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


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