Today ceramic materials occupy more and more new niches of application. These include deep-water apparatuses for various purposes. For example, at present time oil production industry confronts the problem of discovering new oil and gas reserves, 40 % of which are connected with the development of ever-increasing sea depths that, in its turn, requires certain buoyancy of the submersibles to support the payload. The buoyancy can be provided either by a durable hull, or by using buoyant crafts (modules), or by both methods simultaneously. Due to high values of compressive strength, ceramics are considered as a promising material for operation at great depths, where hydrostatic pressure is significantly increased.
The paper presents the results of analysis of domestic and foreign literature in the field of creation of hollow macrospheres based on ceramics for their use in modules of buoyancy of deep-water vehicles instead of syntactic foams with glass microspheres. It is shown that the most promising material is ceramics based on aluminum oxide. The results of ceramic spheres tests under the influence of pressures corresponding to the work of deep-water apparatus at different depths are presented. The analysis of the strength evaluation of ceramic macrospheres is given, which is necessary to assess their performance efficiency.
Natalia E. Shchegoleva – candidate of technical sciences, head of sector NRC of “Kurchatov Institute” – VIAM, Moscow, Russia. E-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..
Artem A. Kachaev – head of sector NRC of “Kurchatov Institute” – VIAM, Moscow, Russia. E-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..
Yulia E. Lebedeva – candidate of technical sciences, deputy head of the laboratory for science of NRC “Kurchatov Institute” – VIAM, Moscow, Russia. E-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..
Ivan O. Belyachenkov – Supervising foreman of NRC “Kurchatov Institute” – VIAM, Moscow, Russia. E-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..
Anna S. Chainikova – candidate of technical sciences, head of research and development department of NRC “Kurchatov Institute” – VIAM, Moscow, Russia. E-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..
1. Каблов Е. Н. Материалы нового поколения – основа инноваций, технологического лидерства и на-циональной безопасности России // Интеллект и технологии. 2016. № 2(14). С. 16 – 21.
2. Каблов Е. Н. Роль фундаментальных исследований при создании материалов нового поколения // Сб. тез. ХХI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии: в 6 т. СПб., 2019. С. 24.
3. Гращенков Д. В. Стратегия развития неметал-лических материалов, металлических композиционных материалов и теплозащиты // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 264 – 271. DOI: 10.8577/2071-9140-2017-0-S-264-271.
4. Каблов Е. Н., Чайникова А. С., Щеголева Н. Е. и др. Синтез, структура и свойства алюмосиликатной стеклокерамики, модифицированной оксидом циркония // Неорганические материалы. 2020. Т. 56, № 10. С. 1123 – 1129.
5. Bo Jiang, Gurdial Blugan, Philip N. Sturzenegger, et al. Ceramic Spheres – a Novel Solution to Deep Sea Buoyancy Modules // Materials. 2016. No. 5. P. 1 – 13.
6. Steve Weston, Jerry Stachiw, Ray Merewether, et al. Alumina ceramic 3.6 in flotation spheres for 11 km ROV/AUV systems // Oceans. 2005. No. 1. P. 172 – 177.
7. Amos S. E., Yalcin B. Hollow Glass Microspheres for Plastics, Elastomers and Adhesives Compounds. Oxford, UK: Elsevier Science, 2015. P. 147 – 170.
8. Halkyard J., Anderson M. R. Hollow Glass Microspheres: An Option for Dual Gradient Drilling and Deep Ocean Mining Lift // Proc. of the Offshore Technology Conference Asia, Kuala Lumpur, Malaysia. 25–28 March 2014. Kuala Lumpur, 2014.
9. 3M™ Glass Bubbles for Buoyancy and Thermal Insulation / 3M Oil and Gas Customer Center: Maplewood, MN, USA, 2015.
10. Maelenn Le Gall, Dominique Choqueuse, Pierre-Yves Le Gac, et al. Novel mechanical characterization method for deep sea buoyancy material under hydrostatic pressure // Polymer Testing. 2014. No. 39. P. 36 – 44.
11. Горынин И. В., Николаев Г. И. Создание и совершенствование полимерных композиционных материалов в подводном кораблестроении // Роль российской науки в создании отечественного подводного флота / под общ. ред. А. А. Саркисова; РАН. М.: Наука, 2008. С. 312 – 320.
12. Лебедева Ю. Е., Щеголева Н. Е., Воронов В. А., Солнцев С. С. Керамические материалы на основе оксидов алюминия и циркония, полученные золь-гель методом // Тр. ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2021. № 4. Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 22.11.2021 г.). DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-4-61-73.
13. Бабашов В. Г., Максимов В. Г., Варрик Н. М., Самородова О. Н. Изучение структуры и свойств кера-мических композиционных материалов на основе мул-лита // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 1. С. 54 – 63. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-54-63.
14. Alex Kikeri Vaskov. Technological Review of Deep Ocean Manned Submersibles / Massachusetts Institute of Technology, 2012. 65 p.
15. Erkalfa H., Misirli Z. Densification of alumina at 1250 °C with MnO2 and TiO2 additives / Ceram. Int. 1995. No. 21. P. 345 – 348.
16. Erkalfa H., Misirli Z. The effect of TiO2 and MnO2 on densification and microstructural development of alumina // Ceram. Int. 1998. No. 24. P. 81 – 90.
17. Christian Augustin, Wolfgang Hungerbach. Production of hollow spheres (HS) and hollow sphere structures (HSS) // Materials Letters. 2009. No. 63. P. 1109 – 1112.
18. Xiaolong Zhang, Miaolin Feng, Min Zhao, et al. Failure of silicon nitride ceramic flotation spheres at critical state of implosion // Applied Ocean Research. 2020. No. 97. P. 1 – 10.
19. HROV Nereus / WHOI, 2014. URL: https://web. whoi.edu/hades/nereus/
20. Deep-sea Diver / WHOI, 2013. URL: https://www. whoi.edu/multimedia/deep-sea-diver/
21. Cressey D. Submersible loss hits research // Na-ture. 2014. No. 509. P. 408–409.
22. Cressey D. Ocean-diving robot Nereus will not be replaced // Nature. 2015. No. 528. P. 176–177.
23. Yusuke Yano, Shinichi Takagawa. Study on spherical pressure vessel of ceramics for deep-sea buoyancy module applications // Proc. of the OCEANS 2004. MTTS/IEEE, Kobe, Japan, 9 – 12 November 2004. Kobe, 2004. P. 1554 – 1559.
24. Беляченков И. О., Щеголева Н. Е., Чайникова А. С. и др. Влияние спекающих и модифицирующих добавок на процесс спекания и свойства нитридо-кремниевой керамики // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 1. С. 70 – 78. DOI: 10.18577/ 2071-9140-2020-0-1-70-78.
25. Ефремова Г. И., Рябов В. М. Методы расчета и анализ результатов испытаний на действие внешнего давления сферических оболочек из алюмооксидной керамики. Критерии эффективности // Тр. Центрального научно-исследовательского института им. акад. А. Н. Крылова. 2014. № 83. С. 165 – 182.
26. George E. D. ASM Handbook: Materials Selection and Design; ASM International: Materials Park, OH, USA. 1997. Р. 231 – 255.
27. Афонько А. А., Ефремова Г. И., Зайцев Г. П. и др. Анализ свойств высокопрочной керамики применительно к созданию тонкостенных сфер. Возможные технологии. Оценка перспектив применения к глубоководной технике // Тр. Центрального научно-исследова-тельского института им. акад. А. Н. Крылова. 2014. № 83. С. 155 – 164.
28. Лавров А. В., Яковлев Н. О., Ерасов В. С. К вопросу разрушения керамики при воздействии высокоскоростного индентора // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 2. С. 88 – 94. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-2-88-94.
29. Пат. 2015611005. Рос. Федерация. Автоматизированный расчет прочности и несущей способности тонкостенных керамических сфер с учетом их фактической кривизны / Д. В. Линёв, В. Э. Тютюков. № 2014662249; заявл. 01.12.2014; опубл. 20.02.2015.
The article can be purchased
electronic!
PDF format
500 руб
DOI: 10.14489/glc.2022.10.pp.011-023
Article type:
Research Article
Make a request
