Диссертация (1141519), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Данныйфакт также учитывается в нормах Германии (DIN 66145). Данные по оптимизациигранулометрического состава заполнителя с расчетом сопутствующих параметровприведены в экспериментальной части диссертации.45Создание новых и улучшение свойств, традиционно выпускаемых материалов, регулирование их характеристик в материаловедении решается через оптимизацию состава и структуры.
В настоящее время в этой области господствующее положение занимает эмпирический подход, требующий значительных материальных и трудозатрат на стадии испытания сырьевых материалов и подбора составов композиций. Метод проб и ошибок, опирающийся на теорию вероятностии случайных явлений, является тормозом в ускоренном наращивании производства высококачественных композиционных материалов, основным компонентомкоторых является наполнитель как разновидность тонкозернистых порошков. Вещества, находящиеся в тонкоизмельченном состоянии, являются носителями всехосновных химических и физико-механических свойств твердых тел, измельчением которых они получены. Однако вещества в тонкоизмельченном состоянии обладают и дополнительным комплексом свойств.Вследствие сильно развитойудельной поверхности тонкоизмельченные твердые тела проявляют повышеннуюхимическую активность, способны адсорбировать молекулы жидких и газообразных веществ, используются в качестве катализаторов, ускоряющих химическиереакции в гетерогенных системах, обладают способностью к химической и физической модификации поверхности.
Зернистые системы, состоящие из твердыхтел одинакового размера и геометрической формы, называют монофракциями, асовокупность твердых тел различных размеров образует полидисперсную зернистую систему. Монофракции однородных твердых тел характеризуются постоянством объѐмных и соответственно массовых показателей.
Объѐмные и массовыехарактеристики полидисперсных зернистых систем зависят от числа и объѐмныхсоотношений монофракций. По числу монофракций, участвующих в формировании полидисперсной сыпучей системы, различают системы бинарные, тернарные,кватернарные и т.д. Системы, пустоты между твердыми телами монофракций которых заполнены твѐрдыми телами меньших размеров других монофракций, будем именовать заполненными системами. По своему строению любая зернистаясистема может быть охарактеризовано как непрерывная система дисперсных46твердых частиц или их агломератов-зерен, находящихся одновременно в контактедруг с другом и с окружающей (преимущественно газообразной) средой. Пределысуществования зернистых и тонкозернистых систем четко не определены.
Большинство авторов относит к ним тела с частицами, лежащими в пределах 1-300мкм, хотя не исключается причисление к зернистым телам и веществ, размеры частиц которых входят за эти границы. Наиболее важными показателями мелкозернистых (далее порошковых) материалов являются форма и размер частиц, ихстроение, межчастичное взаимодействие (или внутреннее трение) и т.д.
Частицаявляется индивидуальной физической единицей, отражающей степень измельчения вещества. По форме различают частицы изометрические (равноосные),например, кубические и шаровидные и неизометрические разноосные), напримерв виде волокон, пластинок, пирамид и т. д. На рисунке 3.3 отображена систематизация морфологических свойств частиц в применении к карбонатному наполнителю в карбонатных бетонах.Параметры текстуры гранул и ее влияние на свойства заполнителей матрицы карбонатных бетоновУгловатостьи формаРавноразмерные, закругл.Закругленныене равноразм.Подугловатыеили не плоскиеподзакругленныеУгловатые,плоские,продолговатыеСильноугловатые,продолговатые, плоскиеРазмерыдляИзвестняка:СаСО3Крупные>5000мкмСредние1000-5000мкмТонкодисперсные 10-1000мкм45мкм-среднийУльтратонкодисперсные0,01-10 мкм, 2мкм –среднийНано-уровень0,001-0,01 мкмФункция взависимостиотсовместимости частиц вматрице.ФормыкристаллаСаСО3ГравитационноеуплотнениеПространственноструктурноеопределениеРазмельчителиРазжижителиСклеивающиеАгрегатыРомбоэдрыПризматическиеАрагониты(игольчатые)Наноиглы<100100-500500-1500Удельнаяповерхностьм2/кг>1500Рисунок 3.3 – Морфология частиц карбонатного заполнителя и наполнителяНеизометричность частиц сказывается на их пространственном расположении и степени укладки (рисунок 3.3), поэтому свойства порошков (пористость,проницаемость, электро- и теплопроводность) не всегда одинаковы при измере-47нии в разных направлениях.
Мелкие частицы склонны к агрегации, установить ихистинный размер можно только специальными методами. Порошки могут бытьмонодисперсными и полидисперсными. Многообразие форм частиц и полидисперсность порошков вынуждают однозначно оценивать их в пределах отдельныхфракций значением усредненного или не эквивалентного диаметра, что вноситопределенные погрешности в характеристику неизометрических частиц.
Критериями формы частиц обычно служат отношение максимального и минимальногодиаметров или показатель сферичности, представляющий собой отношение площади, описывающей частицу сферы, к площади сферической частицы эквивалентного объѐма.Для порошковых материалов характерна высокая пористость, которая обусловлена наличием сквозных или замкнутых пор в частицах (внутригранулярнаяпористость) и в промежутках между ними (межгранулярная пористость, или объѐм межзерновых пустот).
У большинства порошкообразных материалов пористость колеблется от 25 до 95 %. На плотность укладки большое влияние оказывает шероховатость поверхности частиц. Наличие шероховатости и связанное сэтим механическое зацепление частиц часто обуславливает образование «арочных» эффектов в насыпке порошка, сильно снижающих плотность укладки. Силатрения между двумя соприкасающимися частицами может быть выражена следующим образом:Fтр=τ×S,(3.4)где S – площадь истинного контакта, η – сопротивление сдвигу адгезионныхсвязей.Взаимодействие частиц в порошковом материале обусловлено проявлениеммногих сил, в том числе молекулярных, электростатических, кулоновских, капиллярных сил жидкости, конденсирующейся в зазоре, и т.д. Молекулярные силы нередко играют второстепенную роль, уступая место, например кулоновским иликапиллярным силам.
Отсюда прочность связи между частицами может не тольконе снижаться с уменьшением диаметра частиц, но наоборот, расти, что чаще всего48реализуется на практике. В отношении поверхностных явлений порошковым веществам присущи все закономерности поведения твѐрдых тел. Вместе с тем узернистых материалов (при рассмотрении их в объѐме, выходящим за пределыэлементарной частицы или зерна) проявляется ряд свойств, сближающих их сжидкостями. Физические характеристики частиц порошка нередко могут отличаться от свойств монолитов, из которых они изготовлены.
Это влияние проявляется тем заметнее, чем меньше частицы, т.е. чем больше удельная поверхностьпорошкового материала. Вследствие высокоразвитой поверхности порошковыематериалы обладают повышенной сорбционной способностью. Процесс адсорбции приводит к изменению поверхностных свойств материала частиц, в результате чего обычно уменьшается энергия Гиббса зернистой системы.Деление частиц на классы достаточно произвольно и основано на различиив площади поверхности частиц.
Эта классификация учитывает две основные характеристики дисперсных наполнителей – размеры частиц и площадь их поверхности. Основной проблемой, рассматриваемой в теории упаковки твердых тел,является определение соотношения между объѐмом монолитного вещества (Vм) исвободным объѐмом (Vг), заполненным газом или воздухом. Эта задача, выражаемая в общем виде простым соотношением Vм+Vг=1, имеет неопределенный характер и решается в основном эмпирически. При этом в одних случаях свободному объѐму отводится роль определяющей фазы, например в технологии теплоизоляционных материалов и газонаполненных полимеров (Vмmin), в других случаях свободный объѐм рассматривается как нежелательный компонент системы.Например, в технологии композиционных материалов конструкционного назначения (Vм1). При количественной оценке объѐмно-массовых характеристик монофракций сыпучих зернистых систем величине свободного объѐма отводитсярешающая роль.
Свободный объѐм, определяемый как разность единичного объѐма и объѐма монолитного материала, представляет собой совокупность двух разновидностей объѐмов, заполненных газообразным веществом или воздухом. Сво-49бодный объѐм, являющийся составной частью сыпучей системы, в свою очередь,состоит из объѐма пор зернистых материалов и объѐма межзерновых пустот.VпусVпорРисунок 3.4 – Схема распределения межзерновых пустот и пористости гранул компонентов мелкозернистого бетонаVг = Vпор. + Vпус.(3.5)Отношение объѐма пор к объѐму сыпучей системы (рисунок 3.4) выражается величиной пористости.Пористость имеет критериальный характер и в расчетах используется в виде безразмерной величины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
