Авторы

Моделирование образования устойчивой фазы композитного материала жидкое стекло–микрочастицы графита

DOI: 10.17586/1606-4313-2018-17-3-80-86
УДК 538.9/536.1

Моделирование образования устойчивой фазы композитного материала жидкое стекло–микрочастицы графита

Устинов А.С., Питухин Е. А.

Ссылка для цитирования: Устинов А.С., Питухин Е.А. Моделирование образования устойчивой фазы композитного материала жидкое стекло–микрочастицы графита // Вестник Международной академии холода. 2018. № 3. С. 80-86

Аннотация
Рассматривается существующий опыт разработки физических и химических основ формирования композитных материалов. Выполнен анализ известных из научной литературы решений. Приведено математическое моделирование образования устойчивой фазы композитного материала на примере жидкостекольной композиции с наполнителем графитом микронных размеров. Для описания рассматриваемых процессов использованы методы математического моделирования термодинамических систем и методы математической статистики. Для аналитического решения используются дифференциальные и интегральные уравнения с учетом стехиометрических коэффициентов. Для проведения численных расчетов и программной реализации использовались методы вычислительной математики и прикладного программирования. Приводится расчет энергии Гиббса реакции химического связывания компонентов жидкостекольной композиции. В качестве критерия для модели принята величина концентрации фаз всех компонентов композитного материала. Математическая модель позволяет прогнозировать концентрацию фаз и структуру композитного материла, на основе прогноза рассчитать значения величин, таких как удельная теплоемкость, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса и показать зависимость физических и термодинамических параметров экспериментальных образцов от температуры, и тем самым определить возможность образования устойчивой фазы композиции. Для оценки точности модели использовались меры сравнения среднее абсолютных отклонений (САО) и среднее относительных ошибок в процентах (СООП). Полученные оценки дают основание считать модель пригодной для дальнейших расчетов. Композитный материал с расчетными характеристиками может использоваться в технике, применяемой в чрезвычайных ситуациях, а так же в качестве защитного покрытия для ограждающих и строительных конструкций с целью повышения огнестойкости и снижения пожарной опасности.

Ключевые слова: композитный материал, математическая модель, теплоемкость, энергия Гиббса, энтропия, энтальпия.

Список литературы

1. Sateesha N., Rajesh V., Rao P.M.V., Satyanarayana K., Mahesh Babu B. Thermal analysis of carbon composites subjected to various atmospheric conditions // Selection and or Peer-review under responsibility of 7th International Conference of Materials Processing and Characterization (ICMPC 2017). 2018. 5(2). Р. 5768-5773. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.12.173

2. Zsuzsanna Kerekes, Éva Lublóy and Ágoston Restás. Standard fire testing of Chimney Linings from Composite Materials. // Journal of Building Engineering. 2018. Vol. 19. P. 27. doi.org/10.1016/j.jobe.2018.05.030

3. Grange N., Chetehouna K., Gascoin N., Coppalle A., Reynaud I., Senave S. One-dimensional pyrolysis of carbon based composite materials using FireFOAM // Fire Safety Journal. 2018. Vol. 97. pp. 66-75. doi.org/10.1016/j.firesaf.2018.03.002

4. Jianping Zhang, Michael A. Delichatsios, Talal Fateh, Mathieu Suzanne, Sebastian Ukleja. Characterization of flammability and fire resistance of carbon fibre reinforced thermoset and thermoplastic composite materials // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2017. Vol. 50. pp. 275-282.

5. Kishor Kumar Sadasivuni, Deepalekshmi Ponnamma, Sabu Thomas, Yves Grohen. Evolution from graphite to graphene elastomer composites // Progress in Polymer Science. 2014. Vol. 39. Iss. 4. 749-780 р. doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2013.08.003

6. Lorenz H., Fritzsche J., Das A., Stöckelhuber K.W., Jurk R., Heinrich G., Klüppel M. Advanced elastomer nano-composites based on CNT-hybrid filler systems. // Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69. No 13. P. 2135-2143.

7. Еремина Н.В. Огнезащитные композиции на основе жидкого стекла и механически активированных оксидов алюминия и магния: дисc. канд. техн. наук. Томск, 2007. 156 с.

8. Amit Das, Gaurav R. Kasaliwal, René Jurk, Regine Boldt, Dieter Fischer, Klaus Werner Stöckelhuber, Gert Heinrich. Rubber composites based on graphene nanoplatelets, expanded graphite, carbon nanotubes and their combination: A comparative study // Composites Science and Technology. 2012. Vol. 72, Iss. 16, P. 1961-1967.

9. Carlos Barreto, Jonny Proppe, SiwFredriksen, Eddy Hansen, Rodney W. Rychwalski. Graphite nanoplatelet/pyromelliticdianhydride melt modified PPC composites: Preparation and characterization // Polymer. June 2013. Vol. 54, Iss. 14. P. 3574-3585.

10. Binghao Wang, Yicheng Jiao, AijuanGu, Guozheng Liang, Li Yuan. Dielectric properties and mechanism of composites by superposing expanded graphite/cyanate ester layer with carbon nanotube/cyanate ester layer // Composites Science and Technology. 2014, Vol. 91. P.8-15.

11. Патент РФ № 2151124. Углеродсодержащий огнеупор. / Можжерин В.А., Сакулин В.Я., Мигаль В.П. и др. Патентообладатель ОАО "Боровичский комбинат огнеупоров". Заявл. 02.10.1998, опубл. 20.06.2000.

12. Патент РФ № 2152915. Способ изготовления углеродсодержащих огнеупоров. / Подшивалов С.Л., Абрамов Е.П., Вяткин А.А., Домрачев Н.А. Заявл. 08.02.1999, опубл. 20.07.2000.

13. Патент РФ № 2160725. Способ приготовления углеродсодержащей массы для прессования плотных огнеупорных изделий. / Спесивцев С.В., Чуклай А.М., Коптелов В.Н. и др. опубл. 17.11.1998.

14. Gostev V.A., Pitukhin E.A., Ustinov A.S., Shelestov A.S. Thermal Insulation Properties Research of the Composite Material “Water Glass – Graphite Microparticles” // IOP Conference series: Materials science and engineering. 2016. P. 1-7. DOI:10.1088/1757-899X/123/1/012018.

15. Ustinov A., Pitukhin E., Pitukhin A. Research of Thermal Stability and Fire-Resistance Properties of the Composite Material “Water Glass-Graphite Microparticles” // Key Engineering Materials. Submitted: 2016. Vol. 744, pp 27-31.

16. Устинов А.С., Питухин Е.А. Исследование композитного материала «жидкое стекло–микрочастицы графита» методом термогравиметрии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т.

17. № 5. C. 826-833. 17. Гостев В.А., Питухин Е.А., Устинов А.С., Яковлева Д.А. Исследование теплозащитных свойств композитного материала жидкое стекло – микрочастицы графита // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014, № 3 (91), С. 82-88.

18. Самарский А.А., Вабищевич. П.Н. Вычислительная теплопередача.– – М.: УРСС. 2003. 782 с.

19. Jeffrey S. Gaffney, Nancy A. Marley. Thermodynamics and Energy Balance // General Chemistry for Engineers. 2018. pp. 241-281. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-810425-5.00008-4

20. Mats Hillert, Malin Selleby. Methods for storage of Gibbs energy data of substances // CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. Vol. 53. (2016). pp. 146-150.

Читать статью полностью