Введение к работе
Актуальность работы
Модернизация современного производства на базе внедрения инновационных технических решений неразрывно связана с разработкой новых способов получения материалов и изделий с заданными или принципиально новыми свойствами, с созданием и внедрением эффективных технологических процессов и нового оборудования. Развитие материаловедческой науки на современном этапе сопровождается постоянно растущим интересом специалистов к оксидным системам и их использованию в качестве матричной основы композиционных материалов (КМ). Из многокомпонентных оксидных систем наибольший интерес представляют системы на основе диоксида титана и алюмосиликатных композиций, используемые для каталитических, фильтрационных, разделительных и других процессов.
Важнейшей задачей в области создания данного класса материалов является разработка технологических методов направленного регулирования макро- и микропористости в оксидных композициях, которые бы в полной мере удовлетворяли требованиям как к физико-механическим свойствам материалов, так и к его аэро- и гидропроницаемости.
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наиболее эффективными базовыми технологиями для формирования регулярных сред на различных структурных уровнях являются гранулирование, экструзионное формование и дублирование высокопористых ячеистых полимеров.
Планетарное гранулирование, являющееся достаточно новой областью технологии, позволяет увеличить давление на материал в 100-200 раз по сравнению с давлением в грануляторах со стационарной осью из-за высоких скоростей соударения частиц. В то же время следует отметить отсутствие применения планетарных грануляторов (ПГ) в связи с ограниченной изученностью происходящих в них процессов, отсутствием информации о характере движения материала в грануляторе на уровне частиц, об условиях образования адгезионных связей между частицами различных классов материалов, о кинетических зависимостях процессов гранулирования от планетарной и относительной скоростей вращения. Решение актуальной проблемы исследования закономерностей данного процесса и их влияния на свойства материалов связано с разработкой конструкции гранулятора, обеспечивающей возможность независимого регулирования планетарного и относительного вращения барабанов, а также использования методов математического моделирования для описания кинетики процессов гранулирования.
Для формования из оксидной керамики решетчатых конструкций с регулярной макропористостью наиболее перспективным способом является метод экструзии. Расширение областей использования данного метода для изготовления фильтров, катализаторов и др. требует решения комплекса научных и технологических задач, таких как выбор связующих и пластификаторов, оптимизация реологических характеристик экструдируемого материала, определение количественных критериев формуемости пластифицированной массы и прочности готового изделия, разработка методов расчета прочности формообразующего инструмента, создание технологического оборудования для получения блоков сотовой структуры с различной конфигурацией решетки.
Созданию материалов с заданной макроструктурой различными технологическими методами сопутствует необходимость решения проблемы формирования требуемой микропористости материала каркаса. Используемые в настоящее время экспериментальные методы регулирования микроструктуры не дают полного представления об условиях формирования пространственных микроструктур из дисперсных компонентов порообразователя, при этом значительный интерес представляют исследование процессов микропорообразования на основе моделирования и разработка критериев формирования канальной микропористости.
Проблемы формирования свойств высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ) на основе дублирования полимерной матрицы характеризуются рядом успешных и достаточно значимых практических решений, однако уровень теоретических исследований в этой области является недостаточным, что в значительной степени усложняет проектирование технологического процесса изготовления изделий с заданными свойствами. Актуальными направлениями совершенствования технологического процесса изготовления изделий из ВПЯМ являются теоретические исследования процессов пропитки упругодеформируемых пенополимерных материалов, разработка эффективных методов структурного прогнозирования механических свойств ВПЯМ, уточнение существующих моделей фильтрации при использовании ВПЯМ в качестве фильтров, например, для расплавов металлов.
Технологические методы планетарного гранулирования, экструзии пластифицированных систем, дублирования полимерных матриц разрабатываются и совершенствуются в Научном центре порошкового материаловедения (НЦ ПМ) Пермского национального исследовательского политехнического университета для получения композиционных материалов с регулируемой микро- и макроструктурой на основе дисперсных оксидных порошковых систем.
Связь работы с научными программами, планами, темами
Работа выполнена на кафедре «Порошковое материаловедение» Пермского национального исследовательского политехнического университета и в Государственном научном центре порошкового материаловедения (г.Пермь) в соответствии с научными темами и программами:
«Разработка технологий получения порошковых функциональных материалов с нанокристаллической структурой и высокотехнологичной продукции на их основе» (Госконтракт № 02.447.11.2010) по проекту, выполненному по ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы». Сроки выполнения 2005-2006 гг.;
«Изучение влияния состава и строения поверхности фильтрующих керамических материалов на формирование фазового состава и свойств сплавов (на примере чугуна)» (Грант РФФИ № 04-03-97504 р_офи. Сроки выполнения 2005-2006 гг.);
«Создание научных основ и технологий получения функциональных материалов на основе неравновесных порошковых систем» (Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых ведущими научными школами Российской Федерации № НШ-4156.2006.3. Сроки выполнения 2006-2007 гг.)
Цель работы: научное обоснование и оптимизация технологических решений создания композиционных материалов на основе оксидных систем с регулируемой микро- и макропористостью, изучение закономерностей, моделирование и экспериментальное исследование формирования их структуры и свойств. Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие научные и технологические задачи:
1. Изучить влияние кинематических, конструктивных и технологических параметров планетарного гранулирования на кинетику гранулообразования и закономерности формирования структуры и свойств гранулированных композиционных материалов на основе оксидных систем. Установить и научно обосновать критерии оптимальности технологических процессов планетарного гранулирования для получения материалов с заданными физико-механическими свойствами. Разработать конструкцию планетарного гранулятора с возможностью независимого регулирования планетарной и относительной скоростей вращения барабанов и изготовить его.
2. Изучить закономерности формирования и регулирования канальной микропористости при создании композиционных материалов с периодической макроструктурой, выявить условия формирования пространственных структур из дисперсных компонентов порообразователя.
3. Установить закономерности макро- и микроструктурообразования в процессе экструзионного формования сотовых структур на основе оксидных систем (TiO2, Al2O3-SiO2), разработать количественные критерии формуемости пластифицированных масс и получения бездефектных полуфабрикатов после термообработки. Создать лабораторное и опытно-промышленное оборудование для экструзионного формования, разработать методы расчета технологической оснастки и изготовить формообразующий инструмент.
4. Представить теоретическое и экспериментальное обоснование содержания отдельных технологических этапов создания и использования пенокерамических фильтров для улучшения структурных и физико-механических характеристик металлических сплавов; разработать методы структурного прогнозирования прочностных свойств высокопористых материалов, применяемых в качестве фильтров.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– впервые представлены результаты физико-математического и компьютерного моделирования гранулообразования в процессе планетарного гранулирования на основе метода дискретных элементов в двумерной постановке, позволяющие определить величину планетарной и относительной скоростей вращения, а также время гранулирования для получения гранулированных материалов заданного гранулометрического состава; установлены закономерности формирования структуры и свойств гранул, заключающиеся в выявлении последовательности этапов уплотнения и агломерации частиц порошковой композиции; на уровне частиц изучена зависимость кинетики процесса гранулирования от планетарной и относительной скоростей вращения;
– представлены результаты моделирования процесса формирования пространственных структур из дисперсных компонентов порообразователя в формовочной массе, позволяющие установить минимальное объемное содержание порообразователя с частицами заданного размера, необходимое для получения гарантированной канальной микропористости материала, при заданных вязкости, температуре, скорости сдвига дисперсной среды, а также объемном содержании и размерах частиц порообразователя;
– изучены закономерности макро- и микроструктурообразования в процессе экструзионного формования блочных носителей катализаторов сотовых структур на основе оксидных систем (TiO2, Al2O3-SiO2), устанавливающие влияние состава и структуры пластифицированных масс, режимов формования и термообработки на свойства готовых изделий; сформулированы требования к связующим и пластификаторам, предполагающие включение в состав формовочной массы органических пластификаторов, определяющих реологические и физико-механические свойства перерабатываемой массы, и неорганических связующих, обеспечивающих прочность готового изделия; разработана критериальная оценка структурно-механических характеристик формуемых масс, основанная на установлении взаимосвязи между технологическими параметрами экструзии пластифицированной массы, ее реологическими характеристиками и механическими свойствами готового изделия;
– представлены результаты математического и компьютерного моделирования процессов пропитки упругодеформируемых пенополимерных материалов, фильтрации расплавов металлов через пенокерамические фильтры, а также механического поведения ВПЯМ в процессе нагружения, позволяющие целенаправленно регулировать: реологические параметры шликерных составов в зависимости от структурных и упругих свойств дублируемого материала; скорость потока, обеспечивающую протекание процессов очистки и модификации расплавов металлов; эффективные упругие и прочностные свойства ВПЯМ на основе оксидных систем.
Практическая ценность и результаты внедрения:
Разработаны способы независимого управления макро- и микропористостью композиционных материалов и конструкций на основе оксидных систем в процессе планетарного гранулирования, экструзионного формования и дублирования высокопористых полимерных материалов.
Определены режимы планетарного гранулирования порошков на основе оксидных композиционных систем, при которых полученные гранулы удовлетворяют требованиям по гранулометрическому составу, прочности, сыпучести и слеживаемости. На основе проектно-конструкторских исследований разработан и изготовлен планетарный гранулятор с возможностью независимого регулирования планетарного и относительного вращения барабанов.
Комплексно решены вопросы получения экструзией пластифицированных масс конструкций сотовой структуры, определены требования к связующим и пластификаторам, сформулированы условия формования композиционных материалов и конструкций. Спроектировано и изготовлено лабораторное и опытно-промышленное оборудование, технологическая оснастка для экструдирования керамических масс, включая серию формообразующих инструментов с различной геометрией и степенью перфорации для формирования регулярной макроструктуры композиционных материалов.
Разработаны высокопористые фильтры, позволяющие совместить процессы модифицирования и фильтрации металлических сплавов для улучшения их структурных, технологических и механических свойств.
Результаты, полученные в ходе исследований, используются в учебном процессе Пермского национального исследовательского политехнического университета, что отражено в учебных пособиях и лекциях для студентов специальности «Композиционные материалы, покрытия» по курсам «Новые материалы», «Технология получения порошковых материалов», «Материаловедение и технология композиционных материалов».
Результаты исследований нашли применение в теоретических и прикладных работах НЦ ПМ Пермского Национального исследовательского политехнического университета, ОАО «Композит» г. Москва, Института катализа Сибирского отделения РАН г. Новосибирск, Института химии твердого тела Уральского отделения РАН г. Екатеринбург.
Достоверность экспериментальных исследований обеспечивается применением современных средств и методик проведения исследований; адекватным соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, не противоречащих известным результатам других ученых.
Для проведения исследований использованы масс-спектрометр ЛКБ-2091 (Швеция), дериватограф Q-1500 D (Германия), поромер «Pore Sizer 9305» (США), оптические микроскопы «Neophot-21», «Neophot-31», разрывная машина «Р-5», растровый электронный микроскоп РЭМ-100У.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты физико-математического и компьютерного моделирования гранулообразования на уровне частиц порошкового материала при планетарном гранулировании;
– кинетика структурообразования гранул и ее зависимость от планетарной и относительной скоростей вращения;
– условия образования и разрушения адгезионных связей между частицами порошка без присутствия связующей жидкости;
– закономерности макро- и микроструктурообразования в процессе экструзионного формования композиционных материалов сотовой структуры на основе оксидных систем;
– структурно-механические критерии формуемости пластифицированных масс и обеспечения бездефектности полуфабрикатов после термообработки;
– результаты компьютерного моделирования процессов микропорообразования и критерии формирования канальной микропористости;
– результаты физического моделирования упругого восстановления пенополиуретана в процессе пропитки вязкопластичным шликерным составом при изготовлении фильтров;
– результаты физического моделирования неустановившегося течения расплавов металлов в процессе фильтрационной очистки и модификации расплавов;
– результаты компьютерного структурного моделирования высокопористого ячеистого каркаса на основе ячейки тетракаидодекаэдра и его использования для прогнозирования физико-механических свойств материалов, предназначенных для создания фильтров различного назначения.
Личный вклад автора состоит в организации и постановке экспериментальных и теоретических исследований, непосредственном участии в их проведении, в анализе результатов исследований, в обобщении и обосновании всех защищаемых положений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 4-ой Европейской конференции-выставке по материалам и технологиям (С.-Петербург, 1993); Втором международном семинаре “Monolith honeycomb supports and catalysts” (Новосибирск, 1997); 11-й Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1997); Международной научно-технической конференции «Перспективные химические технологии и материалы» (Пермь, 1997); Второй Уральской конференции «Наукоемкие полимеры и двойные технологии технической химии» (Пермь, 1997); Международной конференции «Теория и практика фильтрования» (Иваново, 1998); Российской научно-технической конференции с международным участием «Современные аспекты и проблемы охраны труда» (Пермь, 1998); XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии: «Материалы и нано- технологии» (Казань, 2003); Научно-технической конференции и научно-практическом семинаре «Технология получения и применения порошковых и композиционных функциональных материалов. Информационные технологии для интеграции образования и промышленности (Ростов-на-Дону, 2003); III Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации» (Иваново, 2004); 7-ой Международной практической конференции-выставке «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (С.-Петербург, 2005).
Публикации: по результатам исследований автором опубликовано 39 работ, в том числе 1 монография, 11 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 патента.
Структура: диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка литературы – 244 наименования; содержит 307 страниц текста, в том числе 145 рисунков и 24 таблицы.
