CC BY
29
Лымарь Е.А.
Научный сотрудник, кандидат технических наук, ОАО «Российские космические системы», Москва
СОВМЕЩЕНИЕ РАЗНОРОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ КАК ВАЖНОЕ УСЛОВИЕ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
В работе показано, что введение в небольших количествах поверхностно активных веществ значительно улучшает смачиваемость неметаллической составляющей и в значительной мере способствует образованию прочной связи между разными по химической природе частицами.
Ключевые слова: металл, глины, смачиваемость, свойства
Lymar Е.А.
Scientist, candidate of engineering sciences, OJSC "Russian space systems", Moscow
MATCHING HETEROGENEOUS COMPONENTS AS AN ESSENTIAL CONDITION OF THE COMPOSITE MATERIALS
Abstract
It is shown that the introduction of small amounts of surfactants significantly improves the wettability of non-metallic component and contributes significantly to the formation of a strong bond between the different chemical nature of the particles.
Keywords: metal, clay, wettability properties
Создание новых строительных материалов, обладающих уникальными свойствами, стало объектом особого внимания в последние годы [1 - 24]. С самого начала цель создания композитов состояла в том, чтобы достичь комбинации свойств, не присущих каждому из исходных материалов в отдельности.
Одним из направлений создания композиционных материалов является совмещение неметаллической матрицы с металлическим наполнителем. Композиционные материалы, сочетающие пластичный металлический наполнитель и твердые прочные неметаллические армирующие компоненты, обладают совокупностью физико-механических и эксплуатационных свойств, так как, с одной стороны, пластичный металлический наполнитель позволяет изделию работать в условиях растягивающих и изгибающих напряжений, ударных нагрузок, повышенных температур, а, с другой стороны, жесткий каркас из неметаллических гранул обеспечивает высокую прочность при сжатии. Таким образом, неметаллическая матрица дополняет металлический наполнитель, и получаемый композит превосходит по физико-механическим показателям исходные свойства наполнителя и матрицы. Удешевление композиционных материалов, по сравнению с металлическими изделиями, обеспечивается за счет замены части металла менее дорогим неметаллическим компонентом.
Металлический наполнитель имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными связующими, используемыми в строительных материалах - полимерными, цементными и другими. Эти преимущества создаются благодаря высокому уровню прочностных характеристик, пластичности, вязкости, хорошим литейным и технологическим свойствам.
Нами получены керамические композиционные материалы с высоким содержанием металлического наполнителя методом полусухого прессования с последующей сушкой и обжигом [25 - 33]. Керамика характеризуется низкой прочностью при растяжении в сочетании с высоким модулем Юнга, низкой ударной вязкостью. При высоких температурах одной из причин выхода из строя изделий из керамики является растрескивание. Введение металлического наполнителя позволило получить интересное сочетание важнейших эксплуатационных характеристик - высокой прочности (включая диапазон высоких температур), усталостной прочности и др. Основные преимущества таких композиционных материалов связаны с высокими температурами эксплуатации (что характерно для керамики) при одновременном значительном повышением прочностных свойств.
В качестве металлического наполнителя выбран алюминий, так как он относительно дешев, обладает хорошей пластичностью и податливостью, низкой температурой плавления. В качестве матрицы использовали каолинитовые и монтмориллонитовые глины, начало появления жидкой фазы у которых 1300°С и 800°С соответственно.
Одной из главных проблем возникших при получении композиционного материала предложенным методом явилось достижение совместимости гидрофильных глин с гидрофобным металлическим наполнителем. При этом необходимо было решать две задачи: обеспечение прочной связи между компонентами и предотвращение выплавов алюминия на стадии обжига, так как последний при спекании практически в любой среде окисляется, и дальнейшее уплотнение образца зависит, в среде прочих факторов, и от фазовых трансформаций вновь образовавшегося оксида. Поэтому содержание металла, превышающее оптимальное, приводит иногда к выплавкам и испарению избытка металла (в вакууме), а чаще к разрыхлению структуры большими прослойками нестабильного оксида алюминия.
Введение в небольших количествах добавок, которые химически взаимодействуют, как с металлом, так и с керамикой, в значительной мере способствует образованию прочной связи между разными по химической природе частицами.
В наших исследованиях для обеспечения совместимости матрицы с металлическим наполнителем и создания однофазной структуры получаемого композита проводилась активация поверхности глин механической обработкой, термической и химической модификацией. Так как расплав алюминия плохо совмещается с частицами глины, то для улучшения смачиваемости в глину вводили поверхностно активные вещества (ПАВ) в количестве 0,1-1%. Химическая модификация глин ионами А13+ из водных растворов и термомеханическая модификация алюминиевой матрицы с одновременным диспергированием позволила увеличить содержание алюминия в композите до 20 %, при этом избежать выплавов металлов и разрыхления структуры прослойками нестабильного оксида алюминия, снизить температуру образования жидкой фазы на 80 - 120°С, а также сместить максимумы на кривых вязкости в область более низких температур.
Процесс спекания протекает с участием жидкой фазы, реагирующей с твердой. Расплавленный алюминий в составе масс способствует увеличению количества и снижению вязкости расплава. Чтобы снизить температуру обжига, в композит вводили добавки оксидов металлов второй группы (оксиды кальция, магния, цинка), которые сдвигают температуру появления расплава и температуру максимума первого экзоэффекта на 50 - 80°С. При введении оксидов щелочноземельных металлов в глину возрастает скорость кристаллизации муллита. Обогащение расплава ионами Al+3 и Ca+2 приводит к ускорению объемной диффузии и кристаллизационных процессов. Образование алюмосиликатов протекает интенсивно уже при температуре 900°С
Физико-механические свойства получаемых материалов в большой степени зависят от вида адгезионного взаимодействия матрицы и наполнителя. В зависимости от физико-химических свойств отдельных компонентов и механизма образования связей на границе раздела фаз адгезионное взаимодействие можно разделить на три группы. Это механическая адгезия, обусловленная отсутствием химического взаимодействия и образующаяся при механическом сцеплении матрицы и наполнителя; физическая адгезия, обусловленная взаимодействием электронов на атомном уровне; физико-химическая адгезия, определяемая необратимым смачиванием расплавом наполнителя матрицы, их взаимным растворением и последующим образованием химических соединений и твердых растворов.
Так как в предложенном методе получения композиционного материала металлический наполнитель принимает участие в стадиях формирования структуры, то в композите наблюдается как физическая адгезия компонентов, так и химическое взаимодействие матрицы и наполнителя.
Структурные изменения, происходящие в керамических массах в присутствии металлического наполнителя в процессе модификации и термической обработки при получении композита, отражаются на структуре и свойствах получаемого материала. В
56
таблице представлены прочностные характеристики композитов различного состава, полученные при температурах обжига от 900°С до 1300°С.
В процессе спекания композита происходит ряд физических превращений, к которым можно отнести: объёмную диффузию, пластическое течение, поверхностную диффузию и испарение-конденсацию. Так поверхностная диффузия, испарение и конденсация способствует сфероидизации пор, увеличению контактов между частицами, что приводит к упрочнению (но не уплотнению) материала.
Получаемые материалы экономически выгодны, обладают низкой теплопроводностью, повышенной механической прочностью (за счёт свойств металлического наполнителя), малой открытой пористостью (за счёт плотной упаковки частиц при прессовании с оптимальной влажностью и в результате последующих физико-химических процессов, протекающих во время обжига), малой гидрофобностью и пониженной хрупкостью.
Литература
1. Володченко А.Н., Лесовик В.С., Алфимов С.И., Володченко А.А. Регулирование свойств ячеистых силикатных бетонов на основе песчано-глинистых пород / // Известия вузов. Строительство. - 2007. - № 10. - С. 4-10.
2. Володченко А.Н., Жуков Р.В., Фоменко Ю.В., Алфимов С.И. Силикатный бетон на нетрадиционном сырье // Бетон и железобетон. - 2006. - № 6. - С. 16-18.
3. Володченко А.Н. Влияние механоактивации известково-сапонитового вяжущего на свойства автоклавных силикатных материалов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 3. - С. 13-16.
4. Володченко А.Н. Взаимодействие мономинеральных глин с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях // Сборник научных трудов Sworld. - 2012. - Т. 30. - № 3. - С. 35-37.
5. Володченко А.Н. Оптимизация свойств силикатных материалов на основе известково-песчано-глинистого вяжущего / Володченко А.Н., Жуков Р.В., Лесовик В.С., Дороганов Е.А. // Строительные материалы. - 2007. - № 4. - С. 66-69.
6. Володченко А.Н., Лесовик В.С. Реологические свойства газобетонной смеси на основе нетрадиционного сырья // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2012. - № 3. - С. 45-48.
7. Володченко А.Н., Лесовик В.С. Автоклавные ячеистые бетоны на основе магнезиальных глин // Известия вузов. Строительство. - 2012. - № 5. - С. 14-21.
8. Володченко А.Н. Влияние песчано-глинистых пород на оптимизацию микроструктуры автоклавных силикатных материалов // Сборник научных трудов Sworld. - 2012. - Т. 47. - № 4. - С. 32-36.
9. Володченко А.Н. Глинистые породы в производстве силикатного кирпича // Сборник научных трудов Sworld. - 2012. - Т. 26.
- № 2. - С. 8-10.
10. Володченко А.Н. Вяжущее на основе магнезиальных глин для автоклавных силикатных материалов // Сборник научных трудов Sworld. - 2012. - Т. 30. - № 3. - С. 38-41.
11. Володченко А.Н. Автоклавные силикатные материалы на основе отходов горнодобывающей промышленности // Сборник научных трудов Sworld. - 2012. - Т. 47. - № 4. - С. 29-32.
12. Лесовик В.С., Володченко А.Н., Алфимов С.И., Жуков Р.В., Гаранин В.К. Ячеистый бетон с использованием попутнодобываемых пород Архангельской алмазоносной провинции // Известия вузов. Строительство. - 2007. - № 2. - С. 13-18.
13. Володченко А.Н. Магнезиальные глины - сырье для производтва автоклавных ячеистых бетонов // Сборник научных трудов SWorld. - 2013. - Т. 43. - № 1. - С. 3-7.
14. Володченко А.Н. Глинистые породы - сырье для производства автоклавных ячеистых бетонов // Сборник научных трудов Sworld. - 2012. - Т. 26. - № 2. - С. 11-14.
15. Володченко А.Н. Влияние песчано-глинитых пород на пластичность газобетонной массы // Сборник научных трудов SWorld. - 2013. - Т. 43. - № 1. - С. 7-10.
16. Володченко А.Н. Нетрадиционное сырье для автоклавных силикатных материалов // Технические науки - от теории к практике. - 2013. - № 20. - С. 82-88.
17. Володченко А.Н. Влияние глинистых минералов на свойства автоклавных силикатных материалов // Инновации в науке. -2013. - № 21. - С. 23-28.
18. Володченко А.Н. Влияние состава сырья на пластическую прочность газобетонной смеси // Сборник научных трудов SWorld. - 2013. - Т. 39. - № 2. - С. 45-49.
19. Володченко А.Н. Повышение морозостойкости силикатных материалов на основе нетрадиционного сырья // Инновации в науке. - 2013. - № 24. - С. 24-30.
20. Володченко А.Н. Влияние песчано-глинистых пород на морозостойкость автоклавных силикатных материалов // Сборник научных трудов Sworld. - 2013. - Т. 50. - № 3. - С. 8-13.
21. Володченко А.Н. Объемное окрашивание автоклавных силикатных материалов глинистыми породами // Сборник научных трудов Sworld. - 2014. - Т. 19. - № 1. - С. 18-24.
22. Володченко А.Н. Природный пигмент для окрашивания автоклавных силикатных изделий // Технические науки - от теории к практике. - 2014. - № 31. - С. 96-102.
23. Володченко А.Н. Изучение продуктов взаимодействия магнезиальной глины с известью при автоклавной обработке // Инновации в науке. - 2014. - № 30-1. - С. 89-95.
24. Володченко А.Н. Идентификация продуктов автоклавной обработки вяжущего на основе магнезиальных глин // Сборник научных трудов Sworld. - 2014. - Т. 19. - № 1. - С. 24-29.
25. Ключникова Н.В., Лымарь Е.А., Юрьев А.М. Строительные материалы на основе металлической матрицы и неметаллического наполнителя // Успехи современного естествознания. - 2003. - № 12. - С. 79-82.
26. Ключникова Н.В., Лымарь Е.А., Юрьев А.М. Особенности создания композитов строительного назначения на основе металлической матрицы и неметаллического наполнителя // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2003. - № 5. - С. 61-63.
27. Ключникова Н.В., Лымарь Е.А., Юрьев А.М. Перспективность использования металло-композитов на предприятиях энергетического профиля // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2004. - № 8. - С. 26 - 28.
28. Ключникова Н.В., Лымарь Е.А. Влияние металлического наполнителя на стадии структурообразования композиционных материалов на основе керамической матрицы // Стекло и керамика. - 2005. - № 10. - С. 19-22.
29. Ключникова Н.В., Лымарь Е.А. Конструкционная металлокерамика - один из перспективных материалов современной техники // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2005. - № 9. - С. 111-114.
30. Ключникова Н.В. Исследование физико-механических свойств керамометаллического композита // Сборник научных трудов Sworld. - 2013. - Т. 7. - № 1. - С. 10-15.
31. Ключникова Н.В. Выбор компонентов как важное условие создания композитов с заданными своствами // Сборник научных трудов Sworld. - 2013. - Т. 43. - № 1. - С. 16 - 21.
32. Ключникова Н.В. Рентгенофазовый анализ композиционных материалов на основе глин // Сборник научных трудов Sworld.
- 2013. - Т. 7. - № 1. - С. 3 - 10.
57
33. Ключникова Н.В. Эксплуатационные характеристики строительных композиционных материалов // Сборник научных трудов Sworld. - 2013. - Т. 50. - № 3. - С. 3 - 8.
Яковлев С. В.1, Максимов П.В.2
1Студент; 2кандидат технических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет СТРУКТУРИРОВАННАЯ КАБЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КАК ОСНОВА IT-ИНФРАСТРУКТУРЫ СОВРЕМЕННОГО
ПРЕДПРИЯТИЯ
Аннотация
Рассмотрен пример реализации структурированной кабельной сети (СКС) на современно промышленном предприятии. Приведены преимущества использования СКС. Показана реализация телефонной сети на основе СКС. Применен двухуровневый принцип организации СКС.
Ключевые слова: структурированная кабельная сеть, СКС, IT, информационные сети.
Yakovlev S.V.1, Maksimov P.V.2
1Student; 2PhD in Technical Science, assosiate professor, Perm National Research Polytechnic University STRUCTURED CABLE SYSTEM AS THE BASIS FOR IT-INFRASTRUCTURE OF THE MODERN ENTERPRISE
Abstract
An example of the implementation of structured cabling system (SCS) in modern enterprises is shown. The advantages of the use of SCS are described. The realization of the telephone network on the basis of SCS is presented. A two-level organizing principle of SCS is applied.
Keywords: structured cable system, IT, information networks.
В связи с постоянным ростом компьютеризации рабочих мест, а также увеличением количества техники, объединенной в общее информационное пространство, постоянно возникает проблема нехватки мощностей компьютерных и телефонных сетей. На смену старым системам телефонных и сетевых проводов, кабелей противопожарных сигнализаций, приходят универсальные структурированные кабельные системы [1-3], решающие одновременно несколько проблем.
Структурированная кабельная система представляет собой иерархическую кабельную систему, смонтированную в здании или в группе зданий, которая состоит из структурных подсистем. Её оборудование состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, соединительных шнуров, кабельных разъёмов, модульных гнезд, информационных розеток, а также из вспомогательного оборудования. Все элементы структурированной кабельной системы интегрируются в единый комплекс и эксплуатируются согласно определённым правилам.
Основными преимуществами структурированной кабельной сети являются:
- большая пропускная мощность. Их проектирование и установка всегда происходит с учетом вероятности значительных увеличений нагрузки на сеть;
- монтаж структурированной кабельной сети осуществляется только с соблюдением специальных правил и стандартов. Это гарантирует высокую надежность и безопасность при эксплуатации;
- структурированная кабельная система многофункциональна. Она позволяет объединить в единое информационное пространство компьютеры и телефоны одного или нескольких зданий, а также включает в себя оптоволоконные кабеля для систем видеонаблюдения, системы пожарной и охранной сигнализаций;
- легкость и удобство подключения новых точек. Благодаря грамотному проектированию расположения основных коммуникационных узлов и розеток, подключение новых элементов к сети занимает минимум времени;
- универсальность. Существует множество производителей комплектующих, однако применение общих стандартов позволяет использовать элементы различных брендов и подобрать для себя наилучший вариант цены-качества.
Для современного предприятия оптимальным вариантом структурированной кабельной системы является совмещение функций локальной вычислительной сети и телефонной сети. Таким образом, создается единое информационное пространство всего предприятия. Структурированная кабельная система позволит связать все структуры предприятия в единое целое.
В рамках замены аналоговых АТС можно реализовать устаревшее оборудование по рыночным ценам, что позволит сэкономить деньги. Новую современную VoIP-телефонию можно использовать как минимум с тем же функционалом АТС, к которому привыкли сотрудники, конечно, сохранив внутреннюю нумерацию. Внедрение VoIP-телефонии позволит предприятию существенно снизить расходы на телефонные разговоры. Предприятию будет не нужна старая АТС и персонал, занимающийся их обслуживанием. Занятые ею помещения также высвобождаются. Кроме того, даже самые дорогие и продвинутые мини АТС не могут предоставить даже малой части преимуществ современной IP-телефонии. На сегодняшний день использование VoIP-шлюза вместо стандартной офисной АТС — это одно из самых простых и доступных решений в организации связи в любой компании.
Примерная схема локальной сети, реализованной в рамках структурированной кабельной сети, показана на рисунке 1 (количество узлов следует определять на стадии проектирования).
58
