Широкомасштабные исследования в области материаловедения и механики материалов позволили создать широкий спектр материалов различного назначения. Важное место в этих исследованиях занимают теоретические и экспериментальные результаты, полученные при разработке композиционных материалов, или композитов. Одним из важных направлений исследований в области создания композиционных материалов являются работы по теоретическому обоснованию и производству материалов волоконного типа.
Материалы, представляющие собой соединение матрицы из базальтовых волокон и наполнителей, можно, без сомнений, отнести к классу композитных материалов [1–3]. Матрицей таких материалов всегда являются волокна из базальта. Поэтому изменять характеристики таких материалов можно только за счет регулирования свойств и содержания наполнителей, температурной обработки смеси, формирующей плиты из этих материалов [4–6].
Цель исследования: разработка методики подбора оптимального состава материалов на основе базальтового волокна с целью улучшения характеристик плит, изготовленных из этого материала.
Материалы и методы исследования
Матрица композиционных теплоизоляционных плит формировалась с помощью тонких волокон, полученных из базальта. Базовым наполнителем для полученных матриц из волокна служила смесь глины и поливинилацетатной дисперсии.
Тестовые плиты из базальтового волокна и наполнителей получали в специальных формах, размеры которых подбирали в соответствии с требованиями ГОСТа для теплоизоляционных плит. Давление, при котором происходило производство плит, подбиралось экспериментально, так же как и концентрации компонентов наполнительной смеси [7].
Формы с волоконной матрицей и наполнителями подвергались тепловой обработке при температурах не меньше 110 °С и времени обработки от четырех до пяти часов. После контроля полученных плит на однородность структуры они подвергались дальнейшей тепловой обработке уже при более высоких температурах в диапазоне от 150 до 210 °С, причем длительность такой обработки значительно уменьшалась, от значения 20 минут до одного часа. Непрерывное контролирование температурного режима осуществлялось дистанционно, посредством методов голографической интерферометрии [8, 9].
Подбор оптимального состава материала для формируемых плит проводился на первом этапе экспериментально, а затем, на основе полученных экспериментальных данных, подбирались статистические модели для исследования различных характеристик плит.
Модельный эксперимент проводился на базе четырех параметров [10] (табл. 1 и 2). В качестве таких переменных параметров брались: Х1 – огнеупорная глина, %; Х2 – поливинилацетатная дисперсия, %; Х3 – значение температуры тепловой обработки, °С; Х4 – значение времени тепловой обработки, мин. Базовая матрица формировалась из волокон на основе базальта.
Таблица 1
Уровни варьирования факторов
Уровни факторов |
Значение факторов |
|||
Х1 – глина, % |
Х2 – ПВАД, % |
Х3 – температура термообработки, °С |
Х4 – время термообработки, мин |
|
–1 |
0 |
0 |
100 |
20 |
0 |
10 |
5 |
150 |
40 |
1 |
20 |
10 |
200 |
60 |
Таблица 2
План и результаты эксперимента
№ п/п |
Нормализованные переменные |
Натуральные переменные |
Результаты эксперимента |
|||||||
x1 |
x2 |
x3 |
x4 |
X1 – огнеупорная глина, % |
Х2 – ПВАД, % |
Х3 – температура термообработки, °С |
Х4 – время термообработки, мин м |
Y1 – значение плотности, кг/м3 |
Y2 – величина сжимаемости, % |
|
1 |
+ |
+ |
+ |
+ |
20 |
10 |
200 |
60 |
117 |
3,45 |
2 |
+ |
+ |
+ |
– |
20 |
10 |
200 |
20 |
107 |
58 |
3 |
+ |
+ |
– |
+ |
20 |
10 |
100 |
60 |
127 |
1,3 |
4 |
+ |
+ |
– |
– |
20 |
10 |
100 |
20 |
138 |
10,2 |
5 |
+ |
– |
+ |
+ |
20 |
0 |
200 |
60 |
97 |
27,41 |
6 |
+ |
– |
+ |
– |
20 |
0 |
200 |
20 |
78 |
24,36 |
7 |
+ |
– |
– |
+ |
20 |
0 |
100 |
60 |
67 |
30,76 |
8 |
+ |
– |
– |
– |
20 |
0 |
100 |
20 |
77 |
23,36 |
9 |
– |
+ |
+ |
+ |
0 |
10 |
200 |
60 |
83 |
15,66 |
10 |
– |
+ |
+ |
– |
0 |
10 |
200 |
20 |
95 |
15,56 |
И |
– |
+ |
– |
+ |
0 |
10 |
100 |
60 |
95 |
9,4 |
12 |
– |
+ |
– |
– |
0 |
10 |
100 |
20 |
93 |
14,93 |
13 |
– |
– |
+ |
+ |
0 |
0 |
200 |
60 |
62 |
26,46 |
14 |
– |
– |
+ |
– |
0 |
0 |
200 |
20 |
59 |
23,43 |
15 |
– |
– |
– |
+ |
0 |
0 |
100 |
60 |
56 |
21,6 |
16 |
– |
– |
– |
– |
0 |
0 |
100 |
20 |
73 |
0,63 |
17 |
+ |
0 |
0 |
0 |
20 |
10 |
150 |
40 |
177 |
5,0 |
18 |
– |
0 |
0 |
0 |
0 |
5 |
150 |
40 |
106 |
2,4 |
19 |
0 |
+ |
0 |
0 |
10 |
10 |
150 |
40 |
116 |
24,53 |
20 |
0 |
– |
0 |
0 |
10 |
0 |
150 |
40 |
98 |
5,76 |
21 |
0 |
0 |
+ |
0 |
10 |
5 |
200 |
40 |
119 |
5,76 |
22 |
0 |
0 |
– |
0 |
10 |
5 |
100 |
40 |
100 |
0,26 |
23 |
0 |
0 |
0 |
+ |
10 |
5 |
150 |
60 |
119 |
2,73 |
24 |
0 |
0 |
0 |
– |
10 |
5 |
150 |
20 |
119 |
3,49 |
Уровни варьирования четырех факторов представлены в табл. 1. В качестве параметров оптимизации брали: Y1 – значение плотности, кг/м3, и Y2 – величина сжимаемости, %.
Экспериментальные результаты, обработанные методами статистики, позволили разработать две математические модели:
1. Для плотности материала плит:
Y1(кг/м2) =
(1)
Модель (1) показала, что плотность базальтовых плит увеличивается с увеличением содержания глины (b1 = 17,944). Содержание ПВАД (b2 = 13,556) также повышает плотность, но его содержание должно быть оптимальным из-за наличия отрицательного значения b22 = –23,583. Факторы х3 и х4 существенного влияния на плотность не оказывают.
2. Для характеристик, определяющих степень сжатия материала плит:
(2)
Вывод, который можно сделать исходя из модели (2) – ПВАД сильно снижает возможность сжатия плит из базальтовых волокон (b2 = –4,609), а рост значения температуры термической обработки способствует увеличению способности к сжатию.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследование характеристик плит из базальтового волокна проводилось на произвольных девяти координатных положениях пространства факторов Х2 Х4. Также учитывалось влияние изменения содержания ПВАД – х2 и глины – x1 в материале плиты (рис. 1). Рис. 1 показывает, что при увеличении содержания глины до максимума, равного 20 %, а добавки ПВАД до оптимального значения, равного 5–10 %, плотность материала увеличивается от значения 6 кг/м3 до 160 кг/м3 (точка 5). Сравнение точек для всех номограмм от 1 до 9 (рис. 1) показывает, что плотность для х1 = 1 увеличивается при росте температуры до 150 °С, а при значении температуры вблизи 200 °С плотность слегка уменьшается. Из номограммы также видно, что максимальная плотность в 160 кг/м3 достигается в точке 5 – вблизи центра факторного пространства. Номограммы 7–9 (рис. 1) показывают закономерности изменения плотности плит из базальтового волокна, при условии, что температура нарастает от 110 до 210 °С, а время тепловой обработки минимально и равно 19 мин. Из номограмм видно, что наибольшее значение плотности в 145 кг/м3 получается при значении температуры термической обработки равном 155 °С. При этом оптимальное значение содержания ПВАД в материале лежит в пределах от 3,75 до 10 %. Содержание глины при этом находится на максимуме, т.е. равно 20 %. Дальнейшее повышение температуры тепловой обработки приводит к небольшому снижению значения плотности в этой области до 120 кг/м3. Анализ плотности плит из базальтового волокна, выдержка которых равна 40 мин (номограммы 4–6 на рис. 1), показывает, что наибольшее значение плотности материала, равное ρ = 160 кг/м3, достигается при том же составе материала плиты – ПВАД 5–10 % и глины 20 %. Если повысить значение температуры тепловой обработки до 210 °С, то происходит понижение плотности плит из базальта до значения ρ = 145 кг/м3, при условии, что состав материала остается неизменным.
Рис. 1. Номограммы плотности плит из базальтового волокна в девяти координатных положениях пространства факторов X3X4
Рис. 2. Номограммы сжимаемости плит из базальтового волокна в девяти координатных положениях пространства факторов X3X4
Номограммы 1–3 (рис. 1) для плотности плит из базальта, которые подвергаются тепловой обработке в течение 60 мин, показывают, что происходит небольшое снижение плотности по сравнению с тем, что имелось при длительности тепловой обработки материала плит в течение 40 мин. Для показателя сжимаемости плит из базальтового волокна (рис. 2) характерно то, что для всех 9 координатных положений пространства факторов х3 и x4 присутствует оптимальная зона, в которой сжимаемость наименьшая, и она равна 3 мм. Для этой зоны содержание ПВАД изменяется в пределах от 6 % до 8 %, а глины от 11 % до 21 %.
Выводы
Исследованы характеристики композиционных материалов на базе базальтовых волокон. Подбор оптимального состава базальтоволокнистых композиционных плит проводился с помощью моделирования, использующего экспериментальные результаты и методы статистики. Анализ состояния плит проводился по плотности, сжимаемости и прочности на разрыв. Полученные результаты позволили определить оптимальные технологические параметры изготовления плит на базе волокон из базальта. Из материала с оптимизированным составом изготовлялись теплозащитные плиты из базальтового волокна, предназначенные для использования в температурном диапазоне от –100 до +250 °С.
Библиографическая ссылка
Айдаралиев Ж.К., Исманов Ю.Х., Кайназаров А.Т., Абдиев М.С. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАЗАЛЬТОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПЛИТ // Современные наукоемкие технологии. – 2019. – № 3-2. – С. 115-119;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37450 (дата обращения: 17.08.2024).