Структурная топология дисперсных систем
Аннотация
Цель освоения дисциплины: повышение профессионального уровня специалиста на основе современных знаний науки о составе, структуре и необычных свойствах строительных композитов с использованием зернистых заполнителей, тонкодисперсных и высокодисперсных наполнителей минеральных добавок.
Общая трудоемкость составляет 136 часов, 4 зачетные единицы.
Содержание дисциплины.
Раздел 1. Теоретические положения структурной топологии.
Введение. Цель и задачи дисциплины. Предмет, основные объекты изучения дисциплиной. Основные понятия и положения. Новые материалы и современный уровень знаний в развитии строительного материаловедения.
Регулярные (трансляционные) укладки и случайная упаковка твердых сфер (атомов, ионов в кристаллической решетке и жидкостях). Сингонии – типы кристаллических структур. Способы укладки атомов и ионов в кристаллических решетках. Фундаментальные топологические характеристики – плотность их укладки элементов структуры кристаллических и жидких систем и координационное тело. Характерные расстояния и образующиеся углы трансляционной инвариантности. Получение общей формулы для плотности трансляционных укладок. Случайная укладка твердых сфер – основные понятия, каноническая и топологические плотности случайной упаковки – получение их величин и экспериментальное подтверждение.
Принципы формирования структур топологического беспорядка. Классификация структур топологического беспорядка. Уравнения для принципов формирования структур топологического беспорядка, при фазовых переходах к неупорядоченности. Топологические переходы. Термодинамика их и изменение энтропии.
Получение общей закономерности распределения зерен по размерам при случайной высокоплотной и их упаковке. Выбор общей закономерности – геометрический подход и метод Общей Теории Систем (ОТС). Классы систем распределения зерен по размерам классификация их по прерывности в гранулометрии. Размеры пустот в случайной упаковке. Бимодальные упаковки. Пристенный – масштабный фактор.
Предсказания ОТС в топологии структуры зернистых и дисперсных материалов. Минимальный размер контейнера с зернистым слоем, контрольных образцов из композиционных материалов, критический размер наночастиц, критические плотности упаковки монодисперсных наполнителей. Получение величины канонической плотности упаковки твердых сфер, топологическое соотношение фаз в случайных равновесных процессах – золотое геометрическое и топологическое «сечение» и др.
Способы получения высокоплотных зернистых смесей. Физико-экономическое значение высокоплотной упаковки частиц в композицион-ных материалах. Вовлечение в работу при сжатии зерен крупного заполнителя в мелкозернистых и тяжелых бетонах. Способы механического измельчения материалов и кривые дифференциального и интегрального распределения зерен. Сухое и мокрое измельчение – регулирование плотности упаковки частиц в продуктах измельчения. Расчет и подбор высокоплотных зерновых составов заполнителя. Бимодальные упаковки и плотные зерновые составы. Полидисперсные смеси прерывной, прерыви-стой и непрерывной гранулометрии.
Методика расчета высокоплотных зерни-стых смесей и строи-тельных композитов. Расчет зерновых составов прерывной, прерывистой и непрерывной гранулометрии. Эффективность составов в композитах. Зависимость прочности тяжелого бетона от класса системы распределения зерен по размерам – экстремальная прочность. Вывод уравнения для расхода заполнителя (наполнителя) в зависимости от плотности упаковки зерен, удельной поверхности и коэффициента раздвижки зерен вяжущим веществом.
Фазовые и топологические переходы при плавлении, кипени, псевдосжижении зернистого слоя и диспергировании вещества. Изменение топологической структуры при фазовых переходах 1 и 2 рода. Модель топологического перехода. Объединение уравнений перепада давления при преобладании сил вязкости и инерции. Инерционная составляющая этого уравнения и ее экстремальные зависимости от порозности слоя и плотности упаковки зерен – аналог спектрального распределения интенсивности излучения абсолютно черного тела. Вывод уравнения ФТП и его анализ для взаимодействующих и невзаимодействующих элементов структуры.
Построение схем уровней фазотопологических состояний (ФТС) веществ с кристаллической решеткой и неупорядоченных систем. Использование уравнений ФТП (переходов) для построения схем уравнений ФТС. Свойство схем и практическое применение их в исследовании состояния дисперсного слоя и структуры композитов. Критическое и предельное наполнение(содержание по объемной доле наполнителя) композитов. Достроенные уровни ФТС и топологические свойства веществ при плавлении с низкой кристаллической плотностью укладки атомов и ионов. Топологические и евклидовы несходимости. Структура жидких металлов.
Фундаментальные топологические характеристики неупорядоченных систем: координационное число и плотность упаковки твердой дисперсной фазы в композитах. Плотность случайной топологической упаковки и индексы ее амплитуды, критические плотности упаковки взаимодейст-вующих и невзаимодействующих элементов структуры, их топологические взаимосвязи и зависимости. Координационное число элементов структуры в 3х-мерном пространстве и в композитах. Вывод уравнений для координационого числа взаимодействующих и невзаимодействующих элементов структуры в неупорядоченных системах и частиц наполнителя в композитах. Значение этого показателя для определения тепло - и электрофизических свойств композитов.
Пороги дисперсности при измельчении материалов. Критическая, микро - и нанодисперсность материалов. Получение выражений для порогов (уровней) дисперсности вещества: размера агрегаций из микрочастиц и размера наночастиц и безлигандных атомных агрегаций. Пороги протекания в кристаллических решетках и в случайной упаковке сфер (частиц). Пороги протеканиядля строительных растворов и бетона. Идеи теории перколяции. Задачи протекания физических и других процессов по связям и узлам в кристаллических решетках. Расчет порогов протекания для кристаллических решеток, а так же в случайной упаковке сфер по данным схем уровней их ФТС.
Теория прочности твердых поризованных композитов. Основные понятия – прочность при нулевой пористости и пористость при нулевой прочности поризованных материалов. Вывод уравнения для прочности при сжатии и фрактальной размерности пористых материалов.
Топология структуры ячеистых бетонов. Расчет состава и порообразующих элементов структуры пористых материалов(пенобетона, поробетона). Вывод уравнений для толщины перегородки пористых тел.
Дисперсное армирование поризованных материалов. Критическая и рациональная длина волокна. Вывод уравнений для длины и расхода волокна в зависимости от его диаметра, пористости материала и размера пор.
Зерновой состав заполнителя и топология структуры легких и тяжелых бетонов. Влияние объемной доли крупного заполнителя на прочность бетонов. У равнения для прочности тяжелого бетона и строительного раствора в зависимости от зернового состава заполнителя.
Краевые задачи строительного материаловедения. Модели характера разрушения бетонных образцов и строительного раствора. Условия необходимости и достаточности. Объяснение гиперболической зависимости прочности при сжатии от высоты образца строительных композитов. Образование зернами заполнителя эффективных конусов жесткости при приложении нагрузки на испытуемые образцы изделия и конст-рукции. Модели свободного и стесненно-го формирования минеральных оболочек на зернах заполнителя. Реверс собствен-ных деформаций минеральных оболочек на зернах заполнителя. Уравнения для оптимальной толщины минеральной оболочки на зернах заполнителя при стесненном и свободном ее формировании. Расчет относительного изменения силы обжатия зерен оболочкой. Другие задачи строительного материаловедения.
Раздел 2. Процессы и синтез дисперсных систем и композитов.
Классификация дисперсных систем по их уровню (степени измельчения или дисперсности). Классификация дисперсных систем по их уровню. Методы получения дисперсных систем. Нанодисперсные системы в технологии строительных материалов, их особенности.
Количественное соотношение между фазами и плотность системы. Особенности фазового состава дисперсных систем. Составные части структуры дисперсных систем. Грубодисперсные частицы и поровое вещество. Роль порового вещества при формировании структуры материала. Количественное соотношение между фазами и плотность системы.
Дисперсность, форма частиц, зерновой состав и строение высокодисперсных систем. Дисперсность систем и критерии ее характеризующие (удельная поверхность и показатель полидисперсности). Форма и характер поверхности частиц. Строение высокодисперсных систем. Аутогезия и реологические свойства порошков. Реологические модели формовочных систем. Плотность упаковки дисперсных систем. Принципы подбора (формирования) высокоплотной упаковки дисперсных систем. Влияние влажности и дисперсности на плотность упаковки формовочных систем.
Основные положения синтеза высокоплотных дисперсных систем. Природные аналоги и исследования по возможности создания высококонцентрированных вяжущих минеральных дисперсных систем, способных к полимеризационному структурообразованию. Основные технологические принципы получения высокоплотных дисперсных систем: принцип предельной концентрации, принцип повышенной температуры, реологический принцип дополнительной стабилизации. Массовое и объемное содержание фаз в высококонцентрированных дисперсных системах, Критическая и относительная концентрация. Особенности реологии высококонцентрированных дисперсных систем.
Применение принципа механоактивации при управлении процессом синтеза высокодисперсных систем и струтурообразования композитов на их основе. Понятие активации. Факторы, предопределяющие структурную нестабильность (активность) вещества. Классификация структурных уровней в технологии строительных материалов по характеру деформационных нарушений в материале.
Механические методы активации химических процессов. Принцип механоактивации. Диспергирование и активация твердых тел. Энергетика процессов диспергирования. Теория диспергирования Риттингера, Кика, Румпфа, Ребиндера. Изменение структуры и физических свойств твердых веществ при механоактивации. Механохимия. Особенности процессов передачи механической энергии при ударном воздействии. Механо-химические реакторы (трибореакторы). Типы механических воздействий в трибореакторах. Изменеие структуры твердого вещества при механической обработке. Классификация дефектов структуры. Нульмерные или точечные дефекты; линейные несовершенства; дву - и трехмерные неоднородности.
Принципы модификации дисперсных систем на наноуровне. Задачи наномодифицирования как управление формированием структуры материала от наноуровня к макроструктуре. Виды наномодификаторов дисперсных систем. Наномодификаторы дисперсных систем природного и искуственного происхождения. Принцип пространственной оптимизации структуры матричной фазы высококонцентрированных дисперсных систем.
Основная литература
1. Наноминералогия. Ультра - и микродисперсное состояние минерального вещества./ под ред. . – СПб: «Недра», 2005 - 578с.
2.Займан Дж. Модели беспорядка. Теоретическая физика однородно неупорядоченных систем / пер. с англ. -Бруевича.-М.: «Мир», 1982-592с.
3. Синергетика композитных материалов./ Под ред. . Липецк: НПО «ОРИУС.»-1994-153с.
4. Структурная топология. (практикум). – Учебное пособие. М: Издание Ассоциации строительных вузов, 2007- 96с.
5. Теоретические аспекты технологии керамики и огнеупоров. / избранные труды. Том 1. – СПб: «Стройиздат», 2003- 544с.
6. Процессы и синтез дисперсных систем. – Учебное пособие. Белгород: Издание БГТУ, 2007- 120с.
7. , структурная топология неупорядоченных систем. Ч 1. Основные фундаментальные параметры и принципы структурообразования. Ч 2. Топология структуры веществ в точках фазовых псевдофазовых переходов. //Вестник Бел ГТАСМ (БГТУ) –2002 - №2.- С.14-44.
8. , Структурная топология неупорядоченных систем. Ч3. Свойства систем, наделенных дискретностью. Плотность покрытий и укладка в евклидовом пространстве. //Вестник Бел ГТАСМ, научно-теоретический журнал - Белгород: - Издательство Бел ГТАСМ (БГТУ) –2003 - №3.- С.13-38.
9. Структурная топология дисперсных систем: учебное пособие / , . – Белглрод: Изд-во БГТУ, 2007. – 132с.
Дополнительная литература
1. Симметрия природы и природа симметрии. – М.: «Мысль», 1974. – 229с.
2. Структурная топология пенобетона.// Известия вузов. Строительство –2005. - №2 С.18-25.
3. Технология бетона./ –М.: Изд-во АСВ, 2002-с.93-102
4. О бетоне с фиксированным щебеночным каркасом// Бетон и железобетон. –1984. -№1. С.42-43.
5. рибохимия. / пер. с англ. .-М.: «Химия», 1987 -582с.
6. Механические методы активации химических процессов. – Новосибирск: «Наука», 2-е издание, 1986. – 303с.
