Лекция 1. Волокнистая теплоизоляция на основе наноструктур
Вопросы:
1. Понятие тепловой изоляции и теплоизоляционных материалов.
2. Теплоизоляция, армированная волокнами. Применение в промышленности.
3. Нанокомпозиты на основе волокон.
1. Тепловая изоляция в строительстве играет важную роль. С ее помощью решают вопросы комфортного жизнеобеспечения людей, правильного и безопасного проведения технологических процессов, а также экономии топливных ресурсов. Теплоизоляционные конструкции являются неотъемлемой частью защиты промышленного оборудования, технологических линий, паро - и трубопроводов, жилых, общественных и промышленных зданий. Изолируя данные объекты, повышается долговечность, надежность, устойчивость и эффективность эксплуатации зданий, сооружений и оборудования.
Тепловая изоляция выполняет следующие функции: создает комфортные условия для проживания людей в жилых домах, снижает тепловые потери в окружающую среду от объектов, обеспечивает нормальный технологический процесс в аппаратах, создает нормальные температурные условия для обслуживающего персонала, уменьшает температурные напряжения в металлических конструкциях, огнеупорной футеровке и т. д., защищает от огня строительные конструкции, сохраняет заданные температуры в холодильных агрегатах. Большую роль играет теплоизоляция в предотвращении тепловых потерь в окружающую среду, в особенности трубо - и паропроводов.
В Концепции развития приоритетных направлений промышленности строительных материалов и стройиндустрии особое внимание уделено развитию промышленности теплоизоляционных материалов, в частности в организации новых мощностей по производству высокоэффективных материалов широкой номенклатуры, а также разработке прогрессивного технологического оборудования для их создания.
Теплоизоляционными материалами в соответствии с ГОСТ Р 52953-2008 называются материалы, которые удовлетворяют следующим требованиям: обладают теплопроводностью не более 0,175 Вт/(м∙К), имеют плотность (объемную массу) не более 500 кг/м3, обладают стабильными физико-механическими и теплотехническими свойствами, не выделяют токсических веществ и пыли в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации.
2. Композитные материалы армируют волокнами — кирпичи с соломой и оболочки для египетских мумий можно отнести как раз к этому классу композитов. На современном этапе армирование осуществляют волокнами и нитевидными кристаллами.
Углеродные волокна — это органические материалы, подвергшиеся термическому воздействию при температурах 1000–3000°C и содержащие 92–99,99 % углерода.
Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано известным американским изобретателем Томасом Алва Эдисоном в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Однако в полной мере интерес к углеродным волокнам проявился лишь в конце 1950-х годов.
 |
Они оказались наиболее подходящим армирующим материалам для изготовления ракетных двигателей, поскольку обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью, сопротивлением усталости и жесткостью.
По сравнению с обычными конструкционными материалами, например, алюминием или сталью, композиты с углеродными волокнами обладают некоторыми весьма полезными свойствами:
Они имеют исключительно высокую термостойкость
— в инертных средах или в вакууме до 3000°С (температура плавления стали 1500°С)
— на воздухе до 450°С
Благодаря своим характеристикам:
— большой активной поверхности до 2500 м2/гр (2 гр. имеют площадь футбольного поля!)
— невероятной прочности (3,6 Гн/м2) в 2 раза выше прочности стали (1,8 Гн/м2) и при этом в 4 миллиона раз легче стали (плотность 1,9 г/м3,а плотность стали 7,82 т/м3)
— и являющиеся прекрасными сорбентами (1 гр. поглощает до 50 гр. нефтепродуктов) — углеродные волокна превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы!
Это предопределяет возможность применения углеродных волокон в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике.
Благодаря высокой химической стойкости углеродные волокона применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. и использовуют их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.
 |
В настоящее время углеродные волокна используют для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых частей, деталей двигателей, теплопроводящих устройств, для энергетических установок и производства активированных углеродных волокон (например, в накопителях электроэнергии, аккумуляторах, батареях, устройствах-модулях по очистке газов, где требуются новые, в частности, токопроводящие углеродные волокна-сорбенты).
Помимо высоких прочностных свойств и малого веса, углеродное волокно и композиты на его основе (углепластик) имеют черный цвет и хорошо проводят электричество, что определяет и ограничивает области, где применяется углепластик и углеродное волокно. Кроме того, углеродное волокно и углепластик имеют очень низкий, практически нулевой коэффициент линейного расширения, что делает углеродное волокно незаменимым в некоторых специальных областях применения.
Производителям тканых материалов углеродное волокно поставляется в виде нитей, которые представляют собой группу элементарных углеродных волокон. Количество углеродного волокна в нити оценивается числом «К» — число тысяч элементарных углеродных волокон. Самое меньшее и самое дорогое углеродное волокно — 1К, наиболее распространенное углеродное волокно 3К, существуют также нити из углеродного волокна с К = 6, 12, 24, 48.
Области применения углепластиков и углеродного волокна:
- Ракетостроение и авиастроение (самолетостроение, вертолетостроение, малая авиация).
- Судостроение (военные корабли, спортивное судостроение).
- Автомобилестроение (спортивные автомобили, мотоциклы, тюнинг).
- Средства спортинвентаря (велосипеды, теннисные ракетки, удочки).
3. Композиты на основе углеродного волокна армируют нитевидными кристаллами.
Нитевидные кристаллы (или «усы») — это монокристаллы в форме иголок и волокон, имеющие диаметр от нескольких нм, до нескольких сот мкм и большое отношение длины к диаметру обычно более 100. Один нанометр (от греческого «нано» — карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов.
Наиболее важное свойство нитевидных кристаллов уникально высокая прочность, в несколько раз превосходящая прочность массивных моно - и поликристаллов. Высокая прочность нитевидных кристаллов объясняется совершенством их структуры и значительно меньшим, чем у массивных кристаллов, количеством (а иногда полным отсутствием) объемных и поверхностных дефектов, одна из важнейших причин малой дефектности нитевидных кристаллов — их малые размеры, при которых вероятность присутствия дефекта в каждом из кристаллов невелика.
Методы получения нитевидных кристаллов:
- физическое испарение с последующей конденсацией,
- осаждение из газовой фазы при участии химических реакций,
- кристаллизация из растворов,
- направленная кристаллизация эвтектических сплавов,
- выращивание на пористых мембранах.
Наиболее важные направления в применении нитевидных кристаллов — реализация их высоких прочностных свойств в композиционных материалах, а также использование их высокой тепловой и абразивной стойкости.
Контрольные вопросы:
1. Понятие теплоизоляции и теплоизоляционных материалов.
2. Волокнистые материалы.
3. Углеродные волокна и углепластики.
4. Нанокомпозиты и нитевидные кристаллы.
5. Методы получения нитевидных кристаллов и их применение.
Список литературы:
1. Состав и структура композиционных материалов / , , Курдюмова общей редакцией профессора . – Бишкек: Полиглот, 1997.- 124 с.
2. Хрулев и свойства композиционных материалов для строительства. Уфа: ТАУ, 2001. – 168 с.
3. www. xumuk. ru. Химическая энциклопедия.
4. http://www. . Завод композитных материалов.
5. Бобров материалы и конструкции / , , . − М.: ИНФРА-М. − 2003. − 268 с.
6. Концепция развития приоритетных направлений промышленности строительных материалов и стройиндустрии на 2001-2005 годы // Строительные материалы.− 2001. − № 6. − С. 2 −13.
7. ГОСТ Р 52953-2008 (ЕН ИСО 9229:2004) Материалы и изделия теплоизоляционные. Термины и определения..− М.: Изд-во стандартов, 2004.− 39 с.
8. СНиП II-3-79. Строительная теплотехника. М.: Госстрой СССР, 1995.− 37 с.
