CC BY
3Технология скважинной гидроразработки многолетнемерзлых грунтов достигла высокого уровня развития, позволяющего широко использовать ее для добычи россыпных полезных ископаемых и создания подземных резервуаров различного назначения. Остается актуальным разработка методики расчета устойчивых параметров подземных резервуаров, создаваемых в многолетнемерзлых грунтах, характеризующихся нестабильными физико-механическими свойствами. Пригодные для строительства подземных резервуаров отложения широко распространены в криолитозоне.
Список литературы
1. Аксютин О.Е., Казарян В.А., Ишков А.Г., Хлопцов В.Г., Теплов М.К., Хрулев А.С., Са-вич О.И., Сурин С.Д. Строительство и эксплуатация резервуаров в многолетнемерзлых осадочных породах. М.: Институт компьютерных исследований, 2013. 432 с.
2. Кузьмин Г.П. Подземное строительство в криолитозоне. Новосибирск: Наука, 2002. 176 с.
3. Кузьмин Г.П., Куваев В.А. Круглогодичное охлаждающее устройство на основе использования холодного наружного воздуха // Патент РФ № 2785027. 2022. Бюл. № 34.
4. Голодковская Г.А., Иванов В.М. О структурно-геологических принципах инженерно-геологического районирования территорий распространения многолетнемерзлых пород (на примере северо-западной окраины Сибирской платформы) // В кн. Мерзлотные исследования. Выпуск 10. М.: Издательство МГУ, 1970. С.137-152.
УДК 620.171.2:678.01
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-267-271
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТЕКЛО-И БАЗАЛЬТОПЛАСТИКОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
СЕВЕРА
Лукачевская И.Г.1, Кычкин А.К2, ЛебедевМ.П2, Мараховский П.С3 'Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск 2Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр СО РАН», г. Якутск 3 НИЦ «Курчатовский институт - ВИАМ», г. Москва E-mail: [email protected]
Аннотация. По результатам выполненных на динамическом механическом анализаторе измерений установлено, что стеклопластик подвержен большему разрушению под воздействием очень холодного климата, чем базальтопластик. В развитии деструктивных процессов в зависимости от длительности воздействия климатических факторов значительную роль играют внутренние напряжения, вызванные неодинаковым термическим расширением компонентов и изменениями термомеханических характеристик солнечных и теневых сторон материалов, связанной набуханием полимерной матрицы вследствие поглощения атмосферной влаги, а также суточными и сезонными перепадами температуры с переходом через «0». В отличие от базальтопластика, где на начальной стадии экспозиции проявляется исключительно доотверждение материала, у материала на основе стеклянного наполнителя проявляется уменьшение более чем на 50% модуля накопления и более чем в 2,5 раза модуля потерь. Изменение динамического модуля упругости у базальтопластика после экспозиции в течение 4 лет составляет не более 30%.
Ключевые слова: базальтопластик, стеклопластик, эпоксидное связующее, климатическая стойкость, деструкция, температура стеклования.
Температура стеклования полимерной матрицы является одним из чувствительных показателей климатического старения полимерных композиционных материалов (ПКМ). В целях определения данного показателя широко используются методы динамического механического анализа (ДМА) [1].
Определение температуры стеклования проводилось методом ДМА на приборе DMA 242 C фирмы «Netzsch». Для испытания образцов применялся держатель трехточечного изгиба с длиной
пролета между опорами 40 мм. Испытания проводились по ГОСТ Р 56753-2015 (Метод В) в диапазоне температур от 25 до 150°С со скоростью нагрева 5 °С/мин, амплитудой 10 мкм, частотой 1 Гц в среде аргона (расход газа 50 мл/мин.). В целях оценки структурных изменений, при проведении термомеханического анализа, образцы базальтопластика (БП) и стеклопластика (СП) были разделены на солнечную и теневую стороны. Для оценки величины термических напряжений, накапливаемых при отверждении, был проведен повторный нагрев образцов.
В таблицах 1-4 приведены значения характеристических температур образцов базальтопластика и стеклопластика после первичного и вторичного нагревов.
Таблица 1 - Результаты испытания образцов базальтопластика после первичного нагрева
Наименование показателя Маркировка образов
БП исх. БП 2 года БП 4 года
БП11 БП12 БП2С БП2Т БП4С БП4Т
Экстраполированное значение начала перехода на кривой модуля упругости - Тоше^ (°С) 86 86 95 96 96 93
Точка перегиба - Тй, (°С) 98 102 104 105 105 102
Экстраполированное окончание перехода на кривой модуля упругости, (°С) 107 111 114 112 114 110
Пик на кривой тангенса - Т^, (°С) 106 107 114 112 112 109
Пик на кривой модуля потерь - Тк^, (°С) 98 100 104 106 106 102
Толщина, мм 3,67 2,10 2,43 3,50 3,85 2,55
Вес образца до испытания, г 2,912 1,589 1,871 2,691 2,901 1,944
Вес образца после испытания, г 2,908 1,587 1,869 2,689 2,898 1,942
Процент потери веса, % 0,138 0,126 0,107 0,074 0,104 0,103
Таблица 2 - Результаты испытания образцов базальтопластика после повторного нагрева
Наименование показателя М аркировка образов
БП исх. БП 2 года БП 4 года
БП11 БП12 БП2С БП2Т БП4С БП4Т
Экстраполированное значение начала перехода на кривой модуля упругости - Тоше^ (°С) 85 87 85 92 92 89
Точка перегиба - Тй, (°С) 96 100 99 103 104 101
Экстраполированное окончание перехода на кривой модуля упругости, (°С) 107 110 109 114 113 112
Пик на кривой тангенса - Т^, (°С) 103 106 105 110 110 107
Пик на кривой модуля потерь - Тк^, (°С) 94 96 97 101 102 100
Таблица 3 - Результаты испытания образцов стеклопластика после первичного нагрева
Наименование показателя М аркировка образов
СП исх. СП 2 года СП 4 года
СП11 СП12 СП2С СП2Т СП4С СП4Т
Экстраполированное значение начала перехода на кривой модуля упругости - Тоше^ (°С) 90 84 98 99 102 92
Точка перегиба - Тй, (°С) 101 100 106 110 108 104
Экстраполированное окончание перехода на кривой модуля упругости, (°С) 110 111 116 117 115 114
Пик на кривой тангенса - Т^, (°С) 106 103 108 111 109 109
Пик на кривой модуля потерь - Тк^, (°С) 102 99 104 107 106 105
Толщина, мм 3,30 2,21 2,27 3,48 3,05 2,87
Вес образца до испытания, г 3,021 1,776 1,900 2,996 2,500 2,203
Вес образца после испытания, г 3,020 1,775 1,898 2,991 2,493 2,200
Процент потери веса, % 0,033 0,056 0,105 0,167 0,281 0,136
Таблица 4 - Результаты испытания образцов стеклопластика после повторного нагрева
Наименование показателя Маркировка образов
СП исх. СП 2 года СП 4 года
СП11 СП12 СП2С СП2Т СП4С СП4Т
Экстраполированное значение начала перехода на кривой модуля упругости - Тоше^ (°С) 86 83 92 94 91 91
Точка перегиба - Тg, (°С) 98 97 102 108 104 104
Экстраполированное окончание перехода на кривой модуля упругости, (°С) 108 108 111 117 113 114
Пик на кривой тангенса - (°С) 102 101 105 110 108 109
Пик на кривой модуля потерь - Тк^, (°С) 97 96 102 105 103 105
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Температура /°С
Рисунок 1 - ДМА диаграмма образцов БП в исходном состоянии после первичного и повторного нагрева
Как видно из графика (рис. 1), повторный нагрев материала выше верхней границы температуры расстекловывания приводит к частичной деструкции материала и снижению модуля упругости и температуры стеклования.
Результаты ДМА показывают, что на начальном этапе экспозиции в слоях БП происходит отверждение полимерной матрицы, что сопровождается смещением пика модуля потерь в сторону более высоких температур, в сравнении с исходным пластиком. На 4-м годе экспозиции матрица в полимерном материале структурируется, что подтверждается сужением температурного диапазона расстеклования материала. При этом на освещенной поверхности напряжения релаксируют, а на теневой - накапливаются, что сопровождается снижением интенсивности перехода на динамическом модуле потерь. В отличие от БП, где на начальной стадии экспозиции проявляется исключительно доотверждение материала, материал на основе стеклянного наполнителя проявляет как процесс доотверждения, так и процесс деструкции, что сопровождается уменьшением более чем на 50 % модуля накопления и более чем в 2,5 раза модуля потерь. Кроме того, характеристика последнего претерпевает изменение в виде раздвоения пика, отражающее деструкцию материала. Изменение динамического модуля упругости у БП после экспозиции в течение 4 лет составляет не более 30 %, что свидетельствует о климатической стойкости БП, СП больше подвержен изменению физико-механических свойств под воздействием солнечного излучения.
На рисунке 2 графически представлено изменение температуры стеклования в исходном состоянии и после этапов климатических испытаний.
Рисунок 2 - Температура стеклования образцов базальтопластика и стеклопластика в исходном состоянии, после экспозиции в течение 2 и 4 лет
Полученный результат подтверждает формирование внутренних напряжений в материале и его рост от продолжительности климатического воздействия. Рост амплитуды внутренних напряжений проявляется в существенной разнице температур стеклования лицевой (солнечной) и оборотной (теневой) сторон образцов.
Измерения среднего коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР) проводились на термомеханическом анализаторе ТМА 202 С фирмы NETZSCH со скоростью нагрева 5 К/мин в среде гелия с расходом продувки 70 мл/мин с нагрузкой на образец 3 сН. Результаты измерения среднего КЛТР в диапазоне температур от 20 до Тг- приведены в таблице 5.
Таблица 5 - Значения среднего КЛТР образцов базальто- и стеклопластика
Температура Т, °С Средний КЛТР в диапазоне температур от 20 до Т, а10-6, 1/К
ЭДИ 0 БП исходный СП исходный БП 2 года СП 2 года БП 4 года СП 4 года
-60 54,8 12,4 11,2 11,9 12,1 11,0 12,5
0 58,1 13,4 12,4 13,0 13,3 12,1 14,1
50 61,9 14,4 13,1 13,8 14,3 13,0 15,3
100 69,5 14,5 7,1 12,4 12,3 10,2 14,9
130 74,3 15,5 5,2 13,0 11,4 9,5 14,9
Из таблицы 5 видно, что у образца БП исходного, значения КЛТР повышаются в зависимости от роста диапазона температуры измерений, а СП - идет к понижению. Также можно наблюдать общую тенденцию по уменьшению показателей КЛТР у БП после 2 и 4 лет экспонирования, а СП - к повышению. Данные тенденции сохраняются и не изменяются от диапазона температур измерений. В работе [2] исследован КЛТР базальтового ровинга РБ13, где было показано, что а данного волокна составляет 410-6 1/К при интервале температуры от 77 до 327°С. Среднее значение а у матрицы ЭДИ-0 равна 63,72 10-6 1/К. Такая существенная разница в коэффициентах а между армирующим наполнителем и матрицей влияет на образование внутренних напряжений в композите и способствует отслоению полимерной матрицы от армирующего материала при суточных и сезонных колебаниях температуры окружающей среды. Уменьшение значений КЛТР БП свидетельствует о релаксации напряжений, увеличение КЛТР СП отражает превалирование деструкционных процессов в материале.
По результатам выполненных ДМА измерений установлено, что в отличие от БП, где на начальной стадии экспозиции проявляется исключительно доотверждение материала, у материала на основе стеклянного наполнителя проявляется процесс деструкции, что сопровождается уменьшением более чем на 50% модуля накопления и более чем в 2,5 раза модуля потерь.
Кроме того, характеристика последнего претерпевает изменение в виде раздвоения пика, отражающее деструкцию материала. Изменение динамического модуля упругости у БП после экспозиции в течение 4 лет составляет не более 30%. Установлено формирование внутренних напряжений в материале и его рост от продолжительности климатического воздействия. Рост амплитуды внутренних напряжений проявляется в существенной разнице температур стеклования лицевой (солнечной) и оборотной (теневой) сторон образцов. При этом на освещенной поверхности напряжения релаксируют, а на теневой - накапливаются, что сопровождается снижением интенсивности перехода на динамическом модуле потерь.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FWRS-2024-0036 № 1023031300030-0-2.5.1 и FWRS-2024-0058 № 1023032800081-8-2.5.1;2.5.4;1.6.2).
Список литературы
1. ГОСТ Р 56753-2015. Пластмассы. Определение механических свойств при динамическом нагружении. Температура стеклования. М.: Стандартинформ, 2016. 11 с.
2. Старцев О. В., Литвинов А. А., Старцев В. О., Кротов А. С. Релаксация коэффициента линейного термического расширения базальтопластиков и их компонентов // Вестник Югорского государственного университета. 2009. № 2(13). С. 80-86.
УДК 549.21:553.411:553.541(211-17)(571.56) DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-271 -275
УГЛЕРОДНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ В ЗОЛОТОНОСНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ЧЕРНОСЛАНЦЕВЫХ ТОЛЩ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ЯКУТИИ
Москвитин С.Г., Москвитина Л.В. Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова, г. Якутск
E-mail: [email protected]
Аннотация. Проведено исследование углеродных образований в золотоносных месторождениях черно-сланцевых толщ Куларского района Якутии. Углеродные образования в россыпных месторождениях золота наблюдаются в виде оболочек редкоземельного минерала-куларита, Образцы исследовались на туннельном микроскопе NT-MDT Integra Spectra 2011. Методом рамановской спектроскопии показано, что оболочка редкоземельного минерала куларита из россыпных месторождений Куларского поднятия состоит из многослойных нанотрубок углерода. Наноуглеродные трубки, обладая высокими сорбцион-ными свойствами способствовали накоплению редкоземельных минералов в ассоциации с россыпным золотом. Показано, что внутренние слои нанотрубок имеют графеноподобную структуру. Проведенные исследования показали, что россыпные месторождения куларита нужно рассматривать не только как источник РЗМ, но и наноуглеродные материалы, применяемые в технике.
Ключевые слова: золото, графен, наноуглеродные трубки, рамановская спектроскопия, редкоземельные элементы, куларит, монацит.
После того как в лабораториях мира были получены различные модификации углерода в виде графена, фуллерена ученые стали находить их в природе. Так был исследован минерал шунгит в Карелии (Россия). Показано, что шунгитовый углерод представляет собой окаменевшее вещество органических донных отложений высокого уровня карбонизации углерода с содержанием фуллереноподобных регулярных структур от 0,0001 до 0,001 мас. %. Известны сорбционные свойства фуллеренов [1, 2]. С этой точки зрения актуально исследование минералов в золотоносных месторождениях черносланцевых толщ Арктической зоны Якутии.
