Влияние концентрации наночастиц на физико-механические свойства высококонцентрированной кварцевой суспензии – отливок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние концентрации наночастиц на физико-механические свойства высококонцентрированной кварцевой суспензии - отливок

Золотов М.С., к.т.н., профессор, Рапина Т.В., аспирант

Харьковская национальная академия городского хозяйства, г. Харьков

Рассмотрено влияние концентрации наночастиц на физико-механические свойства ВКС - отливок. Установлено, что характер данных зависимостей является экстремальным. В целом наличие оптимального количества наночастиц оказывает комплексное положительное влияние на основные эксплуатационные характеристики ВКС - отливок.

наноразмерный кварцевый суспензия вяжущий

В последнее время, в связи с углублением знаний о строении и функционировании природных объектов на молекулярном уровне, наметилась тенденция разработки общетеоретического подхода к получению и использованию искусственных материалов с наноразмерной структурой. В связи с тем, что в интервале наноразмеров задаются основные характеристики веществ, явлений и процессов, нанотехнологический подход позволяет целенаправленно регулировать свойства объектов на молекулярном уровне, определяющем их фундаментальные параметры. Поэтому актуальным является разработка физико-химических и технологических принципов создания строительных материалов на основе нанотехнологического подхода путем направленного формирования структуры, оптимизации физико-химических основ технологии производства и проектирования оптимальных технологических процессов [1, 2]. В основе создания таких технологий лежит принцип формирования структуры материалов с использованием в качестве вяжущего компонента высококонцентрированной кварцевой суспензии (ВКС). Несмотря на огромные запасы кварцевого песка почти во всех регионах страны применение ВКС в промышленности строительных материалов (в отличие от технологии огнеупоров) является недостаточным [3-6]. Поэтому применение нанотехнологий для улучшения свойств ВКС является важной задачей.

Анализ работ по данной проблеме свидетельствует, что использование нанотехнологий позволяет направленно регулировать структуру композиционных материалов в процессе их изготовления. Однако использование нанообъектов в существующих технологиях сопряжено с технологическими трудностями, заключающимися в следующем. По мере достижения частицами размеров, близких к наноуровню, значительно снижается плотность их упаковки, получение плотного материала сопровождается большими усадками (50-60 % по объему). В целом наличие в ВКС наночастиц оказывает комплексное влияние на эксплуатационные характеристики ВКС - отливок. Изучение характера этого влияния является предметом исследований данной работы.

Эксплуатационные характеристики ВКС - отливок определяются их основными физико-механическими свойствами, такими как плотность, пористость и прочность [7]. Далее рассмотрены зависимости этих свойств от концентрации наночастиц, полученные в результате проведения эксперимента по получению ВКС.

Объемная масса

Характер зависимости описывается экспериментально-статистической (ЭС) моделью (Radj = 0,93, se = 17,66; где Radj - коэффициент корреляции, se - среднеквадратичная ошибка).

отл = 1676,51 + 482,943cн - 189,17cн2, (кг/м3),

где сн - концентрация наночастиц в ВКС.

Рис 1. Зависимость объемной массы ВКС-отливки от концентрации наночастиц

Зависимость объемной массы от концентрации наночастиц является экстремальной (рис. 1). Это объясняется тем, что в области малой концентрации наночастиц характерна повышенная вязкость суспензии, поэтому при формовании отливки не обеспечивается достаточная для максимально плотной упаковки подвижность системы. Дальнейшее увеличение сн сопровождается уменьшением вязкости суспензии за счет, по всей видимости, своеобразного “смазывающего” действия наночастиц, что позволяет достигнуть максимальной плотности в исследуемой области. После достижения экстремума с последующим увеличением сн наблюдается переизбыток наночастиц, что отрицательно влияет на вязкость, вызывая ее повышение, сопровождающееся соответственно снижением объемной массы отливки.

Пористость.

Характер зависимости описывается ЭС - моделью (Radj = 0,95, se = 0,63).

П = 38,7468 - 20,3616cн + 7,8408cн2, (%).

Зависимость пористости от концентрации наночастиц аналогична зависимости для объемной массы, только имеет противоположное направление (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость пористости ВКС-отливки от концентрации наночастиц

Предел прочности на сжатие.

Характер зависимости описывается ЭС - моделью (Radj = 0,96, se = 0,79).

сж = 0,4469 + 29,8003cн - 11,7807cн2, (МПа).

Характер зависимости предела прочности на сжатие от сн также является экстремальным (рис. 3). Согласно данной зависимости существует оптимальная концентрация наночастиц, которой соответствует максимальный сж. До достижения снopt происходит накопление наночастиц в системе, что оказывает благоприятное воздействие как на плотность отливки, так и на ее прочность. Уменьшение сж при сн > снopt свидетельствует о перенасыщении системы наночастицами, вследствие чего общая плотность упаковки частиц падает, вызывая ухудшение прочностных характеристик материала.

Рис. 3. Зависимость предела прочности на сжатие ВКС-отливки от концентрации наночастиц

Предел прочности на растяжение.

Характер зависимости описывается ЭС - моделью (Radj = 0,98, se = 0,09).

р = 0,0521 + 4,3254cн - 1,6868cн2, (МПа).

График зависимости прочности на растяжение ВКС-отливок от концентрации наночастиц представлен на рис. 4.

Таким образом, установлено исключительное влияние концентрации наночастиц на основные свойства ВКС-отливок. В зависимости от сн показатели сж и р изменяются почти в 3 раза, объемная масса - с 1783 до 1996 кг/м3, пористость - с 25 до 33,5%. Причем все приведенные зависимости являются экстремальными, что позволяет предположить существование оптимальной концентрация наночастиц, при которой ВКС-отливки будут обладать наилучшими эксплуатационными характеристиками.

Рис 4. Зависимость предела прочности на растяжение ВКС-отливки от концентрации наночастиц

Целью дальнейших исследований является определение этой оптимальной концентрации и условий получения ВКС, которые будут обеспечивать наличие необходимого количества наночастиц в ВКС, что позволит получить материал с высокими эксплуатационными характеристиками.

Литература

1. Мелихов И.В. Тенденции развития нанохимии // Российский химический журнал. т.XLVI. - № 5. - 2002.

2. Кучерявченко Т.В. Помол исходного материала кварцевых суспензий // Материалы к 44-му международному семинару по моделированию и оптимизации композитов - МОК'44. - Одесса: Астропринт, 2005. - С. 149-150.

3. Золотов М.С., Рапина Т.В. Использование помольного оборудования для измельчения исходного продукта высококонцентрированных кварцевых суспензий // Науковий вiсник будiвництва № 37. - Харкiв: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2006. - С. 109-114.

4. Золотов М.С., Рапина Т.В., Лапшин А.С Влияние способа измельчения исходного материала на основные параметры получения кварцевых суспензий // Науковий вiсник будiвництва № 40. - Харкiв: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2007. - С. 100-107.

5. Кириленник В.П. Кремнебетон. - К.: Будівельник, 1975. - 248 с. 7. Пивинский Ю.Е. Керамические вяжущие и керамобетоны. - М.: Металлургия, 1990. - 269 с.

Размещено на Allbest.ru