Введение к работе
Актуальность работы. Неизбежное увеличение доли электроэнергии, вырабатываемой на атомных электрических станциях, порождает задачу защиты персонала и оборудования как от возникающего в процессе радиоактивных превращений смешанного гамма-нейтронного излучения, так и от негативных воздействий радиоактивных отходов. Эксплуатация радиационно-опасных объектов и безопасность персонала предполагают применение материалов, обладающих высокими физико-механическими и защитными показателями, стойкостью к воздействию ионизирующих излучений и агрессивных сред.
Среди материалов, применяемых на объектах атомной энергетики для защиты от ионизирующих излучений, наиболее распространены цементные бетоны на тяжёлых заполнителях. Эти материалы не лишены недостатков, среди которых - высокая проницаемость и невысокая стойкость по отношению к некоторым агрессивным средам, недостаточная трещиностойкость.
Комплекс физико-механических свойств (достигающийся при соответствующем выборе метода модификации границ раздела фаз), наряду со сравнительно высокой радиационной стойкостью и стойкостью к воздействию агрессивных сред, позволяет применять дисперсно-наполненные эпоксидные композиционные материалы (ЭКМ) в различных областях атомной энергетики и промышленности. В то же время разработки составов и технологии изготовления радиационно-защитных ЭКМ далеки от завершения. В частности, в исследовании нуждаются защитные свойства ЭКМ по отношению к смешанному гамма-нейтронному излучению. Не исчерпаны резервы усиления ЭКМ, в частности - усиления посредством модификации границы раздела полимерной матрицы и дисперсных фаз.
Таким образом, совершенствование рецептуры (в частности - оптимизация химического состава, которым определяются защитные показатели) и технологии изготовления радиационно-защитных ЭКМ, направленное на улучшение их эксплуатационных свойств, является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.
Получение радиационно-защитных эпоксидных композиционных материалов с улучшенными защитными и физико-механическими свойствами возможно посредством оптимизации химического {элементного) состава материала {исходя из вида и характерных энергий излучения) и модификации межфазной границы «полимер-наполнитель» {аппретирования наполнителя). Указанное положение является научной гипотезой диссертационной работы.
Во многих отраслях промышленности имеются в наличии высокоплотные вещества с высоким содержанием соединений свинца в составе отходов производства. Инкапсуляция этих веществ в радиационно-защитных ЭКМ, улучшая защитные показатели материала, одновременно ослабляет негативное влияние соответствующих отраслей промышленности на окружающую среду.
Исследовать процессы структурообразования при различных сочетаниях рецептурно-технологических факторов и условий изготовления позволяет имитационное {численное) моделирование - эффективный метод анализа ком-
позиционных материалов. Моделирование структурообразования на уровнях микро- и макроструктуры позволяет выявить механизмы упрочнения и прогнозировать влияние технологических воздействий.
Получение полной и достоверной информации о процессах, протекание которых определяется структурой материала, возможно в случае применения соответствующих физических методов исследования кинетики разрушения. Основные параметры кинетики дефектообразования позволяет определить метод акустической эмиссии (АЭ). Известна сильная зависимость информативных параметров АЭ от условий измерения (геометрических размеров и акустических характеристик объекта исследования, акустического контакта объекта и приёмного преобразователя) и показателей измерительного оборудования. Учитывая значительный объём первичной акустико-эмиссионной информации, приобретают актуальность работы по совершенствованию аппаратно-программных средств, позволяющих выполнять акустико-эмиссионный мониторинг деструктивных процессов в ЭКМ.
Научные и практические данные и закономерности, установленные и обобщённые в диссертационной работе, получены автором в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» при выполнении работ по гранту Президента РФ МД-68.2009.8 (per. № 01200964015) и федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (лот 2010-1.2.1-101-009, ГК№ 16.740.11.0069).
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка радиационно-защитных эпоксидных композиционных материалов на аппретированном наполнителе, обладающих улучшенными физико-механическими и защитными показателями.
Для достижения поставленной цели сформулированы задачи:
Провести анализ известных решений в области разработки радиацион-но-защитных КМ с полимерной матрицей. Выполнить обоснование выбора матричного материала и дисперсных фаз. Определить диапазоны варьирования рецептурных факторов.
Для выявления кинетических особенностей процесса структурообразования КМ, прогноза влияния параметров компонентов и технологических воздействий (виброуплотнение, прессование) на параметры структуры материала провести моделирование микро- и макроструктуры ЭКМ. На основе исследований методами оптической и зондовой микроскопии провести оценку адекватности результатов моделирования.
Выполнить экспериментальное исследование влияния рецептурных факторов на физико-механические (пределы прочности при сжатии и изгибе, модуль деформации) и эксплуатационные (средняя плотность, водопоглощение, водо- и атмосферостойкость) свойства наполненных эпоксидных связующих и радиационно-защитных ЭКМ. Выделить скалярные структурно-чувствительные акустико-эмиссионные критерии, находящиеся в корреляционной связи с прочностью ЭКМ.
На основе экспериментально найденных значений средней плотности и брутто-формул компонент ЭКМ выполнить моделирование защитных свойств материалов по отношению к гамма-нейтронному излучению.
Решить задачу многокритериальной оптимизации и определить рецептуру ЭКМ, соответствующую требуемому сочетанию прочностных и защитных показателей.
Теоретической и методологической основой диссертационной работы являются разработки отечественных и зарубежных учёных в области строительного материаловедения, механики разрушения, системного анализа: Ю.М. Баженова, А.Н. Бобрышева, Д.М. Бродера, В.А. Грешникова, Г. Данегана, A.M. Данилова, Ю.Б. Дробота, В.Б. Дубровского, В.Т. Ерофеева, Е.В. Королёва, Ю.С. Липатова, Н.И. Макридина, В.В. Патуроева, А.П. Пропійна, И.А. Рыбьева, В.П. Селяева, Ю.А. Соколовой, В.И. Соломатова, Г.А. Фокина, В.Г. Хозина, Е.М. Чернышева и других.
Информационную базу составляют монографические работы, материалы научно-технических конференций, статьи в периодических изданиях и научных сборниках, отечественные и зарубежные патенты.
При проведении исследований использовались вычислительные эксперименты, физические методы исследований структуры и свойств (в т.ч. - сканирующая зондовая микроскопия и метод акустической эмиссии), методы математической теории эксперимента.
Научная новизна работы.
Показано, что аппретирование поверхности свинецсодержащей тонкодисперсной фазы полиметилфенилсилоксаном позволяет повысить физико-механические и отдельные эксплуатационные показатели радиационно-защитных ЭКМ: предел прочности при сжатии - на 15% (при введении аппрета в количестве 0,05% от массы наполнителя), предел прочности при изгибе -на 6...15% (при введении аппрета в количестве 0,05...0,07%), коэффициент стойкости к воздействию атмосферных факторов - на 28% и 8% (при введении аппрета в количестве 0,1%, после трёх и пяти лет экспозиции).
С использованием численного моделирования динамики структурных элементов (частицы наполнителя, кластерное образование, частицы заполнителя) композиционного материала выявлены особенности влияния технологических воздействий (виброуплотнение, уплотнение давлением) на макроструктуру ЭКМ (среднее расстояние между частицами заполнителя, среднее координационное число). Показано, что при уплотнении композиции давлением 10 кПа для макроструктуры ЭКМ достигается среднее координационное число 10,4. С использованием численного моделирования на уровне микроструктуры установлено, что при значениях объёмной степени наполнения менее 0,33 и вязкости вяжущего 20 Пас в микроструктуре связующего на аппретированном наполнителе возможно образование кластеров из частиц наполнителя. Адекватность результатов численного моделирования на уровне микроструктуры подтверждена результатами исследований методами оптической и сканирующей зондовой микроскопии.
На основе анализа кинетики деструктивных процессов при разрушении аппретированных радиационно-защитных эпоксидных композиционных материалов решена задача классификации в пространстве первичных акустико-эмиссионных признаков, установлены корреляционные зависимости между информативными параметрами сигналов акустической эмиссии и пределом прочности при сжатии. Найденные зависимости позволяют прогнозировать прочность ЭКМ.
Для оптимизации составов композитов, предназначенных для эксплуатации в условиях воздействия смешанного у-нейтронно го излучения, сформирован обучающий набор и выполнено обучение искусственной нейронной сети предложенной архитектуры. На этой основе, с привлечением информативных параметров сигналов акустической эмиссии, формализован критерий оптимальности и найдена рецептура ЭКМ.
Практическая значимость. На основе экспериментальных исследований и математического моделирования разработаны радиационно-защитные эпоксидные композиты на аппретированном наполнителе, предназначенные для изготовления радиационно-защитных покрытий и экранов в гражданских и промышленных зданиях и сооружениях, в которых эксплуатируются источники ионизирующих излучений. Разработанные ЭКМ имеют высокие показатели радиационно-защитных и эксплуатационных свойств: предел прочности при сжатии - до 192 МПа; предел прочности при изгибе - до 53 МПа; модуль деформации - до 8 ГПа; коэффициент стойкости к воздействию атмосферных факторов - до 0,92; линейный коэффициент ослабления гамма-излучения -до 0,96 см"1 (для энергии у-квантов 500 кэВ), коэффициент выведения нейтронов - 0,147. Разработано авторское программное обеспечение численного моделирования структурообразования композиционного материала, а также авторский аппаратно-программный комплекс, позволяющий производить регистрацию информативных параметров акустической эмиссии. Предложены и реализованы методы анализа микрофотографий структуры наполненного эпоксидного связующего, основанные на двоичной декомпозиции изображений.
Результаты диссертационной работы получили опытное внедрение в ГУЗ «Областной онкологический диспансер» (г. Пенза) при изготовлении защитного покрытия участка стены помещения лучевой диагностики.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Проблемы современного строительства» (Пенза, ПГУАС, 2009 г.), на Научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2010), на V Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, ПГУАС, 2010 г.), на X Международной научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (Пенза, ПГПУ им. В.Г. Белинского, 2010 г.), на Всероссийской конференции с
международным участием «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, ПГУАС, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи - в журналах по перечню ВАК РФ.
На защиту выносятся:
результаты исследования микро- и макроструктуры композиционных материалов, в том числе - полученные с использованием вычислительного эксперимента, оптической и сканирующей зондовой микроскопии;
закономерности влияния рецептурных факторов на свойства наполненных эпоксидных связующих и эпоксидных композиционных материалов на аппретированном наполнителе, в том числе - выраженные экспериментально-статистическими моделями;
закономерности влияния рецептурных факторов на кинетику разрушения наполненных эпоксидных связующих и эпоксидных композиционных материалов на аппретированном наполнителе, в том числе - полученные с использованием метода акустической эмиссии;
результаты исследования влияния химического (элементного) состава на защитные показатели разработанных материалов, представленные зависимостями «состав-свойство» для тернарных систем;
результаты многокритериальной оптимизации разработанных материалов, полученные с привлечением методов нейросетевой обработки информации.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, общих выводов, списка литературы из 183 источников и приложений. Содержит 251 рисунок и 34 таблицы. Материал изложен на 257 машинописных страницах.
Текст автореферата размещён на сайте ПГУАС (URL: ) и сайте А.Н. Кругловой (URL: ).
Диссертационная работа выполнена в соответствии с паспортом специальности 05.23.05 - Строительные материалы и изделия, и соответствует, в частности - формуле специальности (обеспечение строительного комплекса материалами для решения специальных задач) и областям исследований: п. 13 «Создание материалов для специальных конструкций и сооружений с учётом их специфических требований», п. 8 «Развитие системы контроля и оценки качества строительных материалов и изделий», п. 9 «Разработка методов компьютерного проектирования и управления технологией получения различных строительных материалов», п. 7. «Разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности».
Автор выражает искреннюю признательность коллегам по научной школе
А.П. Прошина за советы по организации и выполнению экспериментальных
исследовании.
