К вопросу моделирования комплекса «СТРУКТУРА-СОСТАВ-СВОЙСТВА» композита: оценка качества смешивания компонентов

В.Н. Ведищев, Е.Ю. Волченко, И.В. Надеева
Волжский институт строительства и технологий (филиал) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета,
г. Волжский

В последние годы при решении задач проектирования составов композита с комплексом свойств получила распространение методология, предполагающая использование комплекса математических статистических уравнений, связывающих нормируемые показатели свойств композита с совокупностью тех или иных технологических факторов. Применение этой методологии, однако, требует значительной предварительной экспериментальной работы применительно к конкретной технологической ситуации и "привязано" к исходным условиям моделирования. Вместе с тем, в ряде случаев, например при введении модификаторов, применении многокомпонентных смесей, такой подход может оказаться предпочтительным.

В этом случае реализуется кибернетическая концепция "черного" ящика, а полученные уравнения регрессии рассматриваются как поведенческие модели исследуемого объекта и позволяют запроектировать его состав, обеспечивающий условия оптимальности. Рациональным может быть объединение элементов как структурного, так и кибернетического подходов для решения ряда задач, учитывая недостаточную теоретическую информацию, не позволяющую предложить достаточно адекватные структурные модели для всех свойств композита, рассматриваемых при проектировании состава.

В настоящее время в области научных исследований активно применяются информационные технологии, в частности компьютерное материаловедение. Очевиден прогноз ускоренных разработок методов физического, физико-химического и математического методов моделирования структуры, технологии и свойств материалов, компьютерного синтеза композитов различного назначения.

Разработка новых композиционных материалов с улучшенными физико-механическими свойствами вызывает необходимость детального исследования однородности композита на стадии формообразования, в частности смешивания с последующим моделированием состава и свойств композита.

Целью работы являлась разработка методики оценки однородности распределения компонентов в композиционных материалах в переменных областях и установление возможной корреляции этой характеристики с физико-механическими свойствами композиционного материала.

Общепринятый метод химического анализа позволяет определять хими­ческий состав исследуемых связок с достаточной степенью точности, но затра­чивая при этом большой промежуток времени на проведение анализа.

Метод микрорентгеноспектрального анализа дает возможность определять не только химический состав, но и получать картину распределения всех химически активных элементов, входящих в состав композита относительно друг друга, поскольку величина интенсивности излучения анализируемого компонента прямо пропорциональна его количественному содержанию в исследуемой области. Проанализировав данные об интенсивностях излучения отдельных элементов связки можно сделать выводы о степени гомогенности.

При абсолютно равномерном распределении значения интенсивностей во всех точках области зондирования должны быть равны. Поскольку это будет соответствовать уравновешенности свойств.

Математически это можно записать в следующем виде:

∑(Hi-Hср)=0,

где Hi- это i-е значение интенсивности излучения , Hср – среднее арифметическое значений интенсивности.

На процесс смешивания компонентов связки действует множество факторов. Такие, например, как: тип смесителя, время смешивания и многие другие.

Выявление связи между количественным выражением однородности распределения компонентов связки и этими параметрами способствует созданию оптимизации технологического процесса. Таким критерием однородности может служить значение среднеквадратичного отклонения интенсивностей вторичного излучения компонентов композита, которое будет отражать степень отклонения от эталонного равномерного распределения компонента в объёме образца. И целью повышения качества смешивания будет являться уменьшение этого показателя.

Применяя современные системы компьютерной математики, предназначенные для автоматизации решения массовых математических задач процесс обработки данных можно свести к простому вводу эмпирических значений. На рисунке (Рис.1) приведена схема алгоритма реализации программы.

В нашем случае была выбрана система компьютерной математики Mathcad. Далее приводиться листинг реализации программы для расчета среднеквадратичного отклонения (Рис.2). Также система Mathcad, позволяет построить топографию (Рис.3) по значениям интенсивности излучения, которая дает визуальную оценку качества смешивания и распределения основного компонента. На топографии приведены как числовые значения концентрации элемента в локальных областях зоны зондирования, так и цветовая градация зоны концентраций.

Рис.1. Алгоритм расчета среднеквадратичного отклонения

Рис.2. Программа расчета среднеквадратичного отклонения

Рис.3. Топография распределения компонента в смеси

Проанализировав топографию и размерность коэффициента среднеквадратичного отклонения можно в кратчайшие сроки сделать выводы об однородности распределения компонентов композита, относительно друг друга, что в конечном итоге позволит решить проблему проектирования композиционных материалов с прогнозируемыми свойствами.

Список литературы

1. Микульский В.Г., Горчаков Г.И. // Строительные материалы. М.,2002.

2. Нимер Э.У. Керамические плитки и плиты в строительстве. Перевод с нем. М., 1986.

3. Бурмистров В.Н. Нормирование теплотехнических свойств керамических стеновых изделий //Строительные материалы.М., 1996. № 4

4. Баженов М.Ю., Воробьёв В.А., Илюхин А.В. Компьютерное моделирование строительных композитных материалов. Состояние и перспективы развития. Изв. вузов. Строительство. 1999. №11

Назад к списку