30 Окт

ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СОСТАВОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВЫВОДОВ ТЕОРИЙ «ПЕРКОЛЯЦИИ» И «ЭФФЕКТИВНОЙ СРЕДЫ»




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Проектирование составов строительных композиционных материалов (СКМ) в настоящий момент имеет огромное значение при производстве современных наукоемких изделий.

В процессе проектирования состава СКМ необходимо учитывать влияние всех его компонентов. Так при комбинировании объемного содержания компонентов, можно получить СКМ с требуемыми параметрами (прочность, упругость, плотность, износостойкость, стойкость к коррозии и химическим веществам, пористость и т.д.) и необходимыми специальными свойствами (магнитные, электрические, диэлектрические, деформативные, радиопоглощающие и др. свойства) в соответствии с дальнейшей сферой их применения [1,2]. Не стоит забывать и о экономичном обеспечении данного процесса.

Широкий круг использования СКМ обусловлен возможностью получения необходимых свойств при определенных и конкретных условиях, соответственно в процессе производства различных сооружений, элементов конструкции, приборов, устройств, деталей сложных наукоемких изделий мы имеем возможность улучшения качественных показателей при значительном снижении материалоемкости.

При проектировании СКМ на основании выводов теорий «перколяции» и «эффективной среды», образование их структуры представляется как процесс заполнения заданного объема («случайным» образом) геометрическими элементами разных форм и ориентацией [2,3,4]. При этом, основной значимой перколяционной характеристикой является значение критического параметра – порога перколяции/протекания . В процессе проектирования состава СКМ и их дальнейшего изготовления, а так же в зависимости от поставленной задачи (требуемого набора характеристик), можно отслеживать как взаимодействие компонентов и соответственно параметры  влияющие на его свойства (прочность, износостойкость, теплопроводность, электропроводность и т.п.), так и вкрапления пор — пористую среду (получаемые свойства материала при определенной концентрации пор)[1].

В основе проектирования СКМ по теории перколяции лежит положение, что при определенном значении  происходит качественное изменение свойств всей среды, за счет объединения отдельных элементов среды с одинаковыми свойствами, но рассредоточенных по объему, в общую область (перколяционный кластер), которая способна обеспечить прохождение направленного процесса (перколяционного процесса)[1].

Прогнозируемость получаемых параметров СКМ основана на исследовании глобального поведения системы, которое довольно сильно отличается в двух зонах относительного критического значения отслеживаемого параметра (p <  и p > ), соответственно изменяющееся при пересечении перколяционного порога (поведение всей системы качественно изменяется при перколяционном переходе).

Предположим, что при увеличении объёмной концентрации заполнителя с основополагающими свойствами СКМ приводит в улучшению какого-либо «свойства» СКМ [1,3]. Качественная зависимость основополагающего «свойства» — электропроводности СКМ от объёмной концентрации заполнителя на примере электропроводного бетона представлена на рис. 1. Рассматривается увеличение концентрации электропроводного заполнителя и его влияние на электропроводное «свойство» всего СКМ.

Рис. 1 — Качественная зависимость электропроводности всего СКМ от объёмной концентрации электропроводного заполнителя СКМ

Поведение кривой для наглядности условно разделено на 3 части: зоны «А», «Б» и «В». Ход кривой изменения свойства СКМ в зонах «А» и «В» (см. рис.1) описывает теория «эффективной среды», в свою очередь теория «перколяции» объясняет пороговый характер изменения электропроводных свойств СКМ в зоне «Б» (см. рис.1) [1].

Рассматривая зону «А» на рис. 1 (малую объемную концентрацию электропроводного заполнителя) поведение кривой объясняется концентрационными характеристиками: в связующей матрице частицы заполнителя СКМ образуют изолированные неупорядоченные островки или группы островков (кластеры). Электропроводные свойства СКМ в этом случае близки к свойству связующей матрицы (СскмМ) и постепенно возрастают с ростом концентрации электропроводного заполнителя.

При объемной концентрации электропроводного заполнителя, достаточно близкой к 100%, уже остаются островки и кластеры из связующей матрицы. «Свойство» такого теоретического СКМ будет близко к свойству самого заполнителя (СскмЗ) и стабилизируется у этого значения (рис. 1. зона «В», верхняя пунктирная линия). Однако, при такой объёмной концентрации электропроводного заполнителя связующая матрица СКМ уже не в состоянии скреплять частицы заполнителя, соответственно сам СКМ существовать не может, соответственно и рассматривать какие либо свойства реального СКМ не целесообразно. Например, при перенасыщении электропроводного бетона углеродными добавками происходит разрушение структуры под действием веса частиц не связанного заполнителя (нижняя пунктирная линия в зоне «В» на рис. 1).

При некоторой «средней» концентрации заполнителя с основополагающими свойствами начинает образовываться и развиваться перколяционный кластер, при котором наблюдается пороговое возрастание свойства СКМ (зона «Б» на рис. 1) которое соответственно и объясняет теория «перколяции». По данной теории концентрационное значение при котором наблюдается резкое скачкообразное изменение свойства называется «критической концентрацией» Vккон.

Исходя из теорий «перколяции» и «эффективной среды» критическая концентрация заполнителя (с основополагающими свойствами) является наиболее важным и трудноопределимым параметром. Для проектирования состава СКМ и в частности для определения критической концентрации заполнителя была создана имитационные модель на основе решеток и математическая модель разработанная но основе выводов представленных теорий и метода случайных упаковок. На основании результатов моделирования могут быть изготовлены детали и элементы конструкций различного назначения с улучшенными техническими характеристиками, получаемыми за счет управления концентрационным составом.

Примером практического применения теорий «перколяции» и «эффективной среды» при исследовании свойств СКМ может служить математическая модель, описывающая зависимость критической концентрации заполнителя от гранулометрического состава электропроводного СКМ – электропроводного бетона [2,4]. Сущность определения критической концентрации, в этом случае, заключается в расчетном определении сопротивления гипотетического образца электропроводного СКМ, т.е. упакованных сфер или других геометрических фигур наиболее точно описывающих заполнитель, в зависимости от объемной концентрации этого заполнителя. При этом любая структура КМ матричного типа, искусственно ограниченная неким объемом, определяется набором обобщенных координат каждого элемента заполнителя являющегося частью не упорядоченной структуры, систему которой можно представить в виде некой матрицей с фиксированными координатами элементов заполнителя.

 

 

Литература

  1. Зарипова И.И. Влияние перколяционного порога на свойства композиционных материалов // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2016. –№ 3. – С. 13-18.
  2. Зарипова И.И. Моделирование процесса формирования структуры композиционного материала матричного типа методом случайных упаковок // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2016. – № 3. – С. 35-38.
  3. Зарипова И.И. Применение теории перколяции для моделирования структуры композиционного материала на примере бетона // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2014. – № 11. – С. 25-30.
  4. Zaripova I.I., Iluhin A.V., Marsov V.I., Gubanov V.A. Computer modeling of structural — concentration characteristics of building composite material // International Journal of Advanced Studies. – 2015. – Т. 5. – № 3. – С. 80-84.
    ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СОСТАВОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВЫВОДОВ ТЕОРИЙ «ПЕРКОЛЯЦИИ» И «ЭФФЕКТИВНОЙ СРЕДЫ»
    В статье рассмотрены подходы к проектированию составов строительных композиционных материалов на основе выводов теорий «перколяции» и «эффективной среды». Основное внимание уделено структурно-концентрационным характеристикам строительного композиционного материала. В качестве примера строительного композиционного материала рассмотрен электропроводный бетон, что не исключает возможность использования рассмотренного подхода при проектировании составов, изготовлении и исследовании аналогичных композиционных материалов матричного типа (матрица из одного материала и распределенные по объему определенным образом частицы другого вещества).
    Written by: Зарипова Ирина Ильясовна
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 01/16/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.10.16_31(1)
    Available in: Ebook