Диссертация (1025572), страница 12
Текст из файла (страница 12)
В рамках проводимойработывпервыебылиполученыизображениявертикальногосрезамодифицированного льда (Рисунок 4.12).2 мм0.2 мма)б)Рисунок 4.11. Горизонтальный срез модифицированного льда наповерхности (а) и в основании(б)85а)б)Рисунок 4.12. Вертикальный срезов модифицированного льда (х10 раз)Формирование кристаллов льда происходит по нормали к поверхноститеплоотвода. Данное явление называют термином «ортотропизм» [63].Первоначально кристаллы растут произвольно в стороны, пока не приходят всоприкосновение друг с другом. В дальнейшем остаются лишь параллельныекристаллы,иныепоглощаютсявертикальноориентированными.Числорастущих отдельных кристаллов практически остаётся постоянным (если непроисходит резких изменений в условиях формирования).
Таким образом,развитие кристаллов льда преимущественно происходит по направлениюглавной оптической оси, ориентированной перпендикулярно поверхностизамерзания с локальным проявлением эпитаксии, сохранением направленияглавной оптической оси кристаллов нижней зоны массива. Проведенныеэксперименты показали, что при послойном намораживании сохраняетсяполикристаллическая структура льда, разделённая межкристаллическимпространством, по геометрическим характеристикам напоминающая соты.Комплексные экспериментальные исследования показали, что присоблюдении предлагаемой технологии (условия теплоотвода и градиенттемпературы) кристаллизация разбавленных водных растворов модификаторовпроходит с образованием плоского фронта, что обеспечивает максимальныепрочностные характеристики льда.
Лед образуется в основном с правильноориентированными кристаллами в виде призм, структура модифицированногольда – поликристаллический гексагональный лед.864.1.3. Визуализация межкристаллического пространства льдаВработепредложенметодвизуализациимежкристаллическогопространства с помощью декорирования красителями. Разработана методикаизучения макроструктуры льда путем направленной кристаллизации водногораствора органического красителя на поверхности исследуемого образца.Благодаря эпитаксии, характерной для одномерного отвода теплоты откристаллизующегося слоя жидкости, образующиеся кристаллы сохраняюториентацию кристаллов подложки и повторяют их геометрию.
Таким образом,геометрические соотношения кристаллов льда на поверхности сохраняются, амежкристаллическоепространствовыделяетсяцветом.Преимуществодекорирования заключается в удобстве дальнейшей оценки характерногоразмера кристаллов льда при работе с образцами большой площади с помощьюлюбого графического редактора.
Аналогичный метод применяется приизучении поверхности твердых тел [64]. По временным срезам различныхстадийкристаллизациианализируютпространственноераспределениеактивных дефектов и неоднородностей поверхности, на которых избирательноконцентрируются декорирующие частицы. В работе сформулированы основныекритерии отбора соединений для декорирования ледовых структур. Онидолжны быть водорастворимыми, не содержать спирта, быть химическиинертными и обладать минимальной дисперсностью.
Красители не должнытакже обесцвечиваться и визуально исчезать при снижении температуры.Для декорирования поверхности подходят как водные, так и пигментныечернила (Рисунок 4.13). Водные чернила представляют собой органическиесоединения, молекулы которых окрашены и полностью растворены в воде.Пигментные чернила – это коллоидная система, состоящая из воды имелкодисперсного твердого органического вещества (пигмента). Наиболеедоступнымиибезопаснымидекорирующимисоединениямиявляются,например, водные чернила для струйной печати, а также водные чернила длятонеров. Кристаллы пигментных чернил, как и окрашенные молекулы водных87чернил, располагаются в межкристаллическом пространстве.
По изображениямповерхностимодифицированногольдасвнесеннымидекорирующимисоединениями отчетливо видны границы кристаллов. Подбор дисперсностиприменяемогопигментногокрасителяпозволяетдекорироватькакмежкристаллическое пространство, так и выделить дефекты поверхности. Всеэти красители не внедряется в кристалл льда, а вытесняется к поверхностифронтом кристаллизации. При фотографировании расположенного под угломобразца льда можно изнутри видеть поверхность прозрачного образца льда,окрашенную голубым красителем.
При его формировании модификаторывносились с уровня 10 мм, а краситель – после 20 мм. Общая толщинанамороженного образца льда составляла 25 мм.Для визуализации трехмерной макроструктуры льда требования кдекорирующим соединениям были дополнены. На основании критериев отбораицелевогосинтезированиясоединенийдлямодификацииледовыхпокрытий [9] выделены красящие вещества, структура молекул которых вмаксимальной степени приближена к молекулярной структуре вводимыхмодификаторов.Отобранныесоединенияпредставляютсобойсложныеорганические молекулы с заряженными концевыми группами и наибольшей издоступных красителей молекулярной массой.
Для визуализации трехмернойструктуры льда подошли два соединения: Coomassie Brilliant Blue и Эритрозин(Таблица 10). В гистологии их используют для окрашивания белков (которыесхожи по структуре с вводимыми модификаторами), они экологичны и нетребуют особых мер безопасности. Молекулярная масса данных декорирующихвеществ близка молекулярной массе отдельных групп модификаторов.Таблица 10.Основные характеристики декорирующих соединенийПараметрМолекулярный вес, а.е.мФормулаСодержание красителя, %Coomassie Brilliant BlueЭритрозин854,03879,92С47H48N3NaO7S2С20H6I4Na4O591,491,088а)б)в)Рисунок 4.13. Декорирование поверхности льда: водными чернилами (а, б),пигментными чернилами (в)При движении фронта кристаллизации часть декорирующего веществаоттесняется к поверхности образца, а часть распределяется по всей толщиненамороженного с ними слоя, локализуясь в межкристаллическом пространстве(Рисунок 4.14).
После очистки поверхностного слоя можно видеть, чтокрасящие вещества располагаются по глубине всего образца и даютпредставление о характерных размерах, взаиморасположении кристаллов ипространственной форме межкристаллического пространства, выполняющегороль «транспортных путей» при диффузии искусственно вносимых ледовыхмодификаторов.Полученныеизображенияподтверждаютвозможностьиспользования данных красителей для визуализации макроструктуры льда нетолько на поверхности, но и по объему массива.89а)б)в)г)Рисунок 4.14. Трехмерная структура льда: вертикальный срез с красителемCoomassie Brilliant Blue и Эритрозин (а, в), межкристаллическоепространство (б, г)Таким образом, впервые с помощью выбранного типа красителя удалосьдекорировать трехмерную макроструктуру льда.
Предложенный способвизуализациифизическихявляетсяуниверсальным,закономерностеймежкристаллическомт.к.декорирующиепространственевсилуфундаментальныхсоединениятолькомодифицированного полимерами льда, но и природного.приостаютсявисследовании904.2.Определениеособенностейпервоначальногораспределениямодификаторов по глубине массива льда4.2.1. Разработка методики определения распределения модификаторов вледовом массивеРазработка методики экспериментального определения первоначальногораспределения модификаторов в массиве льда включала в себя несколькоосновных этапов: обеспечение идентичности конструктивных параметровобъекта и условий протекания изучаемого физического процесса, выборнаиболее результативных методов исследования, выбор метода обработкиданных.
Для проведения исследований выбран лабораторный стенд ФЛП(фрагмент ледового поля) с автономной системой хладоснабжения иконструкцией, идентичной конструкции ледовых полей на спортивных аренах(Рисунок 4.15).а)б)Рисунок 4.15. Фрагмент ледового поля (ФЛП): общий вид установки (а);трубная система теплоносителя (б)Сначала намораживался нижний (черновой) слой льда по технологииручных шланговых заливок с толщиной наносимого слоя от 1,5 до 2,0 мм итемпературойзаливаемойводыплюс20 ○С.Далееосуществлялось91формирование верхней зоны ледового массива по схеме чередующихся слоёв:«чистая вода» – «слой с модификаторами». Перед началом каждогоэкспериментапроводилосьпошаговоезахолаживаниеплитыФЛПсоскоростью 1 ○С в час, идентичный процессу захолаживания реальной бетоннойплиты.Выбор метода получения эпюры распределения модификаторов поглубине намороженного ледового массива потребовал анализа литературы поэкспериментальным методам диффузии [65, 66].
Был выбран разрушающийметод–методснятияслоев,таккаконобладаетнаибольшейинформативностью при исследовании гетерогенных систем. Намороженныймассив льда механически разделялся на слои толщиной порядка 1 мм спомощьюспециальногоинструмента,позволяющегособлюдатьгоризонтальность снимаемого слоя и не допускать смешивания снежной массыс разных слоев. Разработанное устройство для снятия соскобов состоит изнесколькихосновныхэлементов(Рисунок4.1, 6):направляющейсперемещающейся по ней кареткой 1, подвеса с набором пластин длярегулирования толщины срезаемого слоя 2, платформы с лезвием ирукояткой 3.Во избежание попадания в расплавы сторонних соединений все работыпроводились в перчатках, бетонное основание плиты закрывалось химическиинертной алюминиевой фольгой, а сам ФЛП закрывался верхним куполом,имитирующим крышу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
