Отправить статью по E-mail Развитие содержания профессиональных дисциплин на основе трансфера результатов научных исследований в области нанотехнологий
- Авторы: Варнашев В.В., Сухоруков А.К.
- Выпуск: Том 4, № 10 (2016)
- Раздел: Статьи
- Статья получена: 17.03.2025
- Статья одобрена: 17.03.2025
- URL: https://ogarev-online.ru/2311-2468/article/view/283809
- ID: 283809
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В статье обоснована необходимость боле широкой интеграции научно- исследовательской деятельности вузов и оказываемых им образовательных услуг, показана особая важность включения в содержание обучения по приоритетным направлениям подготовки достижений в области наноиндустрии. Рассматривается возможность использования в учебном процессе передовых разработок по функционализации углеродных наноматериалов. Выявляется влияние педагогических инноваций, связанных с научными разработками в нанотехнологиях, на результаты обучения.
Полный текст
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.
Рис. 3. Предел прочности в испытаниях на разрыв.
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.
Об авторах
В. В. Варнашев
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
А. К. Сухоруков
Автор, ответственный за переписку.
Email: ogarevonline@yandex.ru
Россия
Список литературы
- Ткачев А. Г., Шубин И. Н., Попов А. И. Промышленные технологии и инновации. Оборудование для наноиндустрии и технология его изготовления: учебное пособие. – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. – 132 с.
- Романенко А. В., Попов А. И. Особенности построения затратной модели управления качеством в наноиндустрии // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. – 2012. – № 4. – С.136–139.
- Blohin A. N., Kharitonov A. P., Simbirtseva G. V., Tkachev A. G., Dyachkova T. P., Maksimkin A. A., Chukov D. I. Reinforcement of epoxy resin composites with fluorinated carbon nanotubes // Composites Science and Technology. – 2015. – Vol.107. – pp.162–168.
- Блохин А. Н., Таров В. П., Толстых М. С. Влияние нанодисперсных частиц на прочностные свойства полимерных матриц // Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2012. – Т. 18. – № 3. – С. 737–741.
- Блохин А. Н. Влияние углеродных нанотрубок на электропроводность эпоксидной матрицы // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2012. – № 3(34). – С. 384–387.
- Блохин А. Н., Бураков А. Е., Иванова И. В., Колесникова Н. Ю., Ткачев А. Г. Многофункциональный углеродный наномодификатор «Таунит» // Строительные и дорожные машины. – 2010. – № 2. – С. 14–17.
- Блохин А. Н., Кобзев Д. Е., Комбарова П. В., Баронин Г. С., Хабаров С. Н., Воронин Н. В. Разработка структурно-технологической схемы процесса получения изделий из полимерных материалов обработкой давлением в твердой фазе // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2014. – № 3(53). – С. 227–232.
- Блохин А. Н., Ткачев А. Г., Харитонов А.П., Симбирцева Г.В., Харитонова Л.Н., Блохин А.Н., Дьячкова Т.П., Дружинина В.Н., Максимкин А.В., Чуков Д.И., Чердынцев В.В. Упрочнение эпоксидных материалов фторированными углеродными нанотрубками // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.science-education.ru/116-12620.
- Baronin G. S., Razinin A. K., Kombarova P. V., Kobzev D. E. Structural-mechanical and diffusion properties of PEHD nanocomposites exposed to the pressure treatment in a solid-state phase // Inorganic Materials: Applied Research. – 2011. – Vol. 2. – № 4. –pp. 344–348.
- Baronin G. S., Buznik V. M., Zavrazhin D. O., Kobzev D. E. Polytetrafluoroethylene- based nanocomposites with increased operational rates // Machines, technologies, materials. – Year VII. – Issue 11/2013. – pp. 3–4.
- Burakov A. E., Romantsova I.V., Kucherova A. E., Tkachev A. G. Modification of an Activated Carbon Pore Surface by Nanocarbon and Study of Its Adsorption Characteristics // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. – 2015. – Vol. 51. – No. 4. – pp. 505–509.
- Наумкин Н. И. Методическая система формирования у студентов технических вузов способностей к инновационной инженерной деятельности: монография / под ред. П. В. Сенина, Л. В. Масленниковой, Д. Я. Тамарчака. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. – 172 с.
- Ракитина Е. А., Попов А. И. Проблемы и перспективы использования интерактивных форм обучения в технических вузах // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2014. – № 1 (50). – С. 65–69.
- Попов А. И., Однолько В. Г., Букин А. А. Использование веб-квестов в процессе организации профессиональной творческой подготовки студентов по приоритетным направлениям // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2013. – № 4 (48). – С. 64–70.
- Романенко А. В., Пархоменко В. Л., Попов А. И. Постановка задачи оптимизации деятельности предприятия машиностроительного кластера // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2014. – № 3. – С. 168–171.
Дополнительные файлы
