CC BY
5DOI: 10.24412/cl -37269-2024-1-227-230
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ БАЗАЛЬТОПЛАСТИКОВОЙ
АРМАТУРЫ ПРИ ПРОВОКАЦИОННОМ БИОЗАРАЖЕНИИ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА И АРКТИКИ
Кычкин А.К.1, Лукачевская И.Г.1, 2, Кычкин А.А.1, 2, Салтыкова А.Л.2, Далбаева Е.А.2,
Габышев А.А.2, Терешкин А.Л.2
1 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова
Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск
2 Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр
Сибирского отделения Российской академии наук», г. Якутск
Анализ результатов исследования влияния экспонирования в экстремально-холодном и арктическом климате на деформационно-прочностные показатели базальтопластиковой арматуры (БПА) диаметром 6 мм показывает, что прочность БПА после 24 месяцев экспонирования повышается на 8%, а при провокационном микробиологическом поражении прочность на растяжение снижается в климатических условиях г. Якутска на 18%, п. Тикси - на 16%. Полученные результаты свидетельствуют о том, что существует риск существенного влияния на прочностные свойства полимерных композиционных материалов в условиях Севера и Арктики при их микробиологическом поражении.
Освоение арктических регионов привлекает повышенное внимание исследователей к проблеме старения полимерных композиционных материалов (ПКМ) в холодном климате [1-3]. В открытых климатических условиях в ПКМ основными причинами старения считаются физико-химические превращения, происходящие в полимерных матрицах, такие как гидролиз, доотверждение, набухание, пластификация, структурная релаксация, вызывающие необратимое изменение их механических свойств [3-5]. Указанная закономерность в полной мере распространяется и на базальтопластики [6]. В последнее время особое место в исследовательских работах занимает изучение процессов деструкции ПКМ под влиянием бактериальных и мицелиальных форм микроорганизмов. Проблема биоповреждений является междисциплинарной в научном значении и многоотраслевой - в практическом. Она включает в себя изучение механизмов биоповреждений, выбор мер защиты материалов от биодеструкции, разработку и применение методов исследования биологических повреждений. Многообразие методов связано, с одной стороны, с широким кругом организмов, являющихся агентами биоповреждений, а с другой - с большим спектром новых создаваемых материалов. Целью работы является оценка риска снижения прочностных свойств ПКМ при их провокационном микробиологическом поражении.
Материалы исследований. В целях проведения исследований были отобраны образцы случайной выборкой из промышленной партии БПА, представляющие собой однонаправленные базальтопластиковые стержни периодического профиля диаметрами 6, 8, 10, полученные на технологической линии «Струна» (Бийский завод стеклопластиков, БЗС 1623.00.00ПС) на основе базальтового ровинга РБН 13-2400-4С, полученного ООО «ТБМ» (г.Якутск) из Васильевского месторождения Республики Саха (Якутия), согласно ТУ 2296-001-86166796-2013 «Арматура неметаллическая композитная из базальтопластика». Исходное связующее, основу которого составляет эпоксидиановая смола ЭД-22, отверждаемая изо-метилтетрагидрофтале-вым ангидридом (изо МТГФА) в присутствии ускорителя 2,4,6-трис(диметиламинометил)фе-нола (УП-606/2) изготавливали по рецептуре согласно РТП-КП-2296-001-86166796-2012.
Результаты исследования. В таблице 1 представлены результаты изменения прочностных характеристик после экспонирования образцов в условиях экстремально холодного климата (г. Якутск) и Арктической зоне (п. Тикси) и образцов БПА с провокационным биозаражением после их 2-летнего экспонирования.
Таблица 1. Прочностные показатели БПА диаметром 6 мм, экспонированных в окрытых климатических условиях экстремально-холодной и арктической зон_
Этапы и зоны экспонирования Показатель Значение показателя, МПа Коэффициент сохраняемости, К
Исходное состояние Ов 1120 1
Ои 1023 1
Ос 410 1
Якутск, 28 мес. Ов 1206 1,08
Ои 1115 1,08
Ос 428 1,04
Якутск, 51 мес. Ов 1275 1,14
Ои 1022 0,99
Якутск, биозараженные, 12 мес. Ов 910 0,81
Якутск, биозараженные, 24 мес. Ов 920 0,82
Тикси, биозараженные, 12 мес. Ов 997 0,89
Тикси, биозараженные, 24 мес. Ов 941 0,84
Из анализа влияния экспонирования в экстремально-холодном и арктическом климате на деформационно-прочностные показатели БПА диаметром 6 мм видно, что при провокационном микробиологическом поражении прочность на растяжение снижается уже после 12 мес. экспонирования. После 24 месяцев: в климатических условиях г. Якутска на 18%, п. Тикси -на 16%. Без микробиологического поражения прочность БПА после 51 месяцев не претерпевают существенных изменений. Полученный результат повышения вызван доотверждением эпоксидной матрицы [7].
Для определения открытой пористости образцов базальтопластиковой арматуры (БПА) применялся апробированный метод гидростатического взвешивания [8] и согласно ПНСТ 532-2021. Пористость исходных образцов определялась случайной выборкой из стержней складского хранения в течение 5 лет. Измерения были проведены на образцах БПА с диаметрами 6, 8 и 10 мм. Для проведения измерений были вырезаны по 5 образцов из стержней БПА с длинами по 30 мм.
На рис. 1 показаны результаты измерений открытой пористости БПА с различными диаметрами и экспонированные при различных условиях и сроках. Для сравнения результатов, также была определена открытая пористость исходной БПА из образцов складского хранения.
Как показывают результаты измерений, открытая пористость БПА диаметром 6 мм в условиях г. Якутска возрастает в течение всего срока экспонирования с 0,26% до 0,77%, до 3 раз, у БПА с диаметром 8 мм, открытая пористость возрастает до 2,5 раз. Пористость поверхностного слоя П„. у БПА 6 мм с 0,14% до 0,26%, а у БПА 8 мм с 0,03% до 0,3%.
Проведенные измерения открытой пористости БПА, экспонированных в п. Тикси, показывают, что открытая пористость БПА с диаметром 6 мм возрастает с 0,26% до 0,44%, а у БПА с диаметром 8 мм - с 0,36% до 0,48%. Пористость поверхностного слоя с 0,14% до 0,37% у 6 мм БПА и с 0,03% до 0,19% у 8 мм БПА.
Рис. 1. Средние значения открытой пористости БПА с разными диаметрами, экспонированные в г. Якутске и п. Тикси
При этом, пористость поверхностного слоя составляет до 30% от открытой пористости у образцов, экспонированных в климатической зоне г. Якутска, а у образцов, экспонированных в п. Тикси - до 80% от общей.
Как видно, наибольшее увеличение открытой пористости показали биозараженные БПА, экспонированные в г. Якутске. При этом, пористость поверхностного слоя для диаметра 6 мм состаляет 65% от общей пористости, для диаметра 10 мм - 39% в условиях г. Якутска. В климатических условиях Арктики: для диаметра 6 мм - 51%, для диаметра 10 мм - 28%.
При сравнении открытой пористости с исходной (незараженной) БПА в климатических условиях г. Якутска открытая пористость повысилась в 2,19 раза, в условиях Арктики - в 1,34 раза, при этом наличие микропор, образованных при экспонировании в течение 24 месяцев внутри образца, в условиях г. Якутска повысилось на 67%, а в условиях п. Тикси на 42%.
О наличии и образовании микропор внутри образцов свидетельствуют проведенные исследования на монолитность красителем «фуксин» (табл. 4).
Таблица 4. Результаты испытания на монолитность образцов диаметрами 6, 10 мм БПА после биозаражения
в г. Якутске и п. Тикси
Маркировка Число проявлений красителя на торце образца, кол-во Время до момента проявления первой точки красителя на торце образца, мин
БПА Тикси био 6 мм 22 20
БПА Тикси био 10 мм 134 20
БПА Якутск био 6 мм 23 35
БПА Якутск био 10 мм 10 40
По результатам проведения испытания на монолитность наибольшее число проявления красителя внутри образцов наблюдалось у базальтопластиковой арматуры, экспонированной в п. Тикси, и меньшее для образцов, экспонируемых в г. Якутске. Результат исследований на монолитность показывает, что на стороне БПА, которая подвергалась солнечному излучению, проникновение красителя идет интенсивнее, заполняя поверхностные слои, подвергнутые деградации. У биозараженных образцов время до момента проявления первой точки красителя на торце образца меньше в 4 раза, что констатирует о более высокой размерности образованных пор. Можно предположить, что присутствие таких пор и трещин предоставляет микроорганизмам возможность свободно проникать в структуру материала, заполнять их и продолжать там свой рост. Со временем, при наличии благоприятных условий, микроорганизмы могут активно участвовать в ускорении разрушения материалов и ухудшении их физических свойств.
Заключение. Наибольшее увеличение открытой пористости показали биозараженные БПА, экспонированные в г. Якутске. При этом, пористость поверхностного слоя для диаметра 6 мм состаляет 65%, для диаметра 10 мм - 39% в климатических условиях г. Якутска. В арктических условиях п.Тикси, для диаметра 6 мм - 51%, для диаметра 10 мм - 28%.
При сравнении открытой пористости с исходной (незараженной) БПА в клима-тических условиях г. Якутска открытая пористость повысилась в 2,19 раза, в условиях Арктики - в 1,34 раза, при этом наличие микропор, образованных при экспонировании в течение 24 месяцев внутри образца, в условиях г. Якутска повысилось на 67%, а в условиях п. Тикси на 42%.
Анализ результатов исследования влияния экспонирования в экстремально-холодном и арктическом климате на деформационно-прочностные показатели БПА диаметром 6 мм показывают, что при микробиологическом поражении прочность на растяжение снижается: в г. Якутске на 18%, в п. Тикси на 16%. Без микробиологического поражения прочность на растяжение БПА повышается на 8%.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что микробиологическое поражение влияет на прочностные свойства полимерных композиционных материалов и ускоряют разрушение материала в условиях Севера и Арктики.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FWRS-2024-0095) и с использованием научного оборудования ЦКП Федерального исследовательского центра Якутского научного центра СО РАН.
Литература
1. Старцев В.О. Климатическая стойкость полимерных композиционных материалов и защитных покрытий в умеренно-теплом климате. // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов. Москва, 2018 . 308 с.
2. Каблов Е.Н., Лебедев М.П., Старцев О.В., Голиков Н.И. Климатические испытания материалов, элементов конструкций, техники и оборудования в условиях экстремально низких температур. // Труды VI Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. Том 1. Якутск, 24-29 июня 2013 г. Якутск, Ахсаан, 2013, С. 5-7.
3. Каблов Е.Н., Старцев В.О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников. // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 2. С. 47-58.
4. Pochiraju K. V. [et all.]. Long-Term Durability of Polymeric Matrix Composites // Long-Term Durability of Polymeric Matrix Composites / под ред. Pochiraju K. V., Tandon G.P., Schoeppner G.A. Boston, MA: Springer US, 2012. 677 p.
5. Ageing of composites / ed. Martin R. Cambridje: Woodhead Publishing Limited, 2008. 544 p.
6. Lebedev M.P., Startsev O.V., Kychkin A.K. The effects of aggressive environments on the mechanical properties of basalt plastics // Heliyon. 2020. Vol. 6, No 3. Article e03481.
7. Startsev V.O., Lebedev M.P., Kychkin A.K. Influence of moderately warm and extremely cold climate on properties of basalt plastic armature // Heliyon. 2018. Vol. 4. Article e01060.
8. Исакаев Э.Х., Мордынский В.Б., Подымова Н.Б., Сидорова Е.В., Школьников Е.И. Определение пористости газотермических покрытий // Физика и химия обработки материалов. 2010. № 5. С. 71-77.
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1 -230-234
ОЦЕНКА КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ БОРИДНЫХ СЛОЕВ НА ШТАМПОВЫХ СТАЛЯХ
Мишигдоржийн У.Л.1, Улаханов Н.С.1, Гуляшинов П.А.2, Тихонов А.Г.3, Нгуен Ван Вин3, Балановский А.Е.3
1 Институт физического материаловедения СО РАН, г. Улан-Удэ 2 Байкальский институт природопользования СО РАН, г. Улан-Удэ 3 Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск
Способность сопротивления коррозии является одним из основных свойств металлических изделий, работающих в условиях агрессивных и влагосодержащих сред. Такие методы поверхностного упрочнения сталей и сплавов как борирование и бороалитирование позволяют значительно повысить физико-механические свойства изделий, в том числе коррозионную стойкость. В настоящей работе проведено упрочнение сталей 5ХНМ и 3Х2В8Ф упомянутыми методами и проведена оценка их коррозионной стойкости с помощью потен-циостат-гальваностата "ПИ-50-Pro" в 3%растворе NaCl. Борирование проводили в насыщающих пастах из карбида бора, алюминия (только при бороалитировании) и фторида натрия в качестве активатора при температуре 950 и 1050 °С в течение 2 ч. Установлено, что упрочнение приводит к формированию диффузионных слоев толщиной от 15 мкм до 12*102 мкм. Снятые кривые "потенциал - ток (Е-I)" демонстрируют, что все покрытия обладают коррозионной стойкостью, превышающей стойкость необработанных образцов. Наибольшее сопротивление коррозии продемострировали образцы после бороалитирования при температуре 950°С для обеих сталей.
