Компьютерно-математическое моделирование структуры поверхности алюмосиликатной стеклокерамики в процессе её получения

УДК 577.4:551.510.42:574.9:550.3

А.Б. Галаев

Московский государственный университет инженерной экологии, г.Москва, Россия

КОМПЬЮТЕРНО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ АЛЮМОСИЛИКАТНОЙ СТЕКЛОКЕРАМИКИ В ПРОЦЕССЕ ЕЁ ПОЛУЧЕНИЯ

В работе сравниваются результаты физико-химического и компьютерного анализа микрофотографий стеклокерамики в процессе ее получения. Такое сравнение позволяет более детально понять сам процесс и свойства получаемого материала.

In work this the results of the physical and chemical and computer analysis of microphotos of glass ceramics in the course of its receiving are compared. Such comparison allows to understand in more detail process and properties of a received material.

Проведено комплексное исследование структурно-физикохимических свойств алюмосиликатной стеклокерамики в процессе ее получения. Для этого в работе используются характеристики, полученные методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), ИК и КР-спектроскопии, электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), рентгенофазового анализа. Детально изучены фрактально-морфологические характеристики структуры поверхности, полученные по снимкам электронной микроскопии [1,2].

Согласно данным проведенного морфологического анализа микроликвация сопровождается химической дифференциацией стекла и образованием флуктуационных неоднородностей в его структуре (стеклофаза, обогащенная TiO2 и Al2O3) со средним размером 0,0338 мкм . По мере увеличения температуры степень ликвации возрастает - появляются новые более мелкие области неоднородностей (стеклофаза, обогащенная SrO, Al2O3 и SiO2), а средний размер неоднородностей в структуре стекла составляет 0,0231 мкм2.

После повышения температуры до 950 °С протекает процесс кристаллизации тиалита и моноклинной формы стронциевого анортита. По характеру структуры на микрофотографии и результатам морфологического анализа можно заключить, что из каждой частицы ликвирующей фазы выкристаллизовывается несколько кристалликов меньшего размера - средний размер частиц резко сокращается на порядок и составляет

0,0042 мкм , а общее их количество увеличивается в 4 раза (рис.1).

Большой интерес представляют данные фрактального анализа электронномикроскопических снимков стекла, в результате которого выявлена зависимость между изменением структуры материала и поведением средней фрактальной размерности (ФР). Более корректные значения фрактальных размерностей дал алгоритм спектров мощности показателей самоподобия, применяемый для анализа стохастических фрактальных образований, которыми и являются ликвирующая и кристаллические фазы в структуре стекла.

Если рассматривать фрактальную размерность как меру заполнения материей пространства с визуально-геометрической точки зрения, то можно

предположить, что снижение ФР на первых этапах термообработки свидетельствует о процессах перестройки структуры стекла - ликвации и кристаллизации, когда поверхность на микроснимках становится более хаотичней и разветвленней. По мере повышения температуры, когда процесс кристаллизации в значительной мере интенсифицируется, и количество кристаллической фазы увеличивается, структура становится упорядоченной и геометрически правильной, о чем свидетельствует увеличение ФР [3, 4].

Рис.1. Графики морфологических характеристик полученных по микрофотографиям стеколкерамики в процессе её получения

Температурная зависимость мгновенной скорости изменения ФР (рис. 2), которую характеризует первая производная ФР, имеет минимум при температуре 890-893 °С.

б 1о‘4

"6 10 750 8М 850 МО 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250

Температура, С °

Рис. 2. Первая производная фрактальной размерности

Это означает, что изменение структуры наиболее быстро протекает в указанном интервале температур и соответствует протеканию процессов ликвации и зарождению будущих кристаллических фаз, когда структура стекла наиболее разупорядоченная. Затем происходит резкий рост мгновенной скорости, что свидетельствует о протекании процессов кристаллизации и, как следствие, упорядочивании структуры материала.

О том, с каким ускорением происходит изменение структуры стекла, говорит вторая производная от ФР (рис. 3).

700 ЯОО 900 1000 1100 1200 1300

Тем пера гура, С 0

Рис. 3. Вторая производная фрактальной размерности

Из графика видно, что в температурном интервале ликвации стекла процесс структурообразования протекает равноускорено, в интервале 850-950 °С, когда начинается кристаллизация материала, он резко ускоряет-

ся, что также характеризует морфологический анализ, показывающий четырехкратное увеличение кристаллических частиц на микрофотографии стекла, термообработанного при температуре 950 °С. Далее до температуры 1050 °С ускорение процесса структурообразования несколько снижается, а затем вновь стабилизируется.

Библиографические ссылки

1. Уварова Н.Е. Радиопрозрачные стеклокристаллические материалы на основе алюмосиликатов / Сб. тезисов докладов V Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников, аспирантов и студентов старших курсов, М.: 2009.

2. Саркисов П.Д., Гращенков Д.В., Орлова Л.А., Уварова Н.Е., Попович Н.В. Современные достижения в области создания высокотемпературных ра-диопрозрачных материалов / Техника и технология силикатов.-2009.- № 1

3. П. Д. Саркисов, О. Б. Бутусов, В. П. Мешалкин, В.Г. Севастьянов, А. Б. Галаев, Компьютерный метод анализа тесктуры нанокомпозитов на основе расчёта изолиний фрактальных размерностей / Теоретические основы химической технологии, 2010том 44, №6, с.1-6

4. Моделирование влияния морфологии пористой структуры карбида кремния на его физико-химические свойства, Бутусов О.Б., Галаев А.Б, Мешалкин

В.П, Севастьянов В.Г., Гращенков Д.В. / Тезисы докладов XXV Международной Чугаевской Конференции по координационноц химии, с. 364.

УДК004.94:

А.Б.Галаев

Московский государственный университет инженерной экологии, г.Москва, Россия.

КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ МОРФОЛОГИИ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Фрактально-морфологический [1] анализ проведен для объёмно-рентгеновых микроизображений морфологии образцов карбида кремния, полученных спеканием исходного порошка при высокой температуре и давлении. Разработана компьютерная модель расчета фрактальной размерности микрофотографий нанокомпозитов [2], с помощью которой определены фрактальные размерности морфологии карбида кремния. Определены численные характеристики пористой структуры нанокомпозита, в том числе распределение пор по размерам, средний размер пор, а также разработан оригинальный алгоритм поиска «сквозных» пор.

Fractal morfological [1] analysis is carried out for volume X-ray microimages of morphology of samples of carbide of the silicon, received by agglomeration of an initial powder at high temperature and pressure. The computer model of calculation of fractal dimension of microphotos of nanocomposites [2] by which fractal dimensions of morphology of carbide of silicon are defined is developed. Numerical characteristics of porous structure of a nanocomposite, including distribution of holes in the sizes, the average size of holes are defined, and also the original algorithm of search of a "through" holes is developed.