;

• –    умение выявлять перспективные направления их использования в промышленности;

• -    умения проводить исследования по определению зависимостей влияния количества УНТ на свойства всего композита;

• –    определение наиболее оптимальных условий внесения функционализированных УНТ в основной материал.

Осознанное владение указанными компетенциями позволит повысить степень реализации заложенного в УНТ потенциала как армирующего или функционального наполнителя для полимерных композитов. Отражение данного блока нанотехнологий в основной профессиональной образовательной программе даст больших импульс познавательной деятельности студентов, если акцент будет сделан на результатах научных исследований, которые непосредственно проводятся в данном учебном заведении. Подготовка бакалавров и магистров в области наноинженерии, осуществляемая в Тамбовском государственном техническом университете, непосредственно связана с теми научными исследованиями, которые проводятся в лабораториях вуза. Одним из интересных научных направлений, которое решает не только прикладные задачи для народного хозяйства, но и активно используется в учебном процессе, является исследования по получению полимерных композитов на основе УНТ.

Первая группа исследований, к которым могут быть привлечены студенты бакалавриата, предполагает определение зависимостей свойств композита от количества и функционализированности УНТ. В рамках экспериментальных исследований в качестве связующего использовалась эпоксидно-диановая смола ЭД-22 и отвердитель горячего отверждения «Полиам Б-10», а модифицированные УНТ вводились в эпоксидную матрицу физико-механическим способом с последующим ультразвуковым воздействием. Полученные образцы вакуумировались, формовалось и подвергалось ступенчатому отверждению, после чего готовые образцы (см. рис. 1) испытывались на разрыв и на изгиб.

Рис. 1. Образцы для испытаний на прочность.

Для определения прочностных характеристик полученного наномодифицированного эпоксидного связующего испытания проводились на универсальной испытательной машине “TestometricM350-5AT” (см. рис. 2).

Рис. 2. Универсальная испытательная машина “Testometric M350-5AT”.

Проведенные испытания подтвердили первоначальную гипотезу о существенном влиянии УНТ на свойства композита, и позволили определить оптимальный вариант функционализации и количество вносимых наноматериалов. Знакомство обучающихся с проведенными учеными университета результатами исследовании перспектив использования различных модификаций УНТ (см. рис. 3-4) позволит им приобрести передовые знания в области нанотехнологий, выявить закономерности влияния различных факторов на наноразмерный эффект, проверить теоретические положения на примере частных исследований, выйти за рамки поставленных задач и получить внутреннюю мотивацию к самостоятельным исследованиям.

Е, Н/мм'

Процельное содержание УНТ-М % (мае.)

-♦—ЭД-22+Полиам-Б1О+УНТ-М            -*—ЭД-22+Полиам-Б10+УНТ-М(ТМА40Р7)

-•—ЭД-22+Полиам-Б1О+УНТ-М(ТМА16Р6) -*—ЭД-22+Полиам-Б10+УНТ-М(ТМА40Р12)

-А—ЭД-22+Полиам-Б1О+УНТ-М(ТМА16Р9)   —I- ЭД-22+Полиам-Б10+УНТ-М(ТМА80Р1)

-Ж—ЭД-22+Полиам-Б1О+УНТ-М(ТМА1бР1О)   ЭД-22+Полиам-Б1О*УНТ-М(ТМА8ОР2)

Рис. 3. Предел прочности в испытаниях на разрыв.

—•—ЭД-22+Полиам-бЮ+УНТ-М           -Ж—ЭД-22+Полиам-Б10+УНТ-М(ТМА40Р7)

-■—ЭД-22+Полиам-Б10+УНТ-М(ТМА16Р6) -•—ЭД-22+Полиам-Б10+УНТ-М(ТМА40Р12)

-*—ЭД-22+Полиам-Б1О+УНТ-М(ТМА16Р9) —•— ЭД-22+Полиам-Б10+УНТ-М(ТМА80Р1)

-Ж—ЭД-22+Полиэм-Б10+УНТ-М(ТМА1бР10) ---ЭД-22+Полиам-Б10+УНТ-М(ТМА80Р2)

Рис. 4. Предел прочности в испытаниях на изгиб.

Выполнение такого же рода исследований (в упрощенном и адаптированном под учебный процесс варианте) обеспечит у обучающихся формирование практический навыков осуществления исследовательской работы. Кроме того, привлечение обучающихся к выполнению прочностных исследований при решении профессиональных задач усиливает понимание ими важности общеинженерной подготовки по таким дисциплинам как механика и сопротивление материалов.

Рис. 5. Изменение удельного сопротивления в зависимости от добавки и ее процентного содержания в эпоксидной матрице.

Вторая группа исследований, представляющая интерес с позиции совершенствования образовательного процесса, направлена на разработку материалов для аддитивных технологий, электротехнических изделий, защитных электростатических покрытий. Например, наномодифицирование нанотрубками серии «Таунит-М» (9-12% мас.) позволяют получить электропроводящий материал с электропроводностью порядка 1,5 Ом/см (см. рис. 5) с сохранением прочности, что может быть использовано при производстве АБС-пластики, полиэтиленов, полиамидов, эпоксидных смол.

Рис. 6. Влияние УНТ на теплопроводность композитов.

Третьим направлением перспективных исследований, которые целесообразно отразить в учебном процессе, является поиск способов повышения теплопроводности полимерных композиционных материалов, что позволит развивать авиационную и аэрокосмическую области. Проведенные исследования образцов, содержащих углеродные нанотрубки в эпоксидной смоле, показали существенное влияние наноматериалов на теплопроводность (см. рис. 6).

Привлечение обучающихся бакалавриата ко второму и третьему направлениям исследований кроме получения наиболее актуальных знаний в узкопрофессиональной области позволит им также актуализировать такие фундаментальные области науки, как физика, электротехника, термодинамика. Таким образом, все рассмотренные направления способствуют как формированию способности к деятельности вообще, так и инновационной деятельности в наиболее быстро развивающемся сегменте промышленности [12]. Повысить эффективность использования результатов научных исследований возможно усилив интерактивных характер обучении, и прежде всего в электронной образовательной среде [13]. Например, результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований могут быть положены как в разработку кейсов, выполняемых в процессе коллективного взаимодействии при общении в социальных сетях, так и для оценки компетенций на уровне владения, а также для развития такой формы обучения, как веб-квест [14].

Для получения всех вышеперечисленных новых конструкционных материалов были разработаны технологические подходы и регламенты, позволяющие осуществить наномодификацию углеродными нанотрубками и провести всестороннее исследование полученных продуктов, как в лаборатории, так и на реальном предприятии. С учетом сложной экономической ситуации одним из наиболее перспективных направлений поддержания конкурентоспособности является переход на производство новой продукции как предприятий машиностроительного кластера по выпуску нового технологического оборудования, так и химических предприятий, осваивающих получение нанопродуктов [15]. С учетом востребованности на рынке труда специалистов, готовых к реализации инновационных проектов наноиндустрии, трансфер научных исследований в данной отрасли в образовательный процесс, обеспечивающий как получение наиболее актуальных профессиональных знаний, так и формирование готовности к научно-исследовательской деятельности, позволит повысить качество образовательного процесса.