Диффузия и процессы нестационарной массопроводности при изготовлении композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Таблица 3

Результаты анализа изображения реального образца волокнистой структуры нетканого материала

Изображение нетканого материала Максимальное значение распределения волокон, % Минимальное значение распределения волокон, % Среднее максимальное значение распределения волокон, % Среднее минимальное значение распределения волокон, % Коэффициент анизотропии

Реальный образец 6,81; 6,52; 6,56 4,81; 4,70; 4,83 6,63 4,78 1,39

Выводы.

Таким образом, разработанный нами программный комплекс для анализа направленности волокон в нетканых структурах средствами MATLAB позволяет исследовать структуру матриц волокнистых композиционных материалов, с высокой степенью точности и достоверности определять направленность волокон в структуре матрицы композита и давать прогноз мультиаксиальных физико-механических свойств синтезированного композиционного материала.

Литература

1. Чернопятов, А. В. Опыт использования преобразования Фурье для обнаружения объектов на изображении / А. В. Чернопятов // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №6.

2. Ayres, C. Modulation of anisotropy in electrospun tissue-engineering scaffolds: Analysis of fiber alignment by the

fast Fourier transform / [C. Ayres et al.] // Biomaterials. -2006. - №27. - P. 5524-5534.

3. Gonzalez, R. C. Digital Image Processing Using MATLAB / R. C. Gonzalez, R. E. Woods, S. L. Eddins. -Dorsing Kindersley, 2004.

4. http://www. math2market. de/

5. Pourdeyhimi, B. Measurement of Fiber Orientation in Nonwovens Part 1: Simulation / B. Pourdeyhimi, R. Ramana-than, R. Dent // Textile Research Journal. - 1996. - №66(11). -P. 713-722.

6. Pourdeyhimi, B. Measurement of Fiber Orientation in Nonwovens Part 3: Fourier Transform / B. Pourdeyhimi, R. Dent // Textile Research Journal. - 1997. - №67(2). -P. 143-151.

7. Stolyarov, O. A method for investigating blending quality of commingled yarns / [O. Stolyarov et al.] // Textile Research Journal. - 2013. - №83 (2). - P. 122-129.

8. Stolyarov, O. Influence of Process Parameters on Filament Distribution and Blending Quality in Commingled Yarns Used for Thermoplastic Composites / [O. Stolyarov et al.] // Journal of Thermoplastic Composite Materials. - 2014. -№27(3). - P. 350-363.

УДК 66.046 : 66.974.434

С. Ю. Осипов

Тверской государственный технический университет,

Ю. Р. Осипов

Вологодский государственный университет,

О. А. Панфилова

Вологодский институт права и экономики ФСИН России,

B. П. Сеничев

Вологодский государственный университет,

C. А. Шлыков

Вологодский институт права и экономики ФСИН России

ДИФФУЗИЯ И ПРОЦЕССЫ НЕСТАЦИОНАРНОЙ МАССОПРОВОДНОСТИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Исследовано влияние процессов тепло- и массопереноса на изделие из композиционных материалов при термообработке. Оценена химическая стойкость материалов в соляной кислоте. Даны рекомендации по разработке тепловых режимов изготовления объектов.

Массопроводность, композиционные материалы, концентрационный профиль, температурное поле, химическая стойкость, диффузия.

The influence of heat and mass transfer processes on the product made of composite materials during heat treatment is researched. Chemical resistance of materials in hydrochloric acid is estimated. Recommendations for the development of thermal modes of manufacturing objects are given.

Mass conductivity, composite materials, concentration profile, temperature field, chemical resistance, diffusion.

Введение.

Композиционные материалы - это материалы, представляющие собой гетерогенные, термодинамически неравновесные системы, состоящие из двух или более компонентов, отличающихся по химическому составу, физико-механическим свойствам и разделенных в материале четко выраженной границей. Компоненты вместе придают материалу требуемые свойства, которыми не обладает каждый из них в отдельности. Комбинируя объемное соотношение компонентов, можно получать материалы с требуемыми характеристиками: прочностными, радиопрозрачными, диэлектрическими, магнитными и др. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных составляющих и технологии их совмещения.

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей внутреннего сгорания. Технология применяется для формирования на поверхностях в парах трения сталь - резина дополнительных защитных покрытий. Применение таких материалов позволяет увеличить рабочий цикл уплотнений и валов промышленного оборудования, работающих в водной и других агрессивных средах [1].

Основная часть.

Для получения изделия необходимого качества необходимо провести исследование технологических режимов термообработки и выявить основные факторы, влияющие на качество готового изделия. Мас-сопроводность (диффузия) и вообще массообменные процессы очень значимы в процессе изготовления материалов, поскольку являются необходимой составной частью многих производств и в значительной степени влияют на качество выпускаемой продукции. В свою очередь, на коэффициенты диффузии, массоотдачи, распределения концентраций также влияет температурное поле, так как многие мас-сообменные процессы протекают в неизотермических условиях [1], [3], [4]. Поэтому рассмотрим процессы тепло- и массопереноса, взаимно влияющие друг на друга, в композиционных материалах.

Процесс теплопереноса в двухслойном композиционном материале описывается дифференциальными уравнениями [2]:

дТЛх,х) д2 71 (х, х)

—- _ а-х>0, -8; < х < 0,

дх

дх2

д72 (х х) _ д2 72 (х,х)

дх

■ _ а,

дх2

х > 0, 0 < х <82. (1)

Начальное условие:

Т(х,х)|х_0 _70, «■ _ 1,2.

(2)

Граничные условия:

д71 (-8,, х) г . .-,

1 ях '+ К [Тс -7 (-8.Д)]_ 0,

--К [Тс -72 (82,х)_ 0, (3)

д х д72 (82 ,х)

дх

К

7 (-0,х) _ Т2 (0,х), д71 (-0, х) _ дТ2 (0,х)

д х

д х

(4)

а а Я

где _ т-; К2 _ т-; К-к_т1.

2 « ' Я

Ч Я2 Я2

Операционным методом получено решение краевой задачи (1)-(4):

Т1 (х, х)_ Тс -

- 2 Е<

п_1

х cosI УЦ

81

С0в (цп I уЦп 8- I- (цп )

(

Б11Б12 +б0Б11Цп

в1п (Цп )в1п I УЦп Ке

сов (ц п )С081 уц п

Л

+ 00Б12УЦп С08УЦп! 1 + ^ 1 +

1 // х

+ 60Б11Б12 ■ в1пуцп +

ад

Т2 (х,х)_ Тс - 2 £

п_1

-Ке ЭШ (уЦп )^1П I Ц

81

ехр (-у2цп Р0! )ф 1 (ц„ )

С0в(уцп)с0в

' х ^ V 82 /

Б12 УЦп +00Б11Б12:

в1п (УЦп)

cos

' х ^ V 82 /

+ Ке ■ cos (уцп )s1n

V 82 /

-Ке Б11Б12 в1пЦп

х сояуЦп! 1

'1^

V 82 /

+КАБ11 Цп

ехР (-Ц^Ро2 Н^ф1 (Цп ), (5)

где

ф (Цп ) _ цп (Б12У + КеБ11) ("Ув1п (УЦп ) С0в (Цп ) +

+ С0в (УЦп ) х 81п (цп )) + Ц2 (Б11 + Ке УБ12 )) х х (уС0в (уЦп ) вт (Цп ) + 8Ш (уЦп ) х С0в (Цп)) +

+ уцп (С0!5 (уЦп)81п (Цп)+Кев1п (уЦп)С0!5 (Цп)) +

+ Цп х(уЦ - К е Б11Б12 )(С0в (уЦп ) С0в (Цп )-у вт (уЦп )>

ад

х

и

X вШ (ц„ )) + В11В12 (вЦ^ )с08(ци ) +

+Ке с08УЦ„ вШ^ ) + (КеУЦ2 - В11 *В12 ) > х (ус08уци С0зци - з1пуци ),

где Кя=|ц Ка = У = Кя. К п, К = К,- Ка

= Тс - То; В1, =

а-81

В12 =-2

т-> а1Т

р01 = -т, §2

р02 = #

§2

По решениям (5) получены температурные кривые в композиционных материалах с эластомерными покрытиями марок 4476 (СКБ), ИРП-1025 (наирит), ИРП-1214 (НК) и др. [2], [4]. Исследование полученных кривых распределения температуры показало неравномерность прогрева двухслойных систем, особенно на начальном этапе термообработки. С увеличением продолжительности времени нагрева температурные поля постепенно выравниваются. Асимметричность кривых объясняется разницей те-плофизических параметров слоев.

Изучение распределения температурных полей в объекте при термообработке позволяет выяснить влияние последней на конечный продукт. Проверка качества композиционных материалов проводилась через исследование химической стойкости композиционных материалов в агрессивных средах, т. е. их возможной рабочей среде. Исследования обкладок проведены только в тех средах, в которых они нормально работают.

Рассмотрена стойкость обкладок из эластомеров на основе каучуков НК и СКБ, СКБ, СКС, наирита, СКН, СКФ при температуре 293 К. В качестве агрессивных сред были выбраны азотная, серная, соляная, уксусная, фосфорная и другие кислоты. Химическую стойкость эластомеров оценивали по степени набухания образцов, по изменению внешнего вида и физико-механических показателей после набухания [4].

Можно отметить, что проникновение соляной кислоты в гуммировочное покрытие резко возрастает в течение 15 суток нахождения обкладки в агрессивной среде, а затем глубина проникновения кислоты становится постоянной (и 0,0005 м). В отличие от проницаемости процесс набухания не останавливается во время проведения эксперимента, постоянно растет и достигает 5,5 %.

Кроме того, было проведено исследование химической стойкости отдельных слоев многослойных эластомерных покрытий марок 1751, 1752, 1390, 2023, 1976, 2566 и других на основе каучуков различных типов. Набухание многослойного покрытия происходит следующим образом. Внешние резиновые слои резко набухают за 15 суток на величину 55 - 75 %, в то время как набухание внутреннего эбонитового слоя за 70 суток испытания не превышает

7 %. Химическая стойкость резины через 30 суток стабилизируется и составляет 28 - 39 %.

Такой характер диффузии агрессивных сред в эластомерные покрытия объясняется повышенной химической стойкостью эбонита к воздействию наиболее активных агрессивных сред, распределением температур по толщине покрытия в процессе вулканизации (внутренний слой меньше подвержен перевулканизации) и четырех слоям находящейся перед ним резины. Более низкая химическая стойкость внешних резиновых слоев (особенно 1 и 2-го слоев) связана с деструкцией под действием высоких температур нагревающей среды.

Также экспериментально исследовались на химическую стойкость покрытия, вулканизация которых проводилась при учете процесса массопереноса агента вулканизации. Важно отметить, что, сравнивая результаты экспериментов набухания в кислотах гуммировочных покрытий после вулканизации с учетом массопереноса свободной серы по слоям агента вулканизации и без него, качество покрытий различно. Обкладки, полученные при тепловых режимах прогрева с учетом миграции свободной серы во время вулканизации, меньше набухают в агрессивных средах, а, следовательно, их работоспособность и эксплуатационные показатели сохраняются дольше [3].

Диффузия в твердых средах является одним из способов переноса вещества в массообменных процессах, а также в процессах, сопровождающихся химическими реакциями. Молекулярная диффузия распределяемого вещества в твердых средах осуществляется за счет миграции молекул.

Следовательно, основными факторами, влияющими на химическую стойкость покрытий в агрессивных средах, несомненно, являются температура и распределение вулканизующего агента по толщине покрытия. В связи с этим было проведено моделирование массопереноса агента вулканизации в композиционном покрытии.

В ходе математического моделирования процесса массообмена эластомерной заготовки были приняты допущения об отсутствии переноса вещества в поперечном и продольном направлении, об отсутствии внутренних источников массы, о пренебрежении термическим сопротивлением клеевых прослоек.

С учетом допущений процесс массопереноса вулканизующего агента в эластомерном покрытии при термообработке описывается дифференциальным уравнением (6) с начальным (7) и граничными условиями (8) [5]:

С,

дх

д2С

= Б-£ , х > 0, 0 < х < 5,

д х2

С» (х, х) = С0Ш1 = С0 при х = 0,

дСд0Х} = * [С» (0,х)- Ср ].

(6) (7)

2

2

[C, М-C, ]

(8)

где С5 (х,т) - текущая концентрация вулканизующего агента в пластине, %; С0 - начальная концентрация вулканизующего агента в пластине, %; Ср - равновесная концентрация, соответствующая концентрации распределяемого вещества в ядре потока внешней фазы по обеим сторонам пластины концентрация вулканизующего агента в пластине, %; к = р/(АрВ); В - коэффициент диффузии, м2/с; р - коэффициент массоотдачи, м/с; Ар - коэффициент распределения.

Решение краевой задачи (6) - (8) получено с помощью стандартных преобразований метода конечных интегральных преобразований [5] с последующей доработкой с целью улучшения сходимости рядов:

С (х,т)- C0 _

V 0 = 1 - 2Bim Е

[1 -(-1)" ]v» (ця )

C, - Co

1 Ц» (" + B£ + 2Bim ) х exp• Fom)+Ср -2h8x

ш cos8j + h8 sin8 j j • [1 -(-1)"]

: Cp Е т~2 \ ,(9)

Ц" ( + h282 + 2h8)

ц2 - Bim

где Ц" > 0 — корни уравнения ctg ц 2ц- Bi

v» (ц») = ци cos (V» 8j+B1 ms1n (V» f j;

Bim = P8/(D4,); Fom = Dx/82.

Выводы.

На основе решения (9) получены графики распределения концентрации вулканизующего агента в покрытиях марок 4476 (СКБ), ИРП-1025 (наирит), ИРП-1214 (НК) и др. [3]. Концентрационные профили в эбонитовых покрытиях марок были сравнены с

экспериментальными данными, отклонение составило 2-5 %.

Отличие результатов расчета от экспериментальных данных тем больше, чем меньше значения числа Фурье, что соответствует коротким режимам термообработки, мало используемым в промышленности. При увеличении продолжительности нагрева расчеты практически не отличаются от экспериментальных данных.

В результате расчетов выявлено, что количество вулканизующего агента зависит от продолжительности вулканизации; распределение свободной серы в эластомерных покрытиях становится равномернее, постепенно уменьшаясь со временем, а количество связанной серы растет.

Полученные соотношения (5) и (9) позволяют аналитически описать распределение температуры и вулканизующего агента в композиционном покрытии, что можно использовать для разработки рациональных тепловых режимов и оптимизации процесса термообработки.

Литература

1. Лукомская, А. И. Тепловые основы вулканизации резиновых изделий / А. И. Лукомская, П. Ф. Баденков, Л. М. Кеперша. - М., 1984.

2. Осипов, С. Ю. Исследование процессов тепло- и массопереноса при термообработке гуммировочных покрытий и их на качество готовых изделий / С. Ю. Осипов, Ю. Р. Осипов, О. А. Панфилова // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2012. - №3. - Т. 2. -С. 16-19.

3. Осипов, С. Ю. Решение основных задач нестационарной массопроводности при термообработке гуммированных объектов / [С. Ю. Осипов и др.] // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2011. - №4(34).

- Т. 2. - С. 19-22.

4. Осипов, Ю. Р. Термообработка и работоспособность покрытий гуммированных объектов / Ю. Р. Осипов.

- М., 1995.

5. Рудобашта, С. П. Диффузия в химико-технологических процессах / С. П. Рудобашта, Э. М. Карташов. -М., 1993.

И=1

УДК 004.891, 002.53:004.89

О. И. Соловьева, А. В. Кожевников

Череповецкий государственный университет

РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

В статье предложен метод моделирования эффективных систем оценки технического состояния оборудования разливки стали и поиска его неисправностей с помощью новых математических моделей с целью обеспечения его работоспособности. Данные системы могут быть использованы при внедрении технологии сервисного обслуживания по техническому состоянию оборудования непрерывной разливки стали и других уникальных сложных технических систем металлургии.

Машина непрерывного литья заготовок, нечеткая логика, генетический алгоритм, экспертная система оценки безопасности оборудования.