Исследование

«Оптимизационное моделирование свойств теплоизоляционных функционально-градиентных изделий на основе минеральных порошков оксида кремния, синтезированного из природного диатомита»


Тип исследования
Фундаментальное
Грантодающая организация
Фонд РФФИ, Правительство РМ.
Номер проекта (по данным грантодающей организации)
18-48-130001/18 фундаментальная НИР № г/б 57-18 РМ
Срок реализации
2018 - 2019
Финансирование по годам
(нет записей)

Исполнители:




Нет записей


Нет записей


Нет записей

Установлено, что для снижения теплопроводности пористого материала необходимо: повышать пористость макроструктуры (m2  до порога перколяции mП ); кластеров (снижая pk ); формировать многоуровневую поровую структуру материала; снижать внутрипоровое давление P; снижать степень черноты порового пространства и ограничивающих поверхностей; принимать материалы с низким коэффициентом температуропроводности и удельной теплоемкости.

Рассмотрены два способа синтеза мелкозернистого микрокремнезема из диатомитовых пород, пригодного для создания вакуумных   теплоизоляционных панелей с теплопроводностью 0,002-0,02 Вт/м2к. Методом анализа  детерминированных  моделей переноса тепла в  зернистых системах  определены основные индикаторы, определяющие зависимость теплопроводности от физических и   топологических свойств частиц диоксида кремния. Для оценки и регулирования теплопроводности зернистых систем, к основным индикаторам можно отнести:  – пористость микроструктуры;   – плотность кластеров, формирующих микроструктуру;   – характеристика степени (диссипации энергии излучения) черноты частиц наполнителя;   – диаметр пор на i-ом масштабном уровне;  – теплопроводность твердой и газовой фазы системы; a – коэффициент аккомодации; N – координационное число; D – фрактальную размерность, характеризующую топологические особенности строения частиц, агрегатов, кластеров.Проведен экспериментальный анализ свойств синтезированного микрокремнезема.  В результате проведенных исследований установлено, что оптимальные свойства дисперсного микрокремнезема, синтезированного из опал -   кристобалитовых  биоморфных  пород (диатомита Атемарского  месторождения)  путем осаждения оксида кремния  из коллоидного раствора, получены при реализации  второго способа  производства. В процессе синтеза получен  дисперсный   микрокремнезем, представленный   минералом опал,  построенным из   полимеризиванных  нитей аморфного кремнезема, которые   свернуты в   глобулы,  шаровые  кластеры диаметром в диапазоне 2-40 нм. Топология  поверхности глобул характеризуется фрактальной размерностью D = 2,32; 2,64, что обеспечивает снижение значений коэффициента  аккомодации и соответственно теплопроводности. Ассоциации   шаровидных  кластеров из частиц наноразмерного уровня формируют    масштабноинвариантную поровую   структуру, обеспечивающую низкую   теплопроводность.

В результате анализа и определения   структурных параметров зернистой системы, сформированной из синтезированных частиц диоксида кремния,  установлено, что  при производстве вакуумных  изоляционных панелей  их теплозащитные   свойства можно регулировать путем изменения: давления, вязкости,  молекулярного веса газа; пористости  макроструктуры и кластеров; теплопроводности твердой и газовой фазы  системы;   коэффициента   аккомодации;  координационного числа; размера первичных частиц; фрактальной размерности, характеризующей топологические  особенности строения частиц, агрегатов, глобул, кластеров  и их склонность  к диссипации энергии молекул газа.

Рассмотрена возможность применения вакуумных изоляционных панелей (VIP) с зернистым наполнителем для изготовления трёхслойных ограждающих стеновых панелей, плит перекрытия и покрытия. Приведены результаты  экспериментальных исследований вакуумных  изоляционных панелей,  проведенных с целью аналитического описания диаграмм деформирования VIP панелей при действии сжимающей нагрузки. Установлено: деформативные свойства вакуумных изоляционных панелей с зернистым наполнителем не зависят от крупности частиц наполнителя,  но зависят от объёмного содержания наполнителя; диаграмму деформирования, описывающую зависимость между напряжениями и относительными деформациями при сжатии вакуумной изоляционной панели с зернистым наполнителем, можно аппроксимировать  функцией Г.Б. Бюльфингера. Полученные результаты дают возможность  расчетным путем определить напряженное состояние в плоских листах обшивки при местной передачи нагрузки.

Изложены результаты анализа  диаграмм деформирования  композитов при сжатии, которые получены при скорости нагружения 0,5 мм/мин и с частотой измерения деформаций 0,1 сек. Дифференцированным анализом диаграмм деформирования композитов выявлен  дискретно - непрерывный  характер разрушения  композитных образцов при сжатии. Предложены основные принципы формирования фрактальной модели, представляющей структуру композита в виде сложной иерархически  организованной масштабно - инвариантной  системы, которая на каждом масштабном уровне подобна целому.

Powered by Froala Editor

Powered by Froala Editor

Powered by Froala Editor


Итоговый отчет (аннотация)

Методом оптимизационного анализа детерминированных (феноменологических, газокинетических, топологических, полиструктурных, перколяционных) моделей переноса тепла в зернистых системах, определены основные индикаторы, определяющие зависимость теплопроводности от физических и топологических свойств частиц диоксида кремния. Для оценки и регулирования теплопроводности зернистых систем, к основным индикаторам можно отнести: – пористость микроструктуры;  – плотность кластеров, формирующих микроструктуру;  – характеристика степени (диссипации энергии излучения) черноты частиц наполнителя;  – диаметр пор на i-ом масштабном уровне; – теплопроводность твердой и газовой фазы системы; a – коэффициент аккомодации; N – координационное число; D – фрактальную размерность, характеризующую топологические особенности строения частиц, агрегатов, кластеров.Разработано два способа синтеза микрокремнезема из диатомитовых пород. Проведен экспериментальный анализ свойств синтезированного микрокремнезема. В результате проведенных исследований установлено, что оптимальные свойства дисперсного микрокремнезема, синтезированного из опал-кристобалитовых биоморфных пород (диатомита Атемарского месторождения) путем осаждения оксида кремния из коллоидного раствора, получены при реализации второго способа производства. В процессе синтеза получен дисперсный микрокремнезем, представленный минералом опал, построенным из полимеризиванных нитей аморфного кремнезема, которые свернуты в глобулы, шаровые кластеры диаметром в диапазоне 2-40 нм. Топология поверхности глобул характеризуется фрактальной размерностью D = 2,32; 2,64, что обеспечивает снижение значений коэффициента аккомодации и соответственно теплопроводности. Ассоциации шаровидных кластеров из частиц наноразмерного уровня формируют масштабноинвариантную поровую структуру, обеспечивающую низкую теплопроводность. Приведен сравнительный анализ технических характеристик VIP-панелей. Показано влияние различных видов наполнителей на изменение коэффициента теплопроводности исследуемых теплоизоляционных материалов. Дано сравнение химического и гранулометрического состава, топографии поверхности частиц аморфного микрокремнезема. Рассмотрено влияние климатических параметров: температуры, влажности, давления и солнечной радиации на изменение сопротивления теплопередачи вакуумных панелей. Показаны возможности использования полученных панелей в качестве теплоизоляционного материала в ограждающих конструкциях жилых зданий.

Отчет по состоянию на 1 июля 2019г.

  1. Анализ современного состояния исследований в области создания  теплоизоляционных изделий на минеральной основе.

Современные системы теплоизоляции зданий основаны на применении сэндвич или двухслойных панелей, для изготовления которых применяются пенополистирол, пенополиуретан и минеральная вата. Однако, сейчас уже несомненно, что время теплоизоляции на основе синтетических материалов прошло. Уже при температуре 800С (температура труб горячего водоснабжения) пенополистирол переходит в жидкое фазовое состояние; при этом нарушается теплоизоляция, выделяются вредные для здоровья вещества, что нарушает экологию жизненного пространства. Поэтому на западе все больше внимания обращают на теплоизоляцию из природных минеральных материалов. В последние годы активно ведутся разработки по созданию эффективных теплоизоляционных материалов нового поколения на основе минеральных порошков, вакуумированных в специальных пакетах.
Во многих странах Европы , в США и России приняты программы, Законы об энергосбережении и повышении энергетической эффективности. В Российской Федерации принят Закон «Об энергосбережении и повышении энергитической эффективности» от 23.11.2009 г. №261-ФЗ (ред. от 25.12.2012г.). Цель закона – создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетическрй эффективности.
Германия, Япония,США, Китай уже разработали, производят и применяют в строительной отрасли вакуумированные теплоизоляционные панели с теплопроводностью 0,002÷0,02 Вт/м∙К, форма и геометрия которых обеспечиваются минеральным порошком, играющим роль наполнителя.
Впервые в строительной практике наноструктурированные вакуумированные теплоизоляционные панели были применены в 1999 году в Германии, г. Вюрцбург. В России работа по созданию подобных теплоизоляционных материалов проводилась еще в 60-х годах прошлого века сотрудниками кафедры теплофизики Ленинградского института точной механики и оптики под руководством Л.Н. Данилевского и Г.Н. Дульнева. Однако из-за высокой стоимости материала и ряда других причин в строительной отрасли эти разработки не применялись. В 2000-х годах большинство индустриальных развитых стран приняли закон и регламенты строительства энергоэффективных зданий. Согласно стратегий развития предлагается , что в энергоэффективных зданиях бущего удельное энергопотребление системой теплоснабжения составит: в Российской федерации – (40÷50) Вт/(м2 ∙ºС∙сут); в Германии – (12,5÷6,5) Вт/(м2 ∙ºС∙сут). 
Строительство энергоэффективных, энергосберегающих домов предполагает применение новых конструктивных решений, технологий, материалов для теплозащиты. Поэтому в России необходимо значительно увеличить объемы производства тепллоизоляционных материалов, расширить их ассортимент, улушить качество и повысить долговечность. Особое внимание при этом следует уделить разработке теплоизоляционных материалов нового поколения.
 Очевидно, что с каждым годом теплоизоляционные вакуумные панели будут находить все более широкое применение. Они являются экологически чистыми, выдерживают высокие температуры без потери защитных свойств; при воздействии высоких температур не разрушаются и не выделяют токсичные вещества. К основным областям их применения относятся: строительство, криогенная техника, вагоностроение, авиастроение, кораблестроение и т.д.
В последние годы исследователи развитых стран уделяют большое внимание разработке вакуумных изоляционных панелей (типа VIP) на основе наноструктурированного дисперсного минерального порошка [2, 3, 4, 5, 6, 7].
Многочисленными исследованиями установлено, что для производства вакуумных изоляционных панелей необходимо особое внимание уделить наполнителям: минеральным дисперсным порошкам, волокнам и добавкам, блокирующим перенос тепла излучением [6, 8, 9].
 Многие исследователи считают [6, 7, 10, 11, 12], что в качестве дисперсного наполнителя наиболее подходящим является дисперсный порошок кремнезема с размером частиц 20÷100 нм и содержанием оксида кремния более 95%. Задача создания технологий производства подобного кремнезема решается различными способами [13, 14, 15, 16, 17]. Авторами предложена технология получения порошка аморфного кремнезема золь-гель методом из природного диатомита [18].
Микрокремнезем в виде порошка, содержащего более 90 % диоксида кремния по массе, с крупностью частиц до 100 нм получают методами: осаждения; пирогеными; щелочного гидролиза; автоклавирования и т.д. [5, 6]. Но эти методы либо энергозатратны, либо основаны на применении дефицитного сырья. В НИ МГУ им. Н.П. Огарёва на кафедре строительных конструкций разработан и предложен метод синтеза микрокремнезема из опал-кристобалитовых горных пород, которые во многих регионах России представлены диатомитами. Биогенное происхождение диатомита, его аморфная структура дают возможность: снизить температуру плавления с 1720 ˚С до 1500 ˚С; повысить растворимость в щелочах при температуре 40-90 ˚С; получать частицы наноразмерного уровня в заданном диапазоне путем регулирования рН среды. Дисперсный микрокремнезем- продукт широкого применения в строительстве, медицине,  резинотехническом производстве, агрономии и птицеводстве [7, 8, 9]. Требования к дисперсному микрокремнезему, пригодному для изготовления теплоизоляционных панелей, формируются из анализа молекулярной и газокинетической модели переноса тепла в зернистых системах. В качестве волокнистого наполнителя, который составляет 5-20% от общей массы наполнителя, предлагают применять волокна из стекла, базальта [6,11].
 Выбор темы научных исследований, направленной на изучение свойств, разработку технологии и создание производства теплоизоляционных материалов, изделий и конструкций на основе наноструктурированного микрокремнезема, обосновывается потребностью строителей, машиностроителей в экологически чистых, долговечных, эффективных теплоизоляционных материалах, которые найдут применение как при строительстве новых жилых домов, гражданских и промышленных зданий, так и при санации уже эксплуатируемых построек.  
Достижение поставленной цели Проекта возможно за счет использования природного аморфного кремнезема, получаемого на основе диатомитовых пород, которые после физической и химической модификации приобретают свойства, позволяющие создавать наноструктурированные поровые системы в изделиях, теплопроводность которых можно варьировать в пределах от 0,02 до 0,002Вт/м∙К. Научная новизна предлагаемого исследования заключается в создании фрактальной модели теплопроводности зернистых систем, которая будет учитывать влияние на теплопроводность гранулометрического состава, топографии поверхности, фазового состава частиц наполнителя. Это дает возможность определить требования к геометрии, фрактальной размерности поверхности частиц крупности и гранулометрии зерен наполнителя, химическому и элементному составу минеральных порошков; обеспечить  ультранизкуютеплопроводность  изоляционной  панели. Принцип функциональной градиентности позволит оптимизировать защитную оболочку вакуумной панели.

В передовых странах мира в настоящее время  активизированы работы  по созданию и применению вакуумных изоляционных панелей (ВИП), которые имеют коэффициент теплопроводности  - 0,002 Вт m2/0k [1, 2, 3, 4]. Низкая теплопроводность достигается путем создания в объеме ВИП иерархически организованной поровой структуры из зернистого наполнителя. Целью настоящей работы является анализ  и определение основных параметров зернистой системы  частиц, синтезированных из диатомита, влияющих на формирование оптимальной поровой структуры, обеспечивающей  заданный уровень теплопроводности изделия ВИП. Механизм переноса тепла в зернистых, пористых системах достаточно сложный, так как теплообмен происходит в материале, состоящем из двух фаз (твердой и газовой)  и на границе  фаз[1, 5].Теплоперенос в зернистой системе может  осуществляться  от одной твердой частицы к другой  (индуктивная составляющая). При этом теплопроводность будет зависеть от: химического и элементного состава материала; гранулометрии частиц; топологии поверхности - наличия неоднородностей, дефектов на поверхности; числа касаний и площади контакта между частицами. Теплоперенос газа в порах(конвективная составляющая) осуществляется при столкновении молекул газа. Теплопроводность будет определяться отношением длины свободного пробега молекул - ℓ и линейными размерами пор – d, температурой и динамической вязкостью газовой фазы, характером взаимодействия молекул газа с твердой фазой. Перенос тепла излучением (лучистая составляющая) зависит от природы частиц, диэлектрической, магнитной проницаемости и степени черноты поверхности частиц. Исходя из анализа возможных механизмов переноса тепла в зернистых системах можно утверждать, что эффективная теплопроводность системы зависит при прочих равных условиях от структуры порового пространства зернистых материалов, топологии и числа касаний частиц. Рассматривая идеализированные модели структуры зернистых материалов в виде упорядоченных кладок идеально гладких шаров, можем получить несколько вариантов структур: с тетраэдрической; гексагональной; кубической упаковкой шаров.Для каждого типа структуры будет иметь соответствующую пористостьm: 0,26; 0,4; 0,47. Считается, что предельная пористость, при которой не нарушается связь между шарами, равна пределу перколяции [1]. Пористость зернистых систем в условиях свободной засыпки может превышать 90%. В работе [5] предлагается для обоснования возможности существования зернистых систем с пористостью , при условии сохранения непрерывных контактов между зернами, рассматривать модели в виде цепочечных структур для которых координационное число .Действительно, если координационное число определять по формуле, предложенной Г.Н. Дульневым [5], то для значений пористости и получаем, что значения координационных чисел близки к 2, что подтверждает правильность выдвинутой гипотезы. Однако вид структуры зернистой системы зависит от элементного и химического состава твердой фазы. В качестве наполнителей вакуумных изоляционных панелей применяется мелкодисперсный микрокремнезем [1, 6, 7], который соответствует требованиям экологичности, пожарной безопасности, стабильности свойств в вакууме, топологии поверхности частиц. Микрокремнезем представлен опалами, структура которых построена из полимеризованных нитей аморфного кремнезема, которые собраны в глобулы – шаровидные образования определенного размера. Глобулы в свою очередь регулярным образом уложены в упаковку кубическую илигексиганальную. Координационное число при такой пространственной упаковке больше 2, для частиц, образующих кольцо равно 2.Экспериментально установлено, что в процессе конденсации в коллоидном растворе из частиц оксида кремния, которые имеют размер 1÷3 нм и являются зародышами, вырастают частицы размером 5÷7 нм. После этого начинается агрегация частиц и формирование глобул размером 20-40 нм, из которых формируются кластеры глобулярного типа размером 300÷400 нм. В зависимости от условий синтеза и процесса кластерообразования размер глобул может достигать размеров до 1200 нм [1]. Затем эти глобулы формируют макроструктуру с кубической или иным типом упаковки. Изменение гранулометрического состава микрокремнезема в процессе синтеза фиксировалось посредством анализатора размеров частиц Shimadzu SALD 3101 и инвентированного микроскопа OLYMUSGX – 71. Полученные микрофотографии и гранулометрические гистограммы   приведены на рис. 1 и 2.



Рис. 1. Распределение размеров частиц синтезированного диоксида кремния, определенное экспериментально с применением анализатора Shimadzu SALD 3101/

Рис.2.   Изображение частиц аморфного диоксида кремния синтезированного из диатомита, полученное с применением инвентированного микроскопа OLYMUSGX – 71.

С учетом экспериментальных данных в процессе синтеза формируется структура микрокремнезема, которую можнопредставить в виде фрактальной модели (см.рис.3) из ассоциированных кластеров (ССА-модель).


Рис.3. Фрактальная  модель структуры дисперсного микрокремнезема: а) первичная частица; б) фибриллярный(цепочный) кластер; в) глобулярный (шаровой) кластер; г) ассоциированный кластер (ССА); д)  пространственный каркас макроструктуры из кластеров ССА.


Фрактальный кластер образуется в результате  прилипания к нему последовательно по одной  частице, каждая из которых   совершает  диффузионное движение  в пространстве.Экспериментально  установлено, что по мере роста кластера  уменьшаетсянарушение  его сферической симметрии. При этом  среднее  координационное число для частиц в сферическом кластере  равно К=2.2 при вероятности  прилипания P=1 и если  P=0,2, то К=2.514 [8].По мнению Б.М. Смирнова [8] формирование  кластерной структуры идет в два этапа: на первом  этапе кластер растет  по мере  прилипания к нему частиц (DLA – модель); на втором – происходит  объединение кластеров в «кластер - кластерные» ассоциации (ССА – модель).Радиус кластера R и число частиц в нем n  связаны соотношением (2), где - радиус отдельной частицы; D – фрактальная размерность кластера.Масса образуемого кластера  m связана с радиусом  R соотношением (3). Исследования фрактальных свойств пористых дисперсных систем основаны на анализе рассеяния рентгеновского и нейтронного излучения, направленного на исследуемые объекты. При изучении структурных неоднородностей наноразмерного масштаба в зернистых системах широко применяется метод малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) [9, 10]с использованием дифрактометра Hecus S3 - MICRO (излучение с – фильтром) и специальных программных комплексов[11, 12].С помощью дифрактометра получены экспериментальные данные зависимости интенсивности рассеяния от модуля вектора рассеяния S  для аморфного кремнезема синтезированного из  диатомита (см. рис.4). 


Рис.4.  Интенсивность рассеяния от модуля вектора рассеяния S для аморфного  кремнезема синтезированного из диатомита.

Методика обработки и анализа экспериментальных данных представлена в работе [1, 9]. Характер полученных  экспериментальных кривых  малоуглового рассеяния свидетельствует о наличии в синтезированном микрокремнеземе двух систем относительно однородных рассеивающих кластеров. Первая представлена кластерами размером d=40,6 нм; вторая – d=7,5÷14.9 нм≈10.1 нм. На рис. 5 представлена кривая распределения по размерам рассеивающих частиц синтезированного кремнезема из анализа которой следует, что основной вклад в рассеивание излучения вносят мелкомасштабные фрактальные образования с размером d=4÷8 нм.

Рис. 5. Распределение  по размерам R (в ангстремах A) рассеивающих частиц синтезированного кремнезема.


Следовательно, дисперсный порошок аморфного кремнезема диоксида кремнияимеет в своем составе  три типа  рассеивающих объектов наноразмерного уровня с разной фрактальной размерностью.Фрактальные свойства  пористых систем  из аморфного кремнезема  приведены в таблице 1.Таблица 1.Фрактальные свойства аморфного кремнезема, синтезированного из диатомита. 

      ПараметрΔS, Å-1αDDsd, нм
1Аморфный диоксид кремния0,0159 – 0,0251 0,0251 – 0,0794 0,0794 – 0,15852,32 2,13 3,362,32 2,132,6440 – 25
25 – 8
 8 – 4
2Конденсированный микрокремнезем0,0159 – 0,15853,60
2,4040 – 4 
3Белая сажа0,0159 – 0,0251 0,0251 – 0,15853,17 2,662,662,8340 – 25
25 – 4
4FRONT - VIP0,0159 – 0,0316 0,0316 – 0,0562 0,0562 – 0,15852,59 3,30 4,102,592,7040 – 20
20 – 12
 12 – 4

Полученные результаты дают возможность рассчитать максимальный размер  пор по формуле, которая следует  из формулы 3: (4)где D - фрактальная размерность. (5)Из формулы (4) можно получить соотношение между средней плотностью и размером кластера. Результаты расчета средней плотности кластеров приведены в таблице 2. Рассмотрено два случая: 1 – размер первичной частицы равен 1; 2 - . Плотность частицы =2.2 г/м3, фрактальная размерность D=2,5. Используя соотношение между  плотностью  ρ и пористостью П определяли пористость зернистой системы по формуле (6). 









 Приведены значения  максимальных размеров пор  кластеров в процессе их роста, которые рассчитаны по формуле [8]; (7)По литературным данным свободная длина пробега молекулы в воздухе равна .Тогда критерий Кнудсена равный отношению средней длины свободного пробега молекул газа ℓк  расстоянию d между стенками, ограничивающими объем, практически во всех случаях будет меньше 1, . Следовательно, в порах системы реализуется конвективный механизм переноса тепла. При низких давлениях Р и температурах T переноса тепла молекулами газа в порах будет происходить при их столкновении со стенками пор. Коэффициент теплопроводности газа в поре предложено определять по формулам [1] в зависимости от величины : если (8)если , (9)где – показатель адиабаты; - коэффициент аккомодации газа на стенках; - критерий Кнудсена при атмосферном давлении ; - критерий Прандтля; - коэффициент теплопроводности газа при ; - динамическая вязкость газа; - удельная теплоемкость. Теплопроводность зернистых наполнителей вакуумных панелей будет зависеть от коэффициента аккомодации, который характеризует степень полноты обмена энергией при столкновении молекулы газа с поверхностью. Он всегда меньше единицы. Величина коэффициента зависит от топографии поверхности. Чем больше неровностей, дефектов на поверхности тем больше значений . Этот вывод установлен экспериментально и следует из формулы, предложенной Б.Бауле:, (10)где и - масса молекул газа и поверхности; - число соударений молекулы газа с твердой поверхностью.Оценкой топографии поверхности твердой фазы поровой структуры является фрактальная размерность D  и размер частиц,  агрегатов, формирующих поверхность  кластера.Если структура поверхности кластера формируется из мелких частиц, прочно соединенных между собой, то в этом случае возможно увеличение  коэффициента аккомодации за счет роста числа  соударений. Фрактальная размерность таких поверхностей около 2.2 и она характерна  для начальных  (первичных) кластеров. По мере роста кластера  его поверхность  становится более неоднородной, силы сцепления между  частицами слабеют и поэтому при столкновении  молекулы газа с поверхностью кластера  возможно проявление демпфирования. Энергия молекулы частично  переходит в энергию разрушения. Фрактальная размерность поверхности склонной к  демпфированию имеет значение  близкое к 2.5. Шероховатость, дефектность поверхности кластера можно  регулировать изменением условий формирования структуры. В результате анализа  влияния структурных параметров зернистой системы, сформированной из синтезированных частиц диоксида кремния,  установлено, что  при производстве вакуумных  изоляционных панелей  их теплозащитные  свойства можно регулировать путем изменения: давления, вязкости молекулярного веса газа; пористости  макроструктуры и кластеров; теплопроводности твердой и газовой фазы  системы;  коэффициента аккомодации;  координационного числа; размера первичных частиц; фрактальной размерности, характеризующей топологические  особенности строения частиц, агрегатов, глобул, кластеров  и их склонность  к диссипации энергии молекул газа.


Список литературы

1. Теплоизоляционные материалы и изделия на  основе вакуумированных дисперсных порошков микрокремнезема  и диатомита: Монография / В.П. Селяев, В.А. Неверов, А.К. Осипов [и др.]. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та. 2013. – 220 с.

2.Файств В. Основные  положения  по проектированию пассивных домов. – М.: Изд-во. АСВ. – 144 с.

3.  Schaefer D.W., Justice R.S. // Macromolecules, 2007, v.40, no.24, pp.8501-8517.

4. Данилевский Л.Н. Вакуумная теплоизоляция и перспективы использо-вания в строительстве // Архитектура и строительство . -   2006 . -№5. – С. 114 – 117.5. 5. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справочная книга. – Л.: Энергия, 1974. – 264 с.

6. Селяев В.П., Осипов А.К., Неверов В.А., Неверов В.А., Маштаев О.Г., Сидоров В.В. Полиструктурная модель теплоизоляционного материала на основе дисперсного микрокремнезема // Региональная архитектура и строительство. – 2012. - № 2(13) . – С. 5 – 11.

7. Селяев В.П., Неверов В.А., Маштаев О.Г., Сидоров В.В. Микроструктура теплоизоляционных материалов на основе тонкодисперсных минеральных порошков // Строительные материалы. – 2013. - № 8. – С.79 – 80.

8. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. – М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1991. – 136 с.

9. Свергун Д.И., Фейгин Л.А. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние. – М.: Наука, 1986. – 280 с.10. Китайгородский А.И.  Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических и аморфных тел.- М.-Л.: Гос.изд-во тех.-теор. лит-ры, 1952. - 588 с.11. Svergun D.I., Semenyuk A.V., Feigin L.A. ActaCryst. 1988. A44. p.244 -250.12. Svergun D.I.J.Appl. Cryst. 1992. v.25. p.495-503.

Отчет по состоянию на 1 апреля 2019 г.

Установлено, что для снижения теплопроводности пористого материала необходимо: повышать пористость макроструктуры (m2  до порога перколяции mП ); кластеров (снижая pk ); формировать многоуровневую поровую структуру материала; снижать внутрипоровое давление P; снижать степень черноты порового пространства и ограничивающих поверхностей; принимать материалы с низким коэффициентом температуропроводности и удельной теплоемкости.

Рассмотрены два способа синтеза мелкозернистого микрокремнезема из диатомитовых пород, пригодного для создания вакуумных   теплоизоляционных панелей с теплопроводностью 0,002-0,02 Вт/м2к. Методом анализа  детерминированных  моделей переноса тепла в  зернистых системах  определены основные индикаторы, определяющие зависимость теплопроводности от физических и   топологических свойств частиц диоксида кремния. Для оценки и регулирования теплопроводности зернистых систем, к основным индикаторам можно отнести:  – пористость микроструктуры;   – плотность кластеров, формирующих микроструктуру;   – характеристика степени (диссипации энергии излучения) черноты частиц наполнителя;   – диаметр пор на i-ом масштабном уровне;  – теплопроводность твердой и газовой фазы системы; a – коэффициент аккомодации; N – координационное число; D – фрактальную размерность, характеризующую топологические особенности строения частиц, агрегатов, кластеров.Проведен экспериментальный анализ свойств синтезированного микрокремнезема.  В результате проведенных исследований установлено, что оптимальные свойства дисперсного микрокремнезема, синтезированного из опал -   кристобалитовых  биоморфных  пород (диатомита Атемарского  месторождения)  путем осаждения оксида кремния  из коллоидного раствора, получены при реализации  второго способа  производства. В процессе синтеза получен  дисперсный   микрокремнезем, представленный   минералом опал,  построенным из   полимеризиванных  нитей аморфного кремнезема, которые   свернуты в   глобулы,  шаровые  кластеры диаметром в диапазоне 2-40 нм. Топология  поверхности глобул характеризуется фрактальной размерностью D = 2,32; 2,64, что обеспечивает снижение значений коэффициента  аккомодации и соответственно теплопроводности. Ассоциации   шаровидных  кластеров из частиц наноразмерного уровня формируют    масштабноинвариантную поровую   структуру, обеспечивающую низкую   теплопроводность.

В результате анализа и определения   структурных параметров зернистой системы, сформированной из синтезированных частиц диоксида кремния,  установлено, что  при производстве вакуумных  изоляционных панелей  их теплозащитные   свойства можно регулировать путем изменения: давления, вязкости,  молекулярного веса газа; пористости  макроструктуры и кластеров; теплопроводности твердой и газовой фазы  системы;   коэффициента   аккомодации;  координационного числа; размера первичных частиц; фрактальной размерности, характеризующей топологические  особенности строения частиц, агрегатов, глобул, кластеров  и их склонность  к диссипации энергии молекул газа.

Powered by Froala Editor