Научная статья на тему 'Оптимизация состава композиционного покрытия с порошком Al, с помощью программного обеспечения, разработанного в среде Microsoft Visual 2008'

Оптимизация состава композиционного покрытия с порошком Al, с помощью программного обеспечения, разработанного в среде Microsoft Visual 2008 Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
32
20
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Антонова Н. М., Меркулова Н. А., Неелова И. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Оптимизация состава композиционного покрытия с порошком Al, с помощью программного обеспечения, разработанного в среде Microsoft Visual 2008»

УДК 621. 762:678.546

Антонова Н.М. 1, Меркулова Н.А.2, Неелова И.А.3

1Канд. техн. наук, доцент кафедры естественно - научных дисциплин Каменского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета 2Инженер-программист ФПКП «Комбината «Каменский» "Начальник НИЛ ФПКП «Комбината «Каменский»

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ С ПОРОШКОМ Al, С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ, РАЗРАБОТАННОГО В СРЕДЕ MICROSOFT VISUAL 2008

Введение

В промышленной переработке полимеров значительное место занимают изделия, полученные из полимерных материалов, содержащих твердые дисперсные наполнители. В последние годы прослеживается тенденция по увеличению исследований простых эфиров целлюлозы с целью получения комплексов на их основе [1, 76; 2, 252]. Анализ литературных и патентных данных показывает, что применение наполненных полимерных комплексов, в частности, натрий - карбоксиметилцеллюлозы (Na - КМЦ), является сравнительно новым направлением формирования композиционных материалов и устойчивых к агрессивным средам покрытий на ее основе [3, 102]. В настоящий момент свойства наполненных металлическими порошками композитов на основе Na - КМЦ изучены недостаточно, что делает актуальным проведение исследования свойств и оптимального состава композиции, обуславливающего необходимый спектр свойств таких материалов.

Цель работы - разработать алгоритм расчета соотношений компонентов антикоррозионного композиционного покрытия (КП) на основе Na - КМЦ с порошком алюминия для получения заданных механических характеристик, реализовать его в виде программы с удобным графическим интерфейсом и определить оптимальный состав КП.

Материалы и методика исследований

Объектами исследований служили покрытия толщиной 50^80 мкм. Композиция для КП получена смешиванием гелеобразного водного раствора очищенной Na - КМЦ с пластификатором глицерином и частицами порошка алюминия АСД-1 различного диаметра. Нанесенный на фторопластовую подложку состав высушивали при соответствующей температуре [4, 1]. Поскольку прочность исследуемого антикоррозионного состава значительно ниже прочности защищаемой поверхности, изучали механические свойства КП без подложки. Подготовка пленочных образцов КП и определение механических характеристик проводились по методике [5, 4]. Механические испытания проводили при температуре (23+2)0 C на разрывной машине РМ-4, обеспечивающей скорость движения подвижного захвата относительно неподвижного 2,5 мм/мин. С помощью диаграммы растяжения определяли относительную деформацию (e) и предел прочности (gb) при осевом растяжении образца. Исследовали прочность сцепления покрытия с подложкой из стали 08кп. Подготовку образцов, определение величины адгезионной прочности (АП) осуществляли методом решетчатых надрезов в соответствии с [6, 143] по пятибалльной шкале, где балл 1-наилучшая, а 5 -неудовлетворительная прочность. Статистический анализ результатов производили с помощью регрессионного анализа. Эксперимент проводили по ортогональному плану второго порядка [7, 184; 8, 292], в качестве факторов варьирования были выбраны: концентрация Na - КМЦ (1,5^3,5 %); содержание порошка Al (0^10,0 г) и пластификатора - глицерина (0^8,0 г); размер частиц Al (10^40 мкм); температура формирования КП (35,0^80,0 0С). Диапазон

изменения изучаемых факторов выбран на основании данных, полученных в результате предварительных исследований. Функциями отклика (и ) в эксперименте служили следующие величины: В - механическая прочность при разрушении и -относительная деформация при растяжении образца.

Результаты и их обсуждение В результате статистической обработки экспериментальных значений механической прочности и деформации при осевом растяжении, получены уравнения регрессии (1-2), адекватно описывающие влияние исследуемых факторов в безразмерном масштабе (Хь Х2, Х3, Х4, Х5 - соответственно концентрации № - КМЦ, содержания порошка А1, глицерина, размера частиц А1 и температуры формирования покрытия) на величины ов и е при растяжении композиционного покрытия:

YGВ = 3.2 + 0,7Х1 - 1ДХ3 + 0,4Х1Х2 + 0,4X^3 - 1,2Х^4 +

+ 0,6Х1Х5 - 0,4Х2Х4 - 1,2Х3Х4 - 0,4Х4Х5 + 0,5X2 - 0,3X2 (1)

2

(Fpac4. =6,9; Fтабл—8,7; Sy2— 0,5),

,9X5 -5,2X,X3 +

(2)

Ye = 34,2 - 5,8X1 - 3,2X2 + 11,0X3 - 6,2X4 + 0,9X5 -- 11,5X1X2 - 6,9X1X3 + 6,2X1X4 - 2,6X1X5 + 6,2X2X3 + + 1,2X2X4 + 1,2X2X5 + 7,9X3X4 + 5,4X3X5 +

+ X4X5 - 1,1X2 - 1,6X2 + 0,9X2 + 2,5X4 - 0,6X2 (Fpac4. =2,5; Fтабл.—8,8; Sy2—83,0).

Влияние факторов на механические характеристики КП исследовано в работе [9, 43]. Величина АП достигает 1-2 балла, за исключением составов композиций (3-5 баллов), в которых содержание глицерина и алюминия близко к максимальному или минимальному, а размер частиц достигает 40 мкм [10, 13].

Задача оптимизации сводилась к определению соотношений исходных факторов, обеспечивающих максимальную механическую прочность покрытия при относительной деформации, удовлетворяющей эксплуатационным требованиям. Выявление оптимальных соотношений компонентов в исследуемых композициях с помощью аналитической интерпретации полученных уравнений регрессии представляет определенные трудности. Сложности возникают, если в полученных уравнениях незначимыми являются квадратичные коэффициенты. Известно, что необходимым условием существования экстремума функции многих переменных является равенство нулю производных, т.е. выполнение системы равенств [8, 404]:

-dX-(1=1'2'-'n)

Решение системы, состоящей из таких уравнений, определяет условие необходимое, но еще недостаточное, т.к. полученная точка в n-мерном пространстве может оказаться «седловой». Использование, например, функции « Minnerr» в составе блока «Given» системы Mathcad приводит к выявлению точек, для которых значения целевой функции в факторном пространстве больше или меньше, чем в точке определяемого оптимума, что требует проверки всех областей для обнаружения глобального максимума [8, 404]. Кроме того, получение промежуточных решений, представляющих практический интерес, алгоритмом указанной системы не предусмотрено.

Предложенный алгоритм расчета максимальной механической прочности КП и уровней прочности для произвольных значений e реализован в виде программного обеспечения, разработанного в среде Microsoft Visual 2008. Программный продукт позволяет создавать широкий спектр приложений для среды Microsoft Windows и значительно повышает эффективность программирования. Вид интерфейса приведен на рис. 1.

В программе задавали значения Хь Х2, Хз, Х4, Х5 в исследуемом диапазоне в безразмерном масштабе. Численные значения коэффициентов уравнений регрессий вводили в окнах «для уравнения механической прочности» и «уравнения относительной деформации». Величине деформации е присваивали значение, приемлемое для промышленного использования исследуемого покрытия. Для заданного еъ рассчитывали массив значений безразмерных переменных Х1, Х2, Х3, Х4, Х5 в пределах интервалов варьирования с шагом h=0,1, обеспечивающих требуемую относительную деформацию. Полученные решения подставляли в уравнение для механической прочности и определяли ряд соответствующих значений oi. В окне программы отображаются шесть наибольших полученных расчетных значений механической прочности в порядке убывания, и соответствующие этим значениям комбинации переменных. Для более полного анализа предусмотрена возможность просмотра всех полученных решений.

На рис.1 приведены результаты оптимизации состава КП для значения е=18 %, h=0,1 и диапазонов варьирования: -2,3 * 2,3 для переменных Хь Х2, Хз, Х4, Х5.

Разработанная программа позволяет исследовать подобласти интервала варьирования одного фактора в сочетании с исследуемыми областями остальных факторов. Таким образом, можно оценить вклад каждого фактора в механические характеристики на отдельных уровнях. Это представляет интерес, так как при общепринятом подходе [7, 190] исследуются зависимости «отклик - параметр» при фиксации остальных параметров в центре исследуемых диапазонов, или на их границах. В процессе расчета комплекс реализует возможные комбинации многомерного массива, при шаге h=0,1 время получения результатов х» 3с. Изменяя коэффициенты регрессии в окне ввода, можно определить оптимальный состав для любого композиционного материала с произвольным наполнителем.

Расчет произведен для удовлетворяющих эксплуатационным требованиям значений относительной деформации от 11,0 до 22,0 %. На основе рассчитанных рецептур, по описанной выше методике были изготовлены образцы и определены значения оВ, е и АП. В таблице 1 представлены оптимальные соотношения исследуемых факторов в натуральном масштабе, обеспечивающие экспериментальные значения механических характеристик 7,8^15,0 %, 5,0^13,5 МПа и 1^2 балла для е, Ов и АП соответственно, в факторном пространстве. Расчетные и экспериментальные значения механических испытаний приведены в таблице 2. Более высокими механическими характеристиками обладало КП, сформированное в расчетном диапазоне температур 36^39° С (оптимум №1). Однако, отверждение образцов в таком диапазоне температур, привело к значительному увеличению времени высыхания покрытия, что экономически невыгодно. Поэтому расчет был повторен для t=60^800 С, и размеров частиц: d( 20 мкм, 20£ d( 30 мкм, 30£ d( 40 мкм. Полученные соотношения факторов в натуральном масштабе, расчетные и экспериментальные значения результатов механических испытаний приведены в таблицах 1-2.

Рис.1. Вид интерфейса для расчета значений прочности КП

Таблица 1

Оптимальные соотношения факторов, обеспечивающих ов =5,0-13,5 МПа

№ Независимые переменные в натуральном масштабе

оптимума Сш-КМЦ, % СА1, г Сгл, г d, мкм ^ 0С

1 2,3-2,6 2,2-2,8 0,9-0,2 30-40 36,0-39,0

2 2,6-2,7 3,3-0,4 2,3-0,9 30-40 60,0-68,0

3 3,1-3,3 3,0-3,4 0,5-1,0 20-30 68,0-80,0

4 3,3 -3,5 5,7-5,2 2,6-0.69 < 20 60,0-80,0

Таблица 2

Расчетные и экспериментальные значения механических характеристик КП

№ Ов , МПа е, % АП,

оптимума расчет эксперимент расчет эксперимент баллы

1 14,0-13,3 13,5-12,0 11,0-18,0 14,3-15,0 1-2

2 6,0-9,3 5,1-10,0 16,0 20,0-13,3 1-2

3 8,0-9,8 5,0-7,4 11,0-14,0 7,8-10,0 1-2

4 8,9-10.6 8,5-6.8 10,0-11.0 13,9-13.7 1

Выводы

1. Разработан алгоритм расчета оптимальных соотношений компонентов антикоррозионного КП на основе Na - КМЦ с порошком алюминия для получения заданных механических характеристик. Алгоритм реализован в виде программного обеспечения в среде Microsoft Visual 2008.

2. Определены соотношения компонентов КП, обеспечивающие удовлетворяющие эксплуатационным требованиям значения механических характеристик: sB= 5,0-13,5 МПа, £=7,8-15,0 %, АП=1-2 балла для фракций порошка АСД-1 с размерами частиц ( 20 мкм, 20-30 мкм и 30-40 мкм. Оптимальность рассчитанных рецептур подтверждена экспериментально.

Литература

1. Базарнова Н.Г., Маркин В.И., Калюта Е.В., Микушина И.В., Катраков И.Б. //Химия растительного сырья. 2005. № 3. С. 81.

2. Котельникова Н.Е., Никанорова Н.И., Паакари Т., Серимаа Р. Получение гидратцеллюлозных пленок, содержащих наночастицы дисперсного серебра // «Эфиры целлюлозы и крахмала: синтез, свойства, применение» Матер. Всерос.науч.техн.конф. (Суздаль, 7-10 окт.2002 г). Владимир: «Изд. «Посад», 2003. С. 252-253.

3. Труфакина Л.М. // Изв. Томск. Политехн. Университета. 2006. Т. 309. № 5. С.100.

4. Пат. 2266307 (РФ). Защитное покрытие для металлических поверхностей/ Н.М. Антонова, О.В. Аксенова, В.И. Кулинич, И.А. Неелова. 2005.

5. ГОСТ 14236-81. Методы испытания на растяжение. М., «Издательство стандартов», 1981, с.9.

6. Карякина М.И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий, М.: Химия, 1988, 272 с.

7. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии, М.: Высшая школа, 1985, 318 с.

8. Холоднов В.А., Дьяконов В.П., Иванова Е.И., Кирьянова Л.С. Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов: Практическое руководство. - СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2003, 480 с.

9. Антонова Н.М. // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2009. №1. С.40-44.

10. Антонова Н.М., Кулинич В.И., Дорофеев В.Ю. // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2008. № 2. С.12-16.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.