Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов

Е.В. КОРОЛЕВ, В.А. СМИРНОВ, Д.Г. КИСЕЛЕВ Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов ногообразие исходных компонентов композиционных материалов – одна из предпосылок их успешного применения в качестве функциональных материалов в строительстве. Серные строительные материалы являются композиционными материалами с термопластичной матрицей, при изготовлении которых в качестве вяжущего используется сера. Положительными свойствами серных композитов являются: технологичность серобетонных и растворных смесей; быстрый набор прочности, связанный только с периодом остывания и кристаллизации серы; относительно высокая прочность; практически универсальная стойкость к действию агрессивных сред; низкое водопоглощение и, как следствие, высокая водо- и морозостойкость [1].

Возможности для достижения требуемых показателей эксплуатационных свойств серных композиционных материалов могут быть реализованы большим числом способов: введением в матричный материал добавок; введением активных – усиливающих – дисперсных наполнителей; хаотическим и непрерывным армированием. Одним из эффективных способов управления свойствами серных композитов является использование комплекса мер, направленных на улучшение адгезионной связи на границе раздела фаз или на формирование переходных слоев, способствующих релаксации напряжений и увеличивающих полноту включения дисперсной фазы в механическую работу композита. Типичное значение толщины переходного слоя синтезируемых новообразований, формирование которого на межфазной границе достаточно для реализации комплекса положительных изменений эксплуатационных свойств, по порядку величины не превышает 100 нм. Свойства таких новообразований существенно зависят от масштаба; проявление масштабного фактора – признак, позволяющий классифицировать такие технологические подходы, как наномодификацию композитов. Практическая реализация нанотехнологии при изготовлении композиционных материалов осуществляется посредством технологических

Е.В. КОРОЛЕВ, В.А. СМИРНОВ, Д.Г. КИСЕЛЕВ Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов операций нанесения слоя прекурсора на поверхность тонкодисперсной фазы [2]. Численное исследование напряженно-деформированного состояния системы «наполнитель-сера» свидетельствует, что формирующийся слой обеспечивает термическую усадку оболочки серы и создает предпосылки формирования кристаллической структуры в равновесных условиях [1].

Одним из важнейших макроскопических показателей качества сформировавшейся структуры строительного материала является предел прочности при сжатии. Вместе с тем, одно лишь численное значение предела прочности не является исчерпывающей характеристикой структуры; для исследования ее качества необходимо привлекать кинетические закономерности процесса разрушения.

Непосредственное получение информации о кинетике дефектоо-бразования в процессе развития механических напряжений возможно при использовании метода акустической эмиссии (АЭ), основанного на регистрации механических колебаний, обусловленных локальной динамической перестройкой внутренней структуры [3]. В отличие от методов активной интроскопии (ультразвуковая дефектоскопия, УФ- и рентгеновская дефектоскопия и др.), использующих внешние по отношению к исследуемому объекту источники регистрируемого сигнала, в методе АЭ таким источником является образец исследуемого материала. Отсюда закономерно следуют как положительные, так и отрицательные стороны метода АЭ – необходимость подавления посторонних акустических помех, повышенные требования в отношении чувствительности акустоэлектронного тракта и т.п. (например, [4]).

Для регистрации первичных информативных признаков сигналов АЭ нами использованы: авторское приемное устройство и программное обеспечение регистрации сигналов [5]. Приемное устройство (рис. 1) включает:

• •    два пьезоэлектрических приемных преобразователя;

• •    предварительный усилитель;

• •    полосовой фильтр с частотами среза 20 и 96 кГц;

• •    основной усилитель;

• •    двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с частотой дискретизации 192 кГц;

• •    схему подавления помех.

Е.В. КОРОЛЕВ, В.А. СМИРНОВ, Д.Г. КИСЕЛЕВ Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов

Рис. 1. Устройство регистрации сигналов АЭ

Основным первичным информативным признаком АЭ являлась амплитуда. Для нахождения энергии АЭ в [6] предложено использовать соотношение:

1т

,                                                                       (1)

о где R – входное сопротивление приемного преобразователя; t – время; A(t)– амплитуда АЭ. Дискретным аналогом (1) является сумма

E [ л=^ £ ( A [ M) ²,                                     (2)

R i =1

где ∆ t – интервал дискретизации; R – входное сопротивление приемного преобразователя; t_i – дискретное время; A [ t_i ] – амплитуда АЭ. При вычислении (2) использована огибающая сигнала амплитуды АЭ (частота среза 96 кГц).

Для исследования кинетики разрушения наномодифицирован-ных серных композитов были изготовлены образцы-балочки размером 10х10х50 мм. В качестве тонкодисперсного наполнителя был использован тальк. Значения рецептурных факторов изготовленных материалов приведены в табл. 1. После исследования значений пределов прочности при изгибе половинки балочек были испытаны на сжатие. В процессе нагружения регистрировалась амплитуда АЭ.

Зависимости суммарной энергии АЭ от относительного (по отношению к пределу прочности при сжатии) механического напряжения приведены на рис. 2...7.

                          к содержанию

Е.В. КОРОЛЕВ, В.А. СМИРНОВ, Д.Г. КИСЕЛЕВ Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов

Таблица 1

Рецептуры серных композитов

№ образца	Объемная степень наполнения	Наличие прекурсора
1	0,2
2	0,25
3	0,3
4	0,2	+
5	0,25	+
6	0,3	+

Известно (например, [1, 7]), что одним из показателей дефектности материала является относительная доля энергии АЭ, выделяющаяся на начальном этапе нагружения. Регистрация АЭ при малых относительных механических напряжениях свидетельствует о раннем трещино-образовании и повышенной дефектности материала. Интегральное значение энергии АЭ может быть не связано с прочностными показателями материала.

Как следует из рис. 2 и 3, при малой объемной доле дисперсной фазы наномодификация не приводит к существенному изменению характера кинетики разрушения. Это обусловлено распределением прекурсора по поверхности наполнителя – эффект наномодификации непосредственно связан с полной площадью границы межфазного раздела.

Анализ зависимостей на рис. 2…7 показывает, что серные композиты, при изготовлении которых не была использована наномодификация, обладают повышенной дефектностью. Несмотря на то, что абсолютное суммарное значение энергии АЭ является наименьшим для одного из контрольных составов (образец 2 – менее 0,5 нДж), эмиссия для образцов 2 и 3 начинается на сравнительно ранних этапах нагружения. Это соответствует сформировавшейся структуре композита, которой присуще относительно большое количество первоначальных дефектов (очагов разрушения – микротрещин). При напряжении 80% от разрушающего суммарная энергия АЭ для образцов 2 и 5 составляет 0,45 и 0,12 нДж, соответственно (более чем трехкратное превышение для контрольного состава). Для образцов 2 и 5 это превышение становится

Е.В. КОРОЛЕВ, В.А. СМИРНОВ, Д.Г. КИСЕЛЕВ Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов

Рис. 2. Энергия АЭ, образец 1

Рис. 3. Энергия АЭ, образец 4

Е.В. КОРОЛЕВ, В.А. СМИРНОВ, Д.Г. КИСЕЛЕВ Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов

Рис. 4. Энергия АЭ, образец 2

Рис. 5. Энергия АЭ, образец 5

Е.В. КОРОЛЕВ, В.А. СМИРНОВ, Д.Г. КИСЕЛЕВ Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов

Рис. 6. Энергия АЭ, образец 3

Рис. 7. Энергия АЭ, образец 6

Е.В. КОРОЛЕВ, В.А. СМИРНОВ, Д.Г. КИСЕЛЕВ Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов более чем пятикратным, что свидетельствует о повышении эффективности наномодификации. Деструктивные процессы (определяемые по резкому возрастанию АЭ) в наномодифицированных композитах начинаются непосредственно перед механическим разрушением.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что количественной характеристикой дефектности может являться значение относительного механического напряжения, соответствующее половинному значению суммарной энергии (медианное напряжение). Близость этого показателя к единице – свидетельство пониженной дефектности материала.

В сериях композитов, изготовленных без использования методов нанотехнологии, среднее значение медианного напряжения составляет 0,64. Для наномодифицированных композитов среднее значение медианного напряжения возрастает на 47% (до 0,94).

Коэффициенты корреляции пределов прочности при сжатии, медианного напряжения и суммарной энергии АЭ приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты корреляционного анализа

№№ образцов	rRs	rRE	rEs
1…3	0,40	0,19	0,98
4…6	0,98	0,76	0,60

В табл. 2 использованы обозначения:

• –    r_Rs – линейный коэффициент корреляции предела прочности при сжатии и медианного напряжения;

• –    r_RE – линейный коэффициент корреляции предела прочности при сжатии и суммарной энергии АЭ;

• –    r_Es – линейный коэффициент корреляции суммарной энергии АЭ и медианного напряжения.

Как следует из данных табл. 2, предел прочности при сжатии и медианное напряжение находятся в устойчивой корреляционной связи: среднее значение соответствующего коэффициента корреляции составляет 0,69. Эта связь является наиболее тесной для наномодифициро-ванных композитов – коэффициент корреляции составляет 0,98, что свидетельствует о практически линейной зависимости.

Е.В. КОРОЛЕВ, В.А. СМИРНОВ, Д.Г. КИСЕЛЕВ Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов

Таким образом, наномодификация серных композитов позволяет существенно уменьшить число очагов разрушения. Выраженность эффекта наномодификации увеличивается вместе с возрастанием объемной степени наполнения, что обусловлено выбранной технологией. Показано, что при напряжении 80% от предела прочности суммарная энергия АЭ для контрольных образцов многократно превышает энергию для наномодифицированных. Для трех количественных характеристик – предела прочности при сжатии, медианного напряжения и суммарной энергии АЭ – найдены взаимные линейные коэффициенты корреляции. Установлено, что предел прочности при сжатии и медианное напряжение находятся в тесной корреляционной связи – значение соответствующего коэффициента корреляции для наномодифициро-ванных композитов составляет 0,98.

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Королев Е.В., Смирнов В.А., Киселев Д.Г. Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. – М.: ЦНТ «НаноСтроительство», 2013. – Том 5, № 6. – C. 31–43. URL: (дата обращения: _____________).

Е.В. КОРОЛЕВ, В.А. СМИРНОВ, Д.Г. КИСЕЛЕВ Кинетика разрушения наномодифицированных серных композитов