научная статья по теме СТРУКТУРИРОВАНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА Химия

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРИРОВАНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 1, с. 96-102

УДК 691.26 : 534.143

СТРУКТУРИРОВАНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

© 2004 г. В. И. Зарембо, О. Л. Киселева, А. А. Колесников, Н. А. Бурное, К. А. Суворов

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет) Поступила в редакцию 28.01.2003 г.

Исследовано влияние слабых электромагнитных полей радиочастотного диапазона на процессы твердения минеральных вяжущих материалов, кристаллизации металлов и сплавов, растворов и расплавов солей. Воздействие электромагнитного поля на эти процессы объяснено электромагнитно-акустическими преобразованиями. Предположено, что в резонансном режиме при диссипации энергии устанавливаются согласованные движения флуктуирующих надмолекулярных структур в мезофазе, что увеличивает скорость переноса и выравнивания термодинамических параметров.

ВВЕДЕНИЕ

О мезофазе уже довольно много известно [1]. Транспортные свойства мезофазы, в том числе и тепловые, значительно отличаются от свойств обычных макроскопических систем. Следует отметить неаддитивность последовательных сопротивлений (сопротивление двух мезообъектов обычно оказывается больше, чем сопротивление, получаемое по известному правилу сложения). В литературе встречается использование этого подхода для фононного, теплового и термоэлектрического транспорта, неупругих процессов в самой системе, эффекта Холла [2].

Производство композиционных неорганических материалов с помощью механических, акустических, электромагнитных воздействий на вязкие конденсированные системы представляет интерес, особенно с целью энергосбережения [3].

В реальных условиях фазовые и химические превращения композитов проходят через ряд состояний с различной термодинамической устойчивостью, и некоторые из них могут представлять собой временные диссипативные структуры [4]. Термодинамическая устойчивость нарушается в случае отрицательной величины энтропии и наличия источников энергии в системе или ее притока. Нами экспериментально установлено, что внешние низкочастотные возмущения малой мощности воздействуют на конденсированные среды при фазовых переходах. Процесс формирования коагуляционно-конденсированных структур ("гель-фракции") с переменным соотношением компонентов при силовых или иных полевых воздействиях позволяет осуществлять направленное технологическое управление, а следовательно, получать

материалы с заданными свойствами и без значительных энергетических затрат.

В данной работе исследовано влияние слабых электромагнитных полей (ЭМП) радиочастотного диапазона на процессы твердения минеральных вяжущих материалов, кристаллизации металлов и сплавов, растворов и расплавов солей.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Лабораторные исследования проводили по широко используемым методикам, а промышленные - по действующим стандартам в сертифицированных лабораториях.

В лабораторных условиях для электромагнитного воздействия на кристаллизацию металлов и сплавов, солей из их водных растворов, а также на твердение композитов на основе минеральных вяжущих веществ использовали формы и реакторы (проводящие электрический ток) и металлическую оснастку или изложницы заводского производства, широкополостный генератор токовых импульсов радиочастотного диапазона 1-8000 кГц. Блок-схема установки приведена на рис. 1. [3]. Металлические реактор или форма являются ча-

'перем

О

\zzzzzzzzzzzzzИ

перем

Рис. 1. Блок-схема установки: 1 - генератор переменного тока, 2 - исследуемый образец, 3 - электропроводящий реактор (изложница, кристаллизатор, опалубка).

1

стью петлевого вибратора, играя роль антенны, излучающей ЭМП.

Были исследованы частотные зависимости различных свойств: твердости, пластичности, прочности на сжатие, фракционного состава, пористости, морозостойкости, фигур травления, распределения неоднородностей фаз с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Влияние ЭМП на кристаллизацию сплавов на

основе А1 или /п. В промышленных условиях1 отливки (массой 300 кг) из сплава на основе алюминия АМг-5-Мц (содержание элементов (мас. %): - 5.9, - 0.26, Си - 0.08, Бе - 0.42, Мп - 0.59, Т - 0.07, 2п - 0.08, Ве - 0.04, А1 - остальное) получали кристаллизацией расплава в чугунных изложницах при температуре 710°С. Кристаллизацию, начавшуюся при 685°С, проводили под воздействием переменного ЭМП с частотой основной гармоники 250 кГц (экспериментальный образец) и без него (контрольный образец). По результатам 20 опытов обнаружено, что в отливках, полученных в ЭМП, отсутствует пористость по гексафто-риду серы, тогда как 8 слитков (40%) контрольных образцов обладают дефектами.

Результаты механических испытаний образцов, специально изготовленных из этих отливок, свидетельствуют о влиянии ЭМП на прочностные и пластические характеристики сплава. При кристаллизации в присутствии ЭМП предел прочности образцов при растяжении (аь) увеличивается на 15%, относительное удлинение при разрыве (5) -на 90%, а относительное сужение (у) - на 130% по сравнению с контрольным образцом (табл. 1)

Отливки (массой 2 кг) из сплава на основе цинка ЦА4М1 (содержание элементов (мас. %): А1 -3.75, Си - 0.93, Мп - 0.05, 2п - остальное) получали кристаллизацией расплава на литьевых машинах под давлением. Электромагнитное поле частотой от 50 до 250 кГц создавалось непосредственно на литьевой машине.

На рис. 2 представлены результаты сканирующей микроскопии шлифов из этого сплава в отраженных электронах (режим г-контраста). Микроструктуру исследовали на сканирующем электронном микроскопе 18М-35СБ (фирма ШОЬ, Япония). Видно, что сплав, закристаллизованный в поле, имеет более мелкие зерна матрицы, чем контрольный образец.

Микротвердость образцов из этого сплава определяли с помощью прибора ПМТ-3 (табл. 2). Увеличение микротвердости при частоте 250 кГц также свидетельствует о более мелких зернах полученного сплава в соответствии с формулой Пет-ча-Холла [5].

1 ОАО "Кировский завод", г. Санкт-Петербург.

2 ОАО "ПЕКАР", г. Санкт-Петербург.

Таблица 1. Механические свойства образцов сплава на основе алюминия АМг-5-Мц (I - контрольный образец, II - полученный при наложении ЭМП)

Образец оь, МПа 5, % V, %

I 215 ± 6 4.3 ± 0.2 1.4 ± 0.2

II 253 ± 8 9.2 ± 0.4 4.3 ± 0.2

Таблица 2. Микротвердость образцов из сплава на основе цинка ЦА4М1, полученного на литьевой машине под давлением (I - контрольный образец, II - полученный при наложении ЭМП с разными частотами)

Образец Микротвердость, МПа

I 100

50 кГц 101

II 90 кГц 99

250 кГц 120

Влияние ЭМП на процесс твердения цемента

ПЦ-400. Смесь портландцемента марки ПЦ-400 с водой (мас. соотношение 10 : 4, водное число 0.32) готовили весовым способом и вносили в разборные металлические формы с ячейками размером 2 х 2 х 2 см.

В первой серии опытов образцы выдерживали при 80°С и 100%-ной влажности в течение 3.5 ч для получения твердого композита. Процесс проводили в ЭМП, а также без него. Сразу после охлаждения образцов при комнатной температуре определяли прочность на сжатие. При воздействии ЭМП в интервале частот 1.5-2 МГц прочность образцов на сжатие повышается [6]: при частоте 1.5 МГц она составляет 35 МПа, тогда как для контрольного образца она равна 25 МПа.

Во второй серии лабораторных испытаний на образцах тех же размеров и в том же количестве исследовали кинетику твердения цемента под действием ЭМП с частотой 2 МГц при температуре 80°С и влажности воздуха 100%. В контрольном эксперименте твердение проходило в аналогичных условиях без ЭМП. При воздействии ЭМП прочность образцов на сжатие 40 МПа достигается через 4 ч, а в его отсутствие - через 9 ч. Таким образом, удается сократить время повышения прочности цемента в ~2 раза.

С помощью сканирующей электронной микроскопии и метода ртутной порометрии исследовали пористую структуру образцов цемента ПЦ-400, полностью затвердевших при тепловлажно-стной обработке в ЭМП с частотой 1.5 МГц и без

Рис. 2. Микроструктура сплава на основе цинка ЦА4М1, полученного без воздействия поля (а) и под воздействием ЭМП с частотой 200 кГц (б) (х400).

Рис. 3. Микрофотографии образцов цемента ПЦ-400, полученных без воздействия поля (а) и под воздействием ЭМП (б) (х30).

него. В сочетании с методами определения кажущейся и пикнометрической плотностей были получены данные по распределению удельного суммарного объема пор по размерам вплоть до 3 нм [7].

Порометрические исследования показали, что воздействие ЭМП приводит к сокращению числа и объема пор, повышению однородности пористой структуры материала, а удельная поверхность пор сокращается в 10-100 раз [6].

Поверхности сколов образцов исследовали на сканирующем электронном микроскопе 1БМ-35СР с предварительным катодным напылением проводящего покрытия (Р1-Рё-сплав). Микрофотографии получали во вторичных электронах при различных величинах разрешения микроскопа (рис. 3 и 4).

При малом увеличении (рис. 3) в образце поры более крупные и менее равномерно распределены по объему материала. При большем увеличении видно, что каждая крупная пора содержит в себе более мелкие поры. У исследованного образца таких мелких сквозных пор меньше, а внутренняя поверхность крупных пор более однородная. При больших увеличениях (рис. 4) можно оценить характер изменения кристаллической структуры материала. На поверхности экспериментального образца наблюдаются мелкие игольчатые кристаллы, тогда как в контрольном образце таких включений не выявлено.

Морозостойкость образцов цемента ПЦ-400 (в форме куба с ребром 2 см) определяли путем многократного попеременного замораживания (-15-20°С) и оттаивания в воде (15-20°С). После проведения 90 циклов определяли прочность образцов при сжатии. Морозостойкость при сжатии образцов оценивали путем сравнения прочности экспериментальных и контрольных образцов, на-

сыщенных водой. Для определения влагоемкости контрольные и экспериментальные образцы цемента ПЦ-400 (по 5 в каждой серии) взвешивали после предварительного вакуумирования и последующего насыщения водой на установке "Со-юзавтоматстрой".

Скорости продольны

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком