Properties of foam glass with fulleren-like mesostructure.pdf На сегодняшний день твердое тело трактуется как многоуровневая, иерархически соподчиненная система структурных элементов разных масштабов. Элементарными представителями мезоуровня являются объемные структурные элементы конечных размеров (зерна, блоки, субзерна, поры, ячейки, клетки) [1, 2]. Обычно объектом изучения на мезоуровне является мезообъем материала, в котором наблюдаются и анализируются элементы с явно выраженными внутренними границами и специфическими характеристиками. Внутренние границы выступают как мезоконцентраторы напряжений [3-8]. В данной работе представлено исследование иерархической структуры на мезоуровне неорганических веществ - жидкостей. Объектом исследования выбрана твердая жидкость - пеностекло. Его уникальные свойства прямо зависят от того, какие мезообъекты или объемы материала и по каким структурным законам расположены на мезоуровне. Форма, степень однородности распределения пор, состав и толщина перегородки предопределяют основные эксплуатационные характеристики пористого материала. Микро- и наноразмерные частицы кристаллической фазы, присутствующие в аморфной матрице, значительно увеличивают механическую прочность пеностекла [9-11]. Цель работы - оценить влияние добавки наноразмерных частиц диоксида циркония при получении пеностекольного материала на его структуру и свойства. Выбранный для исследования диоксид циркония представляет собой циркониевый концентрат со значительным содержанием ZrO2 99.9 %. Данный концентрат имеет усредненный размер частиц (30 нм), полученный путём плазмохимического синтеза. Для получения образцов использован порошок листового стекла, который измельчали на планетарной мельнице PULVERISETTE 5 до удельной поверхности 6000 см2/г. Наноразмерный диоксид циркония вводился в смесь порошка стекла с сажей в количестве 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 и 1.1 мас. %. Количество сажи, выполняющей роль газообразователя, было постоянным и составляло 0.5 мас. %. Процесс вспенивания осуществляли в муфельной печи при температуре 850 оС, выдерживая образец при этой температуре 20 мин. Показатели основных эксплуатационных характеристик полученных образцов приведены в таблице. Характеристики пеностекла, модифицированного наноразмерным ZrO2 Добавка ZrO2, мас. % Кажущаяся плотность, кг/м3 Средний размер пор, мм Предел прочности при сжатии, МПа Акустический коэффициент пропускания звуковой волны для частоты, Гц Коэффициент теплопровод-ности, Вт/(мК) 400 800 0 181.0 1.1 1.56 0.43 0.30 0.056 0.3 142.5 1.2 0.89 0.10 0.15 0.049 0.5 166.2 1.6 1.10 0.30 0.23 0.052 0.7 132.7 2.0 0.23 0.31 0.26 0.050 0.9 143.5 2.1 0.60 0.29 0.18 0.049 1.1 114.2 2.5 0.19 0.28 0.17 0.045 Одним из основных свойств пеностекла является механическая прочность, прямо связанная с пористой структурой материала, а также её плотностью. Экспериментально установлено, что максимальной прочностью обладают образцы, модифицированные ZrO2 в количестве 0.5 мас. %. При увеличении добавки в дальнейшем замечено снижение как плотности образцов пеностекла, так и их прочности. Другим свойством пеностекла, о котором стоит упомянуть, является звукопоглощение, которое характеризуется через акустический коэффициент. Было установлено, что структура пеностекла оказывает влияние на акустический коэффициент. Добавление в пенообразующую смесь ZrO2 приводит к изменению в размерах пор и характере их распределения по размерам и форме. Это приводит к уменьшению коэффициента пропускания звуковой волны в диапазоне частот 250-800 Гц. Введение наноразмерного диоксида циркония также существенно влияет на теплопроводность материала, что видно по изменениям значений коэффициента теплопроводности (таблица). Зависимость является прямолинейной. В ходе эксперимента установлено уменьшение коэффициента теплопроводности на 20 %, что может говорить о существенном изменении мезоструктуры пеностекла, приводящем к увеличению теплоизоляционных свойств материала. Основные эксплуатационные характеристики полученного материала определяются его мезоструктурой, формой пор, плотностью, и наличием свободного пространства во внутренней структуре. Выявлено, что при увеличении содержания в составе материала наноразмерного диоксида циркония с 0.3 до 1.1 мас. % наблюдается увеличение пористости материала с ростом среднего размера пор, что приводит к снижению его плотности. На данный момент принято считать, что структуры и свойства иерархических наноматериалов хорошо описываются многомасштабным моделированием [12]. В настоящей работе поставлена задача - получить полифункциональное пеностекло на принципах многомасштабного построения мезобъемов. Управляющим параметром выбраны форма и размеры основных структурных элементов на разных масштабных уровнях. Результативность решения поставленной задачи вытекает из возможности проконтролировать структуру материала на трех уровнях - нано, микро, мезо. Ранее было установлено, что пеностекло характеризуется сложной на микроуровне атомной структурой, которая имеет в себе нанокластеры - кристаллиты матрицы стекла [13]. В структуре модифицированного пеностекла наблюдается упорядоченность, которая проявляется в построении иерархически соподчиненной системы как на мезоуровне, так и на микроуровне. Для данных систем распределение в пространстве объекта пор и наноскластеров является типовым набором. Наличие кластеров правильной с точки зрения симметрии упаковки пор и упорядоченно расположенных в рентгено- аморфной матрице - это главное условие формирования структуры. При этом на уровне образования пор должна формироваться и формируется упорядоченная структура пор с пятой и шестой симметрией (рис. 1). Каждый из пятиугольников со всех сторон окружён шестиугольниками. Усечённый икосаэдр - один из самых часто встречаемых полуправильных многогранников в природе. Рис. 1. Упорядоченная структура пор: а - фото; б - модель Установлено, что при разных долях добавки упорядочиваются либо наборы типа сфера-гексагон, либо только гексагон и пентагон. Отметим, что наличие лишь одного типа симметрии не позволяет материалу иметь весь спектр улучшенных характеристик. Поэтому, используя наноразмерную добавку, удается получить хорошие качества и фуллереноподобную структуру пор. Исходя из исследований, выявлено, что чем больше образовано пентагонов (мезообъемов с симметрией пятого порядка), тем выше такие свойства пеностекла, как акустические, прочностные и теплотехнические. Согласно Дану Шехтману, в случае присутствия определенных условий материал начнёт менять субструктуру, ограниченную в определенных размерах и формах, в стремлении к тому, что наблюдается и присуще живой природе. Шехтман сводит данные изменения на наличие переходной стадии материи. В нашем случае пеностекло можно отнести к такому промежуточному состоянию материи, как связующее звено между идеальным кристаллом и идеальным органическим соединением, и выбрать в качестве показателя симметрийный - наличие пор, упакованных по принципам упаковки природных органических материалов. Итак, в работе получена совокупность результатов по физико-механическим свойствам модифицированного пеностекла. Установлено, что малые добавки ZrO2 приводят к значительному увеличению предела прочности, увеличивают коэффициент отражения акустических сигналов, а также уменьшают на 20 % коэффициент теплопроводности. Полученные новые научные результаты позволили впервые сформулировать новый структурный критерий построения полифункциональных пеностекольных материалов. В работе впервые экспериментально продемонстрирован принцип упаковки по типу фуллерена на мезоуровне, а не на микроуровне.

Скачать электронную версию публикации