книги / 639

Рис. 2. Изменение предела прочности (σ) КМ при повышенных температурах: 1 – Derakane 411+ТР-0,25; 2 – Derakane 470+стекломат

Сырьем для производства минеральных вяжущих являются различные горные породы и некоторые побочные продукты металлургической, энергетической, химической и других отраслей промышленности. Наибольший интерес представляет жидкое стекло, так как является экологически чистым, нетоксичным, пожаробезопасным, дешевым и доступным сырьем, обладающим регулируемыми плотностью и силикатным модулем, а также позволяющим использовать его в технологии, по которой получают КМ на основе полимерных материалов.

В рамках исследовательской программы было изготовлено шесть видов образцов на основе жидкого стекла (натриевого) с разным армирующим материалом.

Образцы на основе жидкого стекла и стекломата, используемого в качестве армирующего материала, были подвергнуты испытаниям на определение показателей пожарной опасности по ГОСТ 30244-94. Испытания проводились на метрологически аттестованном оборудовании: установка для определения группы горючести строительных материалов «Шахтная печь». Образцы закреплялись вертикально в держателе и подвергались воздействию заданной температуры внутри печи не менее 30 минут. В процессе проведения испытаний регистрировались следующие показатели: изменение температуры в печи; про-

81

должительность устойчивого пламенного горения и потери массы образцов после проведения испытаний. В результате испытаний при воздействии высокой температуры образцы сохранили свою форму и были признаны негорючими, т.е. имеющими категорию пожарной безопасности НГ.

Пять видов образцов было исследовано на определение деформационных характеристик при нормальной температуре, 20 °С:

Образец № 1 – жидкое стекло с ОПВ (остаток после выщелачива-

ния);

Образец № 2 – жидкое стекло с песком; Образец № 3 – жидкое стекло с купершлаком;

Образец № 4 – стекломат, пропитанный жидким стеклом; Образец № 5 – ткань базальтовая, пропитанная жидким стеклом. Испытания образцов № 1–3 проводились на электромеханиче-

ской испытательной машине Instron 5882 в Центре экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета, которая используется для статических испытаний широкой гаммы материалов на растяжение-сжатие, а также на трехточечный и четырехточечный изгиб. Образцы № 4–5 испытывались на четырехточечный изгиб на оборудовании ОАО «УНИИКМ».

В результате испытаний были определены модуль упругости и предел прочности данных образцов (табл. 1). Из табл. 1 видно, что модуль упругости и предел прочности изотропных материалов (образцов № 1–3) выше, чем анизотропных (образцов № 4–5), но данные материалы могут быть применены в основном в строительных работах, а для изготовления сложного оборудования методом намотки, формования (с использованием армирующего наполнителя) преемственной является технология изготовления ПКМ, по которой получены образцы № 4–5. На основе образцов № 4–5 были проведены испытания при повышенных температурах, в ходе которых было испытано 2 группы образцов на четырехточечный изгиб: первая группа – в качестве армирующего материала применялся стекломат, вторая группа – армирующий материал базальтовая рогожа. Изменение деформационных характеристик при повышенных температурах показано на рис. 3 и 4. Так, в интервале температур 20–100 °С происходит падение модуля упругости и предела прочности образцов на основе жидкого стекла со стекломатом в среднем в 2,86 раза, которое сокращается до 2,6 раз в интервале температур 100–700 °С.

82

Рис. 3. Изменение предела прочности (σ) КМ на основе жидкого стекла при повышенных температурах: (армирующий материал: 3 – стекломат, 4 – базальтовая рогожа)

Рис. 4. Изменение модуля упругости (Е) КМ на основе жидкого стекла при повышенных температурах (армирующий материал: 3 – стекломат, 4 – базальтовая рогожа)

83

Для образцов же на основе жидкого стекла и базальтовой рогожи изменение значений модуля упругости и предела прочности разное: в интервале температур 20–100 °С происходит падение модуля упругости в 4,7 раза, а предела прочности – в 2 раза; в интервале температур 100–700 °С падение сокращается до 0,95 и 1,17 раз соответственно. Значения модуля упругости и предела прочности данных образцов, полученные при испытании, отражены в табл. 2.

Таблица 1

Деформационные характеристики образцов на основе жидкого стекла

Таблица 2

Деформационные характеристики образцов при повышенных температурах*

*Ширина испытываемых образцов 28–30мм.

Ширина образца существенно влияет на результат испытаний. Так, образцы шириной 20 мм занижают результат испытаний (фактический модуль упругости Е) для анизотропного материала в среднем на 35 %, это вызвано влиянием «эффекта перерезанных нитей», поэтому значение модуля упругости испытанных образцов будут выше в среднем на 35 % (табл. 3).

84

Таблица 3

Деформационные характеристики образцов при повышенных температурах с учетом влияния «эффекта перерезанных нитей»

Образцы на основе жидкого стекла демонстрируют более стабильные показатели деформационных характеристик при повышенных температурах, чем образцы на полимерной основе. Так, например, для образцов на основе смол Derakane в интервале температур 20–150 °С падение модуля упругости происходит в среднем в 9,3 раза, для образцов же на основе жидкого стекла в интервале температур 20–100 °С – в 3,8 раза, а в интервале 100–700 °С падение сокращается в среднем до 1,85 раз; падение предела прочности происходит в среднем в 6,1 раза для образцов на основе смол Derakane, а для образцов на основе жидкого стекла в 2,44 с сокращением до 1,83 раза в данных интервалах температур соответственно.

Таким образом, КМ на основе жидкого стекла в интервале температур 100–700 °С, имея невысокие, но стабильные деформационные характеристики, остаются работоспособными, поэтому являются перспективными материалами, позволяющими получать на традиционном для ПКМ оборудовании материал негорючий, экологически чистый, химстойкий (кроме HF), с высокой теплостойкостью (до 700 °С), а также конкурентноспособный.

Библиографический список

1.Айлер Р. Химия кремнезема: пер. с англ. – Ч.1. – М.: Мир, 1982 –

416 с.

2.Бородина И.А. Технология и физико-химические свойства композиционных материалов на основе природных силикатов и ненасыщенных полиэфирных смол: автореф. дис. … канд. техн. наук. –

Томск, 2005. – 20 с.

3.Корнеев В.И., Данилов В.В. Растворимое и жидкое стекло. – СПб.: Стройиздат, 1996. – 216 с.

85

4.Лебедева Т.А. Ячеистые стеновые материалы на основе минерализованных пен из жидкого стекла: автореф. дис. … канд. техн. наук. –

Томск, 2004. – 27 с.

5.Скорина Т.В. Структурообразование в композициях на основе растворимых силикатов щелочных металлов: автореф. дис. … канд.

техн. наук. – М., 2010. – 19 с.

6.Старовойтова И.А. Гибридные органо-неорганические связующие, полученные по золь-гель технологии, и их практическое использование в композиционных материалах // Известия КазГАСУ. – 2010. – №2 (14). – С. 273–277.

References

1.Ailer R. Silica chemistry [Khimiya kremnezema] English translation. Vol. 1. M.: Mir, 1982. 416 p.

2.Borodina I.A. Technology and physical and mechanical properties of composite materials based on the native silicate and nonsaturated polyester resin. [Tehnologiya i fiziko-himicheskie svoistva kompozicionnih materialov na osnove prirodnih silikatov i nenasischenih poliefirnih smol.] // PhD thesis. Technical science applicant. Tomsk, 2005. 20 p.

3.Korneyev V.I., Danilov V.V. Soluble and liquid glass [Rastvorimoe

izhidkoe steklo]. SPb: Stroyizdad, 1996. 216 p.

4.Lebedeva T.A. Cellular walling based on mineralized liquid glass foam [Yacheistie ctenovie materiali na osnove mineralizovannih pen iz zhidkogo stekla] // Abstract of a thesis. Technical science applicant. Tomsk, 2004. 27 p.

5.Skorina T.V. Structure formation in composite based on soluble silicate of alkaline metal. [Strukturoobrazovanie v kompoziciyah na osnove rastvorimih silikatov schelochnih metallov] // Abstract of a thesis. Technical science applicant. M., 2010. 19 p.

6.Starovoitova I.A. Hybrid organomineral binding agents obtained by sol-gel method and practical one's use in composite materials. [Gibridnie organo-neorganicheskie svyazyuschie, poluchennie po zol-gel tehnologii i ih prakticheskoe ispolzovanie v kompozitsionnih materialah] // Izvestiya KazGASU. 2010. №2 (14). P. 273–277.

86

Об авторах

Карпова Татьяна Владимировна (Пермь, Россия) – инженер-

технолог I категории ООО «Научно-производственное предприятие „Возрождение“» (614000, г. Пермь, ул. Петропавловская, 15, e-mail: karpova_tv@list.ru).

About the authors

Karpova Tatyana Vladimirovna (Perm, Russia) – Engineer – technologist I cat. Scientific productionenterprise Vozrozhdenie Ltd (614000 str. Peter And Paul 15, Perm city, Russia, e-mail: karpova_tv@list.ru).

Получено 28.10.2011

87

УДК 536.46+531

А.Г. Князева

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Россия

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ФРОНТА ТВЕРДОФАЗНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ К ДВУМЕРНЫМ ВОЗМУЩЕНИЯМ

Представлен краткий обзор связанных моделей твердофазных превращений в деформируемых средах. Сформулирована проблема устойчивости волн горения в твердой фазе для ситуаций, реализуемых при соединении материалов и термической обработке материала с покрытием. Задача об устойчивости фронта горения к двумерным возмущениям для плоской деформации исследована с использованием метода малых возмущений и в приближении узкой реакционной зоны. Представлены итоговые уравнения, позволяющие определять область устойчивых режимов превращения при варьировании физических параметров модели. Проанализированы частные варианты модели, разрешаемые аналитически точно.

Ключевые слова: твердофазные превращения, технологические процессы, связанные модели термомеханики, автомодельное решение, горение, детонация, устойчивость волн.

A.G. Knyazeva

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, Russia

National Research Tomsk Polytechnical University, Tomsk, Russia

THERMOMECHANICALSTABILITY

OF SOLID PHASE CONVERSION FRONT

TO TWO DIMENSOINAL PERTURBATIONS

The paper briefly reviews coupled models of solid phase transformations in deformed media. The problem of combustion wave stability in the solid phase is formulated for situations occurring at joining of materials and thermal treatment of a material with coating. The problem of combustion front stability to two-dimensional perturbations is studied with the method of small perturbations and in the approximation of a narrow reaction zone for plane strain and for plane stressed state. Overall equations that allow defining the domain of steady-state transformation modes at varying physical parameters of the model are given. Particular variants of the model solved analytically exactly are analyzed.

Key words: solid phase transformations, technological processes, coupled models of thermomechanics, self-similar solution, combustion, detonation, wave stability.

88

Введение

Многие современные технологии получения, соединения и поверхностной обработки материалов сопровождаются многочисленными физико-химическими превращениями, в том числе экзотермическими и эндотермическими. Например, в термитной сварке непосредственно используется энергия химических реакций для обеспечения формирования шва. Более того, формирование сварного шва и зоны термического влияния в различных технологиях сварки связано непосредственно с протеканием физико-химических процессов в конденсированной фазе. В процессе кислородной резки тепловыделение в химической реакции окисления обеспечивает формирование края реза и удаление металла. При нанесении покрытий плазменными методами и / или с использованием электронно-лучевого нагрева часто используются экзотермические составы: тепловыделение в реакции обеспечивает дополнительный прогрев и устойчивость процесса формирования структуры. В свою очередь, известно, что режим превращения зависит от подвижности среды. Наличие этой зависимости привело, например, к появлению двух теорий горения – тепловой и гидродинамической. Согласно тепловой теории горения появление различных режимов превращения может быть обусловлено наличием параллельных и последовательных стадий химического превращения, фазовых переходов, теплоотдачи в окружающую среду, т.е. с дополнительными источниками и стоками тепла. В гидродинамической теории режимы превращения зависят от характера течения – ламинарного или турбулентного. В твердой фазе картина обратных связей между разными процессами более сложна, чем в жидкостях и газах. Так как физические причины появления различных скоростей протекания превращений в конденсированной фазе непосредственно связаны со взаимодействием различных процессов, например химических и механических, теплофизических и диффузионных, следует ожидать в твердой фазе и большего разнообразия режимов превращения, чем в газах и жидкостях. Скорость распространения фронта превращений зависит от скоростей всех физический стадий. В зависимости от условий инициирования ведущую роль могут играть разные процессы, приводя к появлению принципиально разных режимов превращения. Для деформируемых сред важную роль в химических превращениях играют механические процессы: напряжения могут влиять на скорость реакции как прямо, так и косвенно,

89

благодаря наличию обратных связей и приводя к появлению режимов превращения с различными скоростями. Напряжения и деформации сопровождают реакции, протекающие с участием твердых веществ, на разных структурных уровнях [1], начиная со стадии образования зародышей, их слияния и образования фронта реакции и заканчивая формированием структуры конечного продукта далеко за фронтом превращения. Описание химических превращений, которые могут распространяться с различными скоростями, возможно с единых позиций на основе связанных моделей термомеханики. А для описания и объяснения закономерностей, наблюдаемых в разных технологиях, весьма полезен опыт, накопленный в теории технологического горения [2].

В [3–5] показано, что в связанной модели реализуются два принципиально различных режима распространения фронта реакции. Медленный режим превращения в твердой фазе обеспечивается распространением тепла теплопроводностью. Режим быстрого превращения, в котором энергия переносится волной механических возмущений, есть такое же свойство химически реагирующей среды, как и режим медленного горения. По всем признакам этот режим можно назвать твердофазной детонацией. Анализ свойств нелинейных волн в твердых средах представляет интерес для различных областей, смежных с механикой сплошной среды. А исследование устойчивости таких волн интересно и для изучения технологических процессов и их стадий. Впервые вопрос об устойчивости волн твердофазного превращения к механическим возмущениям поставлен в [6].

Цель настоящей работы заключается в исследовании устойчивости стационарных волн превращения в термоупругой деформируемой среде к двумерным возмущениям.

1. Предварительные пояснения

Твердофазное горение можно определить как самоподдерживающееся послойное распространение реакции в твердой фазе [2, 7].

С точки зрения классической тепловой теории горения задачи о формировании шва и покрытия в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в простейшем приближении могут быть сформулированы одинаково. В первом случае (рис. 1, а) для обеспечения плоского фронта достаточно предположить, что инициирование реакции осуществляется в результате однородного нагрева об-

90