К вопросу о разработке феноменологии нанотехнологий производства строительных материалов (использование импульсных режимов для повышения эффективности нанотехнологий)

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ К вопросу о разработке феноменологии нанотехнологий производства строительных материалов

В статье президента РИА Б.В. Гусева [1] на основе обобщения материалов VII Международного форума «Перспективные задачи инженерной науки» показано, что одним из приоритетных направлений радикального развития строительной промышленности является создание новых строительных материалов с высокими эксплуатационными свойствами. В решении этой задачи, наряду с традиционными высококачественными материалами, ведущую роль могут сыграть принципиально новые материалы, созданные методами нанотехнологий.

Достижения нанотехнологий в области разработки материалов для строительной промышленности достаточно хорошо известны специалистам. В нашей стране в области нанотехнологий давно ведутся работы в металлургической промышленности.

Наиболее показательным примером промышленного использования продукции нанотехнологий в строительстве является применение стальной арматуры с изменённой наноструктурой (производится в США). Эта сталь по своим свойствам близка нержавеющей стали, но намного дешевле. Арматурная сталь, в отличие от обычной углеродистой, имеет слоистую структуру, вследствие чего резко улучшаются её механические свойства (прочность, податливость и сопротивление усталости) по сравнению с другими известными высокопрочными сталями. Такие свойства материала позволят значительно увеличить срок его службы в коррозионных средах и снизить общую стоимость строительства.

В настоящей статье рассмотрим новые подходы к получению высококачественных строительных материалов методами нанотехнологий, эффективность которых зависит от применения в традиционном нанопроцессе внешних циклических воздействий разной природы.

Экспериментально исследовано воздействие высокочастотного электрического поля на синтез титаната свинца, цирконата свинца, пьезоэлектрического твердого раствора титаната-цирконата свинца, сверхпроводящих фаз, клинкерных минералов, на термическое разложение твердых тел. Полученные результаты показывают, что ВЧ-поле оказывает существенное влияние на кинетику твердофазных реакций. Так, при взаимодействии оксидов свинца и титана одинаковая степень синтеза достигается при термическом нагреве в 600 ^о С в течение 1 часа, а при воздействии ВЧ-поля на смесь, нагретую только до 300 ^о С, в течение всего 20 мин. [2].

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ К вопросу о разработке феноменологии нанотехнологий производства строительных материалов

Проведенными исследованиями установлено, что образование однородной мелкокристаллической микроструктуры керамики ВК95-1 при воздействии ВЧ-поля при спекании обеспечивает повышение ее механической прочности и плотности. Так, прочность образцов при статическом изгибе, прошедших обработку ВЧ-полем, повышается с 360 до 390 МПа, а плотность керамики – с 3670 до 3750 кг/м ³ .

Авторы проведенной работы отмечают также высокую эффективность воздействия на бетоны и пенобетоны СВЧ-излучения, преобразованного в продольные электромагнитные волны (ПЭВ). Проведенные эксперименты показывают, что при воздействии ПЭВ на пенобетоны прочность на сжатие 28-суточных образцов увеличивалась в 1,35 раза при импульсном облучении и снижалась в 1,8 раза при непрерывном. При этом форма распределения прочности при сжатии соответствовала форме распределения поглощенной энергии ПЭВ по глубине облучаемого пенобетона. По оценке авторов проведенных исследований воздействие импульсными оптимально подобранными по режиму модулированными ПЭВ открывает перспективы возможного повышения прочности бетона в два и более раз без использования химических добавок.

В имеющихся публикациях, касающихся различных модификаций нанотехнологических процессов, достаточно много подобных сообщений, смысл которых сводится к тому, что периодические воздействия (гармонические, полигармонические или импульсные) на обрабатываемую среду в ряде случаев оказываются более эффективными, чем равномерные.

Эти же закономерности действуют и в традиционных вибротехнологиях [3–7]. Исходя из изложенного, можно предположить, что методы вибрационной техники, базирующиеся на фундаментальных физических законах, могут оказаться весьма продуктивными и при использовании в нанотехнологиях.

Приведенные выше краткие сведения об успешном использовании принципов действия циклических систем в нанотехнологиях дают основание считать, что передача некоторой информации, имеющейся в области традиционных вибрационных технологий, может оказаться востребованной специалистами новейших технологий. Однако при этом следует иметь в виду, что в традиционных вибрационных и вибро-импульсных технологиях применяются механические колебания, а в нанотехнологиях пульсировать должны рабочие воздействия на обрабатываемую среду, используемые в данной реализуемой технологии. За-

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ К вопросу о разработке феноменологии нанотехнологий производства строительных материалов кономерности пульсирующих воздействий будут сохраняться и в этом случае.

Методы феноменологического представления вибрационных технологических процессов стройиндустрии достаточно подробно разработаны. Используя существующие подходы и опираясь на законы, действующие на наноуровне, могут быть разработаны феноменологии конкретных нанотехнологических процессов. Следует также отметить, что в сфере нанотехнологий с помощью современной аппаратуры можно провести высокоточную идентификацию разработанных феноменологических моделей. Так, например, переход феноменологического анализа на нанометрический уровень дал принципиально новые возможности поромеханического изучения цементных систем (глобулы геля С-5, включая внутриглобулярную и межглобулярную пористость). Под термином поромеханика обычно понимают изучение пористых материалов, на механическое поведение которых значительное влияние оказывает поровая жидкость.

Закономерности функционирования вибрационных машин для объёмной технологической обработки дисперсных сред определяются не геометрическими параметрами механизма, а совокупностью всех действующих сил – привода и нагрузки. Система «вибромашина– привод–нагрузка» характеризуется сильными связями и взаимодействиями между составляющими её элементами и по существу представляет собой единый органический комплекс, функционирующий по общим законам. При динамических исследованиях исключение из рассмотрения или недостаточно корректное описание хотя бы одного из элементов системы приводит к искажению физики действительного явления. Одним из основных и в то же время наиболее сложных для корректного описания элементов системы является технологическая нагрузка. Сегодня эффективному решению проблемы физически достоверного учёта влияния нагрузки на режим работы технологической виброустановки может помочь использование феноменологических моделей наносред, идентифицированных современными методами натуре.

Имеющийся экспериментальный и опытный материал, накопленный в области нанотехнологий, может быть использован для идентификации и определения параметров механореологических моделей дисперсных сред, подвергающихся объёмной вибрационной обработке.

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ К вопросу о разработке феноменологии нанотехнологий производства строительных материалов

Наиболее достоверно идентификацию моделей можно производить путем прямого сопоставления аналогичных характеристик исследуемого технологического процесса, получаемых во время натурных и математических экспериментов. Этот метод особенно эффективен в том случае, когда экспериментальный стенд оборудован современной аппаратурой для регистрации реологических характеристик дисперсной среды и её напряженно-деформированного состояния, аналого-цифровым преобразователем для передачи регистрируемых сигналов с датчиков непосредственно на компьютер, оснащенный программным обеспечением для проведения соответствующего математического эксперимента. В этом случае идентичность модели натуре может непрерывно контролироваться в ходе всего процесса экспериментально-теоретических исследований по значительному числу параметров: классическим и вибрационным реологическим характеристикам, статическим и динамическим параметрам напряженно-деформированного состояния, энергетическим показателям и др.

Суть метода идентификации по экспериментальным данным сводится к тому, что определенные методом динамических испытаний характеристики процесса представляются как многозначные функции (например перемещения и скорости рабочего органа, деформации и скорости деформации среды или совместно обоих параметров), и их осреднённые значения сопоставляются затем с расчётными характеристиками соответствующего технологического процесса. На изложенных выше принципах в среде MATHCAD и MATLAB сформирован программный продукт идентификации феноменологических моделей дисперсных сред.

При разработке феноменологии вибрационной объёмной обработки дисперсных наносред были учтены некоторые важные особенности рассматриваемого процесса, не нашедшие отражения в традиционных подходах.

Процессы объёмной вибрационной обработки дисперсных сред протекают в зоне вибрационных полей, ускорения которых превышают, особенно в современных вибрационных установках, ускорения силы тяжести. В связи с этим обычно используемые классические реологические модели дисперсных систем дополнены элементами массы, воплощающими свойство инертности и позволяющими воспроизводить инерционные нагрузки, которые являются преобладающими в вибрационных технологиях. Разработка инерционной реологической

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ К вопросу о разработке феноменологии нанотехнологий производства строительных материалов модели дисперсной среды позволила дать теоретическое обоснование резонансным технологическим процессам обработки дисперсных сред и создать методы проектирования резонансных технологических режимов.

Экспериментально выявлены резонансные режимы деформации дисперсных сред в процессе их вибрационной объёмной обработки. В то же время известно, что резонансные режимы могут реализоваться только в системах, обладающих, наряду с упругостью, инерционными свойствами (резонансные режимы колебаний устанавливаются при выполнении условия равенства восстанавливающих сил упругих элементов и инерционных сил элементов массы). Поэтому только реологические модели дисперсных сред, содержащие в своей структуре инерционные элементы (массы), могут быть использованы для отыскания параметров наиболее эффективных в технологическом отношении резонансных режимов вибрационной объёмной обработки. Определение зарезонансных режимов обработки с использованием реологических моделей, не содержащих в своей структуре инерционных элементов (масс), также не может производиться без грубых ошибок, так как характер этих режимов определяется преимущественно инерционной составляющей обрабатываемой среды (вклад сил инерции преобладает над вкладом всех прочих действующих в системе сил).

Обрабатываемые вибрацией дисперсные среды являются объёмными объектами, в которых протекают сложные, взаимодействующие между собой пространственные деформации среды и циркуляционные движения её частиц. В связи с этим при проведении теоретических исследований, не нарушая физической достоверности реальных процессов вибрационной обработки дисперсных сред, нельзя ограничиваться линейными моделями. Следует также принимать во внимание то, что при линейном подходе нельзя корректно определить такой важнейший показатель многих технологических процессов, как степень уплотнения обрабатываемой среды, так как этот показатель по определению является объёмным.

Реальные технологические процессы объёмной вибрационной обработки дисперсных сред характеризуются периодическими переходами от одного напряженно-деформированного состояния к другому, причём моменты этих переходов формируются самим ходом процесса, они не известны заранее и при проведении реологических исследований не могут устанавливаться извне и произвольно.

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ К вопросу о разработке феноменологии нанотехнологий производства строительных материалов

Другой не менее сложной проблемой является необходимость учёта скачкообразного изменения характеристик структурированных дисперсных систем в моменты разрушения структуры под воздействием вибрационных импульсов или восстановления её при снятии вибрационных воздействий. Причём моменты этих структурных переходов также заранее не известны и формируются самим ходом процесса объёмной технологической обработки в вибрационном поле.

В практике использования особо интенсивных режимов работы вибрационных установок для обработки дисперсных сред могут происходить и более радикальные скачкообразные изменения технологического процесса. Обрабатываемая среда может периодически терять контакт с рабочим органом виброустановки. С момента потери контакта система «технологическая среда–вибрирующий рабочий орган» распадается на две независимые подсистемы – «технологическая среда» и «вибрирующий рабочий орган», движущиеся каждая по своим законам. Обрабатываемая среда подвергается уже не деформациям, а совершает механические движения – свободное перемещение в атмосфере, а рабочий орган – колебания без технологической нагрузки. Общими у них остаются только начальные условия независимых движений. Спустя некоторое время эти две самостоятельные системы вновь консолидируются в единую, но их объединение происходит уже при различных начальных условиях, как у падающей дисперсной среды, так и у вибрирующего рабочего органа. Несоответствие начальных условий в момент объединения подсистем приводит к формированию некоторого промежуточного ударного процесса выравнивания и приведения в соответствие режимов их движения. Таким образом, в этих условиях формируется уже не вибрационный, а виброударный режим объёмной обработки. В таких режимах технологический процесс не может быть описан только реологическими уравнениями.

Корректная феноменологическая модель общего случая объёмной вибрационной обработки дисперсной среды должна воспроизводить не только деформационные процессы, но и описывать её механические движения. Следовательно модель должна быть механореологической. Для обеспечения правильного функционирования и всестороннего описания механореологических аспектов поведения дисперсной среды в процессе вибрационной обработки сформированы логические условия (алгоритм управления решением системы уравнений, описывающих реальный технологический процесс) преобразования её структуры и

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ К вопросу о разработке феноменологии нанотехнологий производства строительных материалов перехода из реологической конфигурации в механическую и наоборот.

Кроме сил сухого и вязкого трения о рабочий орган виброустановки, в разработанной феноменологии учтены, в числе прочих внешних сопротивлений, действующих на дисперсную среду в процессе её вибрационной обработки, силы адгезии (прилипания), аэродинамические и аэростатические сопротивления.

Разработан универсальный самоконфигурирующийся механорео-логический модуль пространственной многомассной упруго-вязко-пластично-инерционной модели слоя дисперсной среды и сформирована логическая система, отслеживающая ход технологического процесса и адекватно конфигурирующая структуру и параметры используемых механореологических модулей. Путём наслоения или стыковки универсальных механореологических модулей могут формироваться разветвлённые феноменологические модели любой конфигурации и сложности реально осуществляющихся в производстве технологических процессов вибрационной объёмной обработки дисперсных сред.

Модуль самоконфигурирующейся пространственной феноменологической модели инерционной упруго-вязко-пластичной дисперсной среды характеризуется следующими параметрами:

k1x, k1y, k1z, kx, ky, kz – коэффициенты упругих сопротивлений;

cx, cy, cz – коэффициенты вязких сопротивлений;

fx, fy, fz – пределы пластического деформирования;

knx, kny, knz – коэффициенты пластического деформирования;

m, m1 – инерционные коэффициенты (массы);

iyx, iyz – коэффициенты взаимодействия напряжений по главным осям;

µyx, µyz – коэффициенты сухого трения по плоскостям yx, yz.

Информацию о модуле следует дополнить параметрами, характеризующими исследуемый технологический процесс.

Сопровождающий компьютерный программный продукт выдает полную текущую и интегральную информацию о ходе технологического процесса в табличной и графической интерпретации.

В результате проведения математического эксперимента на РС с использованием феноменологической модели дисперсной среды получена следующая информация.

Кинематические и динамические характеристики:

δ (t)_x, δ (t)_y, δ (t)_z, x(t), у(t), z(t) – деформации и перемещения;

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ К вопросу о разработке феноменологии нанотехнологий производства строительных материалов

δ (t)_x, δ (t)_y, δ (t)_z, х’(t), y’(t), z’(t) – скорости деформаций и перемещений;

δ ’’(t)_x, δ ’’(t)_y, δ ’’(t)_z, x’’(t), у’’(t), z’’(t) – ускорения деформаций и перемещений.

Силовые характеристики:

F ex , F ey , F ez , F vx , F vy , F vz , F evx , F evy , F evz , F nx , F ny , F nz , F nx^* , F ny^* , F nz^* – напряжения: упругие, вязкие, упруго-вязкие и пластические без упрочнения и с упрочнением;

Nx, Ny, Nz, Fx, Fy, Fz – нормальные и касательные силы, действующие на рабочий орган технологической машины.

Энергетические характеристики:

Wex, Wey, Wez, Wvx, Wvy, Wvz, Wnx, Wny, Wnz – затраты энергии на упругие, вязкие и пластические деформации обрабатываемой среды и ее механические перемещения;

Wn, Wk – циркуляции потенциальной и кинетической энергии в обрабатываемой среде в процессе её периодических (вибрационных) деформаций;

Wfx, Wfy, Wfz – затраты энергии на трение о рабочий орган и на преодоление прочих сопротивлений;

W _Σ – суммарные затраты энергии на ведение технологического процесса.

Специальные характеристики (определяются для конкретного нанотехнологического процесса):

– полные реологические характеристики обрабатываемой среды в условиях наложения вибрационных воздействий;

– амплитудно-частотные характеристики;

– частотно-силовые характеристики;

– фазовые характеристики по всем параметрам технологического процесса;

– фазовые портреты (деформация–скорость, деформация–ускорение деформации–скорость деформаций, деформация–напряжение, де-формация–затраты энергии на деформацию и т.д.);

– спектральный состав, дисперсия, математическое ожидание и проч.

Полученная информация (всего свыше 30 характеристик) позволяет квалифицированно проводить оптимизацию технологических режимов переработки высоконаполненных структурированных Т-Ж-Г дисперсных систем с высокоэффективным использованием вибрационных

И.Ф. ГОНЧАРЕВИЧ К вопросу о разработке феноменологии нанотехнологий производства строительных материалов воздействий. Данная математическая модель при небольших доработках легко адаптируется для исследования специальных задач вибрационной технологии.

Значительные информативные возможности приведенной феноменологической модели дисперсной среды и сопровождающего программного продукта позволяют использовать их в качестве базового объекта вычислительной системы оптимального многокритериального проектирования технологических процессов вибрационной объёмной обработки дисперсных сред.