CC BY
6УДК 699.812.2
УДК 699.866
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НОВОГО ВЫСОКОКРЕМНЕЗЁМИСТОГО НЕТОКСИЧНОГО МАТЕРИАЛА РАСШИРЕННОГО СПЕКТРА НАЗНАЧЕНИЯ
Рябинина Н.В.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Россия, Пермь, 614013, ул. Академика Королёва, 15) аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций аэрокосмического
факультета.
Шайдурова Г.И.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Россия, Пермь, 614013, ул. Академика Королёва, 15), профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций аэрокосмического
факультета, доктор технических наук, главный химик.
PHYSICAL AND MECHANICAL STUDIES OF A NEW HIGH-SILICA NON-TOXIC MATERIAL FOR AN EXTENDED SPECTRUM OF APPLICATIONS
N. V. Ryabinina
Perm National Research Polytechnic University (Russia, Perm, 614013, Akademika Koroleva str., 15) post-graduate student of the Department of Mechanics of Composite Materials
and Structures of the Aerospace Faculty.
G.I. Shaydurova Perm National Research Polytechnic University (Russia, Perm, 614013, Akademika Koroleva St., 15), Professor of the Department of Mechanics of Composite Materials and Structures of the Aerospace Faculty, Doctor of Technical Sciences, Chief Chemist.
АННОТАЦИЯ
Представлены испытания на прочность материала расширенного спектра назначения, который относится к технологии производств нетоксичных высококремнезёмистых теплоизоляционных и огнестойких материалов. Достижения научно-технического прогресса в области создания космических аппаратов, компьютерной техники, энергонагруженных производств характерны для современного мира, техника требует максимальной прочности, минимальной массы и высокой химической стойкости конструкционного материала. Именно этим требованиям в большей степени, чем традиционные (металлы), удовлетворяют композиционные материалы. Создание композиций с высоким содержанием кремния перспективно для создания нетоксичных материалов, огнестойких в течение длительного времени, что исключительно актуально в настоящее время для эксплуатации расширенного спектра назначения. Значительное место принадлежит кремнийсодержащим образованиям.
ABSTRACT
The paper presents strength tests of a material with an extended spectrum of purposes, which relates to the production technology of non-toxic high-silica heat-insulating and fire-resistant materials. Achievements of scientific and technological progress in the field of creating spacecraft, computer technology, energy-loaded industries are characteristic of the modern world, technology requires maximum strength, minimum weight and high chemical resistance of the structural material.
It is precisely these requirements that composite materials satisfy to a greater extent than traditional (metals). The creation of compositions with a high silicon content is promising for the creation of non-toxic materials that are fire resistant for a long time, which is extremely important at present for the operation of an extended range of purposes. A significant place belongs to silicon-containing formations.
Ключевые слова: огнестойкость, прочность, плотность, жидкое стекло.
Keywords: fire resistance, strength, density, liquid glass.
Введение
Среди большого разнообразия
теплоизоляционных изделий из органического сырья наибольший интерес представляют плиты древесноволокнистые, камышитовые,
фибролитовые, торфяные, пробковая
теплоизоляция натуральная, а также теплоизоляционные пенопласты. Плиты
древесноволокнистые применяют для тепло- и звукоизоляции ограждающих конструкций. К органическим теплоизоляционным изделиям и материалам также относятся: арболитовые изделия, пенополивинилхлорид, пенополиуретан, пеноизол теплоизоляционный, мипора, пенополистирол, полиэтилен вспененный, фибролит, сотопласты и ячеистые пластмассы. Применяемые современные
теплоизоляционные материалы в строительстве жилых и промышленных зданий, тепловых агрегатов и трубопроводов с целью минимизации тепловых потерь в окружающую среду должны обладать низкой теплопроводностью [1].
Применение теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить толщину и массу как стен, так и других ограждающих конструкций, снизить расход основных конструктивных материалов, уменьшить транспортные расходы и, соответственно, снизить стоимость строительства [2]. Наряду с этим, при сокращении потерь тепла отапливаемых сооружений, уменьшается расход топлива на его обогрев. Многие теплоизоляционные материалы из-за высокой пористости обладают способностью поглощать звук, что позволяет использовать их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом.
Цель исследования
Исследование направлено на создание новых импортозамещающих рецептурных составов с содержанием кремния на уровне 90% и получение результатов физико-химических превращений при высокотемпературном нагреве при
долговременной или экстремальной эксплуатации различных агрегатов и конструкций. На основе поставленной цели была сформулирована задача
исследования по разработке рецептурных составов с использованием кремнийсодержащих компонентов, которые в совокупности могут обеспечить максимальный эндоэффект.
Материал и методы исследования
Методы исследования представлены совокупностью химических, физико-химических, физических и механических способов испытаний, применяемых для контроля исходного сырья, материалов, промежуточных продуктов и готовой продукции.
Выбор метода исследования определяется потребностью производства и возможностями данного метода: необходимая чувствительность, быстрота выполнения испытаний,
производственные условия и возможности, стоимость проведения работ, оценка эффективности [3].
Оценку технологических, физико-механических и специальных свойств высококремнезёмистого материала проводили по стандартным методикам для гипс полимерных плит
[4].
Для проведения испытаний на прочность были подготовлены образцы, согласно ГОСТ 8462-85 (рисунок 1). Испытания проводились на прессе гидравлическом ПГМ-100МГ4.
Рис. 1. Образцы для проведения испытаний: А- на сжатие, Б- на растяжение и изгиб.
Результаты исследования и их обсуждение
Определение физико-механических и специальных свойств высококремнезёмистого материала проводили по ГОСТ Р 58527-2019.
Исследования прочности на растяжение проводилась на испытательной машине Метротест РЭМ 50.
Протокол испытаний на растяжение представлен на рисунке 2.
ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ Общие параметры испытания: Тип испытания Название группы Количество образцов Материал Тип сечении Примечание
Растяжение Испытание № 1012
2
ТР8-11
Прямоугольник
Параметры образца №1 Расчет пая длина, мм Площадь сечения, см2 Результаты испытания: Дата и время испытания Длительность испытания Максимальная нагрузка, кгс Максимальная деформация, мм Предел прочности, кгс/см2
90
2,250
19.05.2022 17:58:51 00:01:01 106,356 4,126 47.269
110 105100 Испытание № 1012
]__
95- ———"------"
9085 807570- /
/
1
------------ -------------- _
65- а 60 /
="= 5550 45 40 35 30
/
/
/
1 I
25 20 15 10 5 С г:::::::
Г
- 0 5 10 15 20 25 30 35 1. сек 10 45 50 55 60
Общие результаты по группе испытаний
№ Расчетная длина, мм Пл. сеч., см2 Дата и время Макс, нагрузка, кгс Макс, деформация, мм Предел прочности. кгс/см2
1 90 2,250 19.05.2022 17:58:51 106,356 4.126 47.269
2 20 2.500 19.05.2022 18:1 1:01 61,795 0.596 24.718
)слнее значение 84,1 2,4 36,0
Рис. 2. Протокол испытания на растяжение
В таблице 1,2 представлены результаты испытаний на сжатие и на изгиб
Результаты испытаний на сжатие.
Таблица 1
№ образца Линейные размеры, мм Масса, т, г Нагрузка, N кН Площадь, S, мм Прочность на сжатие R=N/S, [Щ/[мм2]=МПа
а Ь Н
31 24 23 23 12,38 3,17 552 5,74
32 23 23 24 12,12 2,66 529 5,03
33 24 23 23 12,60 4,95 552 8,97
34 23 23 24 12,58 4,18 529 7,90
35 24 24 24 13,34 4,18 576 7,26
36 24 23 24 12,35 2,84 552 5,14
37 24 24 24 11,99 3,27 576 5,68
38 24 24 23 11,98 5,01 576 8,69
Среднее 23,75
23,375
23,625 12,42
3,783
555,25
7,05
Таблица 2
Результаты испытаний на изгиб
№ образца Линейные размеры, мм Масса, m, г Нагрузка, N Ш Прочность на изгиб R=3NL/2bH2 , [Н1/[мм21=МПа
L Ь H
1 81 21 21 34,34 0,71 9,3
2 81 21 21 33,61 0,66 8,7
3 81 21 22 35,09 0,89 9,9
Среднее 81 21 21,3 34,35 0,75 9,6
На основании таблицы варьирования и планирования экспериментов и определением характеристических показателей: прочность, технологичность, регулярность и устойчивое структурно-физическое состояние, теплофизика,
плотность, температуростойкость по результатом испытаний была определена оптимальная композиция для дальнейших технологических исследований, представленной в таблице 3.
Таблица 3
На основании таблицы варьирования и планирования экспериментов и определением характеристических показателей: прочность, технологичность, регулярность и устойчивое структурно-физическое состояние, теплофизика,
плотность, температуростойкость по результатом испытаний была определена оптимальная композиция для дальнейших технологических исследований, представленной в таблице 3.
Таблица 3
Результаты испытаний
№ п/п Показатели Материал ТТ^-П
1 Плотность, кг/м3 860.. .1000
2 Теплопроводность, (X) Вт/ (м0С) 0,18...0,23
Предел прочности, МПа при:
3 сжатии 5,14....8,97
изгибе 9,3.....9,9
растяжении 8,6.10
4 Влагопоглощение 0,1%
5 Усадка (0,8 мм на 1 м) 1,1
6 Скорость уноса (оплавления), мм/сек 0,00003
7 Плотность после воздействия t=1000 0С, (р) г/см3 (кг/м3) Менее 1,0
8 Скорость деструкции, мм/с Менее 5
9 Структура после воздействия температуры Стекло
10 Компонентный состав после воздействия температуры Стекло
Толщина слоёв для обеспечения огнестойкости из расчёта на:
15 мин 3 мм
11 45 мин 4 мм
90 мин 5 мм
120 мин 6 мм
240 мин 10 мм
12 Остаточный ресурс, % 80
Анализ результатов, представленных в таблице 3 подтверждает, что вновь созданный материал обладает опережающим уровнем характеристик по огнестойкости, классу горючести и особенностям деструкции (оплавление). Следует отметить при этом высокий уровень влагостойкости.
Как показали результаты испытаний в специализированной лаборатории по методике испытаний на пожарную опасность, предусмотренной ГОСТ 31251—2008, вновь созданный теплоизоляционный огнестойкий высококремнезёмистый композит обладает негорючестью, согласно ГОСТ 30244-94 "Материалы строительные. Методы испытания на горючесть" (метод 1) (к классу пожарной опасности КМ), является огнестойким и экологически чистым материалом с широким спектром применения в различных отраслях промышленности [5,7].
Физико-механические свойства полученного композитного продукта позволяют применять его в виде строительных блоков, обеспечивая возможность создания крупноблочных
конструкций или реализацию аддитивных технологий.
Физические свойства материала
характеризуют конкретные особенности материала и его способности сопротивляться внешнему воздействию окружающей среды [6,8-10].
Выводы
Высококремнезёмистый материал относится к производству композитов теплоизоляционного назначения, способных удовлетворять требования эффективной тепло и огнезащиты различных энергетических установок, в производстве таких отраслей промышленности, как металлургия, строительство и многих других. Что позволяет обеспечить надёжную теплоизоляцию при
ликвидации последствий при чрезвычайных ситуациях (пожар, возгорание и т.д.), защитные средства для формирований пожарных подразделений и др.
Результаты комплексных исследований подтвердили высокую эффективность технических параметров вновь разработанного материала, относящегося к классу негорючих огнестойких покрытий, не выделяющих в условиях открытого пламени газообразных токсичных продуктов. Материал обладает высокой прочностью при сжатии и изгибе, низким влагопоглащением и высокой эррозионностойкостью в процессе деструкции имеет низкую плотность, высокую пористость, обладает низкой теплопроводностью, достаточно высокими механическими
характеристиками
Высококремнезёмистый композит
позволяет обеспечить технологическую независимость российских производителей от зарубежных поставщиков такого класса материалов и комплектующих.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Аскадский А.А., Попов М.Н., Кондращенко В.И. //Физико-химия полимерных материалов и методы их исследования. М .: Издательский дом АСВ 2015. С. 105-120.
Иванов В.В., Алещенко В.И. // Перспективные материалы. 2000. №° 2. С. 49-56.
Клименко Н. Н., Михайленко Н. Ю. Строительный материал на основе жидкого стекла и процессы его упрочнения // Мир технологий и технологий. 2012. № 7. С. 60-63.
УДК 532.5
Клименко Н. Н., Михайленко Н. Ю. Высококремнеземистый композиционный
материал строительного назначения на жидкостекольном связующем // Композиционные материалы в промышленности. Сборник докладов 2014. С. 250-252.
Михайленко Н. Ю., Клименко Н. Н. Оптимизация технологических параметров синтеза высоко кремнеземистых жидкостекольных композитов строительного назначения // Стекло и керамика. 2013.№5.С. 11-17.
Патент RU 2245861 РФ, МПК С04В28/26. Жидкостекольная композиция/ Ю.Г. Иващенко, Р.В. Фомин №2002130689/03; заявл. 15.11.2002; опубл. 10.02.2005// Бюл.2005. №4.
Рябинина Н. В., Шайдурова Г. И., Шевяков Я.С. Высококремнеземистые композиционные материалы и покрытия широкого спектра назначения // Приоритетные направления развития науки и технологий доклады XXVI международной научно-практической конференции под общей редакцией В.М. Панарина. Сборник докладов. 2019. С. 3-6.
Соколов И. И. Сферопластики на основе термореактивных связующих для изделий авиационной техники //М.: Автореферат. 2013.
Филимонов А.С., Тарасов В.А., Комков М.А., Моисеев В.А., Тимофеев М.П., Герасимов Н. В. Влияние связующих на свойства новых теплоизоляционных покрытий с использованием стеклянных микросфер // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. Сер. «Машиностроение» С. 185-192.
Справочник по композиционным материалам: в 2-х кн. Кн. 1 /Под ред. Дж. Любина; пер. с англ. А.Б. Геллера. - М.: Машиностроение, 1988. С. 448.
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ БРЫЗГ ПРИ УДАРЕ КАПЛИ О ЖИДКОСТЬ С
ЖИДКОЙ ПЛЕНКОЙ
Саушин И.И.
Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук», Россия, 420111, г. Казань, ул. Лобачевского, 2/31
CONDITIONS FOR THE FORMATION OF SECONDARY SPATTERS WHEN IMPACT OF A DROP
ON A LIQUID WITH A LIQUID FILM
1.1. Saushin
Federal Research Center "Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences", Russia, 420111, Kazan, st. Lobachevsky, 2/31 DOI: 10.31618/nas.2413-5291.2023.1.88.727
АННОТАЦИЯ
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований процесса удара капли о поверхность жидкости с жидкой пленки, а именно результирующее влияние наличия пленки жидкости на выброс вторичной капли после удара. По результатам исследования показано, что наличие жидкой пленки может существенно повысить величины критических безразмерных чисел подобия задачи, при которых происходит образование брызг. Данные результаты можно использовать для реализации метода активного подавления вторичных брызг от удара капли о поверхность жидкости.
