Кластерная структура в дисперсно-наполненных композитах | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: , ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №7 (87) апрель-1 2015 г.

Дата публикации: 30.03.2015

Статья просмотрена: 122 раза

Библиографическое описание:

Даровских И. А., Бобрышев А. Н., Лахно А. В. Кластерная структура в дисперсно-наполненных композитах // Молодой ученый. — 2015. — №7. — С. 115-117. — URL https://moluch.ru/archive/87/16723/ (дата обращения: 21.07.2018).

В статье показано, что структура дисперсно-наполненных композитных материалов во многом зависит от качественного и количественного трансформирования кластеров в системе, и в частности от критического размера кластера.

Ключевые слова: композит, дисперсный наполнитель, кластер, структура, пороги протекания.

 

Новые композиционные материалы, появляющиеся вследствие стремления к совершенствованию уже существующих материалов и изделий, открывают широкие возможности для реализации перспективных конструктивных решений, технологических процессов, а также использования эффективных методов анализа, моделирования и прогнозирования.

От степени точности анализа и дальнейшего прогнозирования необходимых параметров композитных материалов, используемых в различных условиях эксплуатации, зависят надежность, долговечность и другие физико-технические свойства [1–3]. В этой связи, исследование физико-химических и эксплуатационных свойств композитных систем, и разработка моделей их прогнозирования, основанных на современных теориях кластерообразования, перколяции, бифуркации, структурно-фазовых переходов являются очень перспективными [4–6].

К подобным системам можно отнести моделирование и прогнозирование дисперсно-наполненных полимерных композитов. Например, с позиций кластерного анализа можно рассматривать упрочнение композитов дисперсными наполнителями [6–9], которое непосредственно связано с возникновением кластерных образований, представляющих собой в грубом приближении скопление частиц наполнителя, взаимодействующих между собой через пленочные прослойки матричной среды. Отдельные кластеры по существу являются центрами формирования новой кристаллоподобной структуры композита, обладающей повышенной упругостью и прочностью. В процессе роста кластера за счет присоединения к нему отдельных частиц происходит его качественное трансформирование в новую фазу с кристаллоподобными свойствами [10]. Причем такой переход осуществляется через неустойчивые состояния, связанные с частичным или полным распадом кластера. Поэтому в новую фазу переходят лишь те кластеры, размер которых превышает критическое значение. Впоследствии глобальное развитие кластерной структуры композита происходит в результате укрупнения закритических кластеров, за счет присоединения к ним неустойчивых кластеров и кластерных осколков.

Рис. 1. Элемент кластера в дисперсно-наполненном полимерном композите

 

Критический размер кластера определяется методом итерационно-экстраполяционного анализа данных, найденных для решеточных систем, и заключается в следующем. Устойчивость кластеров в немалой мере обусловлена дальнодействующим взаимодействием между составляющими его частицами, распространяющимся на дальние координационные группы. В таблице 1 приведены пороги протекания по узлам решеток, в которых связи между узлами (частицами) распространяются до третьей координационной группы. Известно, что произведение  в пределе стремится к критическому числу , которое является универсальным и не зависит от типа решетки. Очевидно, что в случае реализации предельного значения  под величиной  подразумевается критическое число связанных узлов (частиц), которое в свою очередь определяет критический размер кластера. Для оценки критической величины  проанализируем данные табл. 1.

В результате несложных вычислений определим среднеарифметические значения , где  — номер решетки, указанный в табл.1. Пользуясь данными средних значений и величинами  и  для последней из указанных в табл. 1 правильной решетки с плотнейшей упаковкой , имеющей номер 8, найдем  и  для решетки, связи между узлами которой распространяются до 4-й координационной группы . Умножение найденных чисел  дает весьма точное значение критического числа , что подтверждает сделанный прогноз о структуре критического кластера.

Таблица 1

Пороги протекания по узлам с дальнодействующим взаимодействием

Номер решетки

Тип решетки

Связанность координационной группы

Число связанных узлов Мs

Порог протекания по узлам

1

Тэтраэдрическая

1

4

0,425

2

Простая кубическая

1

6

0,307

3

Объемноцентрированная кубическая

1

8

0,243

4

Гранецентрированная кубическая

1

12

0,195

5

Объемноцентрированная кубическая

2

14

0,175

6

Простая кубическая, гранецентрированная кубическая

2

18

0,136

7

Простая кубическая, объемно-центрированная кубическая

3

26

0,096

8

Гранецентрированная кубическая

3

42

0,061

9

Решетка с критическим значением порога протекания по узлам

4

59

0,046

 

Следует отметить, что приведенная оценка размера критического кластера, включающего 59 узловых элементов, незначительно отличается от величины (55 узловых элементов), найденной Мюллером-Крумбхааром [4]. Связность между частицами в критическом кластере распространяется до 4-й координационной группы, а порог протекания по узлам при этом равен . Условия критического кластера больше всего осуществимы в плотном клубковом кластере.

Поскольку взаимодействие центральной частицы клубкового кластера распространяется до 4-й координационной группы, можно сделать предположение, что в критическом кластере проявляется сильная дальнодействующая корреляция, приводящая к его силовой стабилизации под действием среднего поля. Такие кластеры обладают повышенной устойчивостью в условиях гидродинамических воздействий и вибраций. Кроме того, в процессе перемещения в объеме системы критические и закритические кластеры, подобно большим частицам, способны захватывать и присоединять к себе отдельные частицы и малые кластеры.

Таким образом, размер критического кластера имеет большое значение при оценке эффективности поверхностно-активных веществ (ПАВ). В этой связи свидетельством неэффективности ПАВ будет являться наблюдение в структуре композитов критических и закритических кластеров. Динамика развития, стабилизации, коалесценции критических кластеров позволяет более детально судить об усилении прочности, трещиностойкости, проницаемости, электропроводности и других свойств дисперсно-наполненных композитов.

 

Литература:

 

1.         Зубарев, П.А., Планирование оптимального соотношения компонентов в полиуретановой системе / П. А. Зубарев, В. О. Петренко, А. В. Лахно, Е. Г. Рылякин // Молодой ученый. 2014. — № 6 (65). — С. 164–166.

2.         Зубарев, П.А., Производственный процесс получения защитных полиуретановых покрытий / П. А. Зубарев, А. В. Лахно, Е. Г. Рылякин // Молодой ученый. 2014. — № 5 (64). — С. 57–59.

3.         Петренко, В. О. Моделирование оптимальной концентрации компонентов ремонтного клеевого состава / В. О. Петренко, А. В. Лахно, Е. В. Новиков Международный технико-экономический журнал. 2011. № 3. С. 110–112.

4.         Мюллер-Крумбхаар, Х. Моделирование малых систем / Х. Мюллер-Крумбхаар // Методы Монте-Карло в статистической физике. — М.: Мир, 1982. — С. 216–246.

5.         Бобрышев, А.Н. Анализ критического содержания наполнителя в композите с позиций теории перколяции / А. Н. Бобрышев, А. В. Лахно, П. В. Воронов, А. А. Бобрышев, Е. В. Новиков // Международный технико-экономический журнал. 2013. № 6. С. 93–98.

6.         Бобрышев, А. Н. Структура и свойства дисперсно-наполненных композитных материалов / А. Н. Бобрышев, А. В. Лахно, Р. В. Козомазов, А. А. Бобрышев. — Пенза: Изд-во ПГУАС, 2012. — 160 с.

7.         Лахно, А.В. Некоторые аспекты усиления полимерных композитов / А. В. Лахно, А. Н. Бобрышев, П. А. Зубарев, В. О. Петренко, Е. В. Новиков // Международный технико-экономический журнал. 2012. № 5. С. 100–105.

8.         Новиков, Е.В. Кластеро- и трещинообразование в композитах / Е. В. Новиков, А. В. Лахно, А. Н. Бобрышев, П. А. Зубарев // Международный технико-экономический журнал. 2012. № 5. С. 96–99.

9.         Бобрышев, А.Н., Анализ распределения наполнителя в структуре композитов // А. Н. Бобрышев, П. А. Зубарев, П. И. Кувшинов, А. В. Лахно // Интернет-Вестник ВолгГАСУ. 2012. № 1 (20). С. 28.

10.     Воронов, П.В. Оценка кинетики фазовых переходов в твердеющих гетерогенных материалах / П. В. Воронов, А. Н. Бобрышев, А. В. Лахно, П. И. Кувшинов, Н. Н. Туманова // Региональная архитектура и строительство. 2010. № 2. С. 58–66.

Основные термины (генерируются автоматически): критический кластер, порог протекания, кластер, критическое число, критический размер кластера, узел, дальнодействующее взаимодействие, координационная группа, номер решетки, счет присоединения.


Ключевые слова

кластер, структура, композит, дисперсный наполнитель, пороги протекания.

Похожие статьи

Кластер как одна из форм познавательной деятельности...

Кла́стер (англ. cluster — скопление, кисть, рой) — объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица

Заир С.И. – бек, И.В. Муштавинская Развитие критического мышления на уроке: Пособие для учителя.

Метод кластера в технологии развития критического мышления...

В настоящее время происходит модернизация российского образования с целью воспитания личности соответствующей актуальным запросам общества, умеющей адаптироваться к изменяющимся условиям жизни, находить выход в критических ситуациях...

Разработка перколяционной модели газовых сенсоров

Темно-серым цветом показан перколяционный стягивающий кластер, светло серым — проводящие, но не попавшие

На рисунке 2 представлены результаты моделирования порога протекания на решетке 100х75 с порами только первого, второго, третьего и четвертого рангов.

Применение методов кластеризации для обработки новостного...

Кластеризация – разбиение множества объектов на группы (кластеры), основываясь на свойствах этих объектов.

При этом каждому объекту xi приписывается номер кластера yi.

В качестве порогового значения радиуса кластеров экспериментально было подобрано число...

Принципы формирования кластеров малого и среднего бизнеса...

выявить «критическую массу» малых и средних предприятий, испытывающих сходные

достичь понимания ими преимуществ кластера

сформировать группу сторонников объединения деловых усилий.

Стратегия развития отраслевого кластера | Статья в журнале...

В более узком смысле под кластером понимают группу расположенных в достаточной географической близости взаимосвязанных компаний, поставщиков оборудования

Метод кластера в технологии развития критического мышления на уроках в начальных классах.

Классификация кластеров предприятий | Статья в журнале...

Кластер — это группа географически соседствующих, взаимосвязанных компаний

Критическая масса в цепочке начисления стоимости делает фирмы более конкурентными

К числу известных примеров относятся: Силиконовая долина (IT); Бангалор, Индия (разработка...

Кластер как основа управления промышленными предприятиями

Региональный (локальный) кластер – это группа географически сконцентрированных компаний из одной или смежных отраслей и поддерживающих

Взаимодействие всех участников внутри кластера в конечном итоге направлено на выпуск определенной, целевой для кластера в...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Кластер как одна из форм познавательной деятельности...

Кла́стер (англ. cluster — скопление, кисть, рой) — объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица

Заир С.И. – бек, И.В. Муштавинская Развитие критического мышления на уроке: Пособие для учителя.

Метод кластера в технологии развития критического мышления...

В настоящее время происходит модернизация российского образования с целью воспитания личности соответствующей актуальным запросам общества, умеющей адаптироваться к изменяющимся условиям жизни, находить выход в критических ситуациях...

Разработка перколяционной модели газовых сенсоров

Темно-серым цветом показан перколяционный стягивающий кластер, светло серым — проводящие, но не попавшие

На рисунке 2 представлены результаты моделирования порога протекания на решетке 100х75 с порами только первого, второго, третьего и четвертого рангов.

Применение методов кластеризации для обработки новостного...

Кластеризация – разбиение множества объектов на группы (кластеры), основываясь на свойствах этих объектов.

При этом каждому объекту xi приписывается номер кластера yi.

В качестве порогового значения радиуса кластеров экспериментально было подобрано число...

Принципы формирования кластеров малого и среднего бизнеса...

выявить «критическую массу» малых и средних предприятий, испытывающих сходные

достичь понимания ими преимуществ кластера

сформировать группу сторонников объединения деловых усилий.

Стратегия развития отраслевого кластера | Статья в журнале...

В более узком смысле под кластером понимают группу расположенных в достаточной географической близости взаимосвязанных компаний, поставщиков оборудования

Метод кластера в технологии развития критического мышления на уроках в начальных классах.

Классификация кластеров предприятий | Статья в журнале...

Кластер — это группа географически соседствующих, взаимосвязанных компаний

Критическая масса в цепочке начисления стоимости делает фирмы более конкурентными

К числу известных примеров относятся: Силиконовая долина (IT); Бангалор, Индия (разработка...

Кластер как основа управления промышленными предприятиями

Региональный (локальный) кластер – это группа географически сконцентрированных компаний из одной или смежных отраслей и поддерживающих

Взаимодействие всех участников внутри кластера в конечном итоге направлено на выпуск определенной, целевой для кластера в...

Задать вопрос