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.