Transcript Document
ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» НИУ НАНОТЕХНОЛОГИИ в строительном материаловедении. Достижения, задачи и перспективы Докладчик: Е.В. Королев, д.т.н., профессор, директор НОЦ НТ Москва, 2013 г. 1. Общие знания Физические причины повышения свойств наноматериалов Относительное изменение поверхностной энергии, % Поверхностное натяжение 100 95 I II III Уравнение Гиббса-Толмена-Кенига-Бафа 90 2 2 1 2 R R 3R ln ln R 2 2 1 1 2 R R 3R 85 80 75 70 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 Диаметр частицы, мкм При ж т const : На участке II cos f d f , U s 2...3%, o ; На участке III cos f d f , U s 20%; o На участке I cos f d f , o ; cos ж1в тв ж т Температура плавления Tпл Tпл e 4 2 R - При уменьшении диаметра наночастиц олова до 8 нм их температура плавления снижается на 100оС (от 230оС до 130оС). - Самое большое снижение температуры плавления (более чем на 500оС ) обнаружено у наночастиц золота. Зависимость температуры плавления наночастиц алюминия от их радиуса Взято из Lai et al. (Applied Physics Letters, 1998, v. 72:1098-1100). Прочность поликристаллического материала k o 2 d Смачиваемость поверхности Уравнение Венцеля – Дерягина cosш k ш coso kш 1 Размерный эффект n N lim N N 0 N ~1000 0 слабые эффекты, или размерные эффекты I рода (более 10 нм), когда при увеличении удельной поверхности (или уменьшении размера частиц) физикохимические свойства вещества изменяются не сильно, а все наблюдаемые изменения можно объяснить влиянием поверхностных эффектов на общие свойства кристалла. сильные эффекты, или размерные эффекты II рода (менее 10 нм), когда наблюдаются кардинальные изменения свойств вещества, которые невозможно интерпретировать в рамках обычных поверхностных явлений. 2. Дефиниции • Технология (от греч. techne – искусство, мастерство, умение и ...логия), совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции; научная дисциплина, изучающая физические, химические, механические и другие закономерности, действующие в технологических процессах. • Приставка «нано» – первая составная часть наименований единиц физических величин, служащая для образования наименований дольных единиц, равных миллиардной доле исходных единиц. • Нанотехнология – это совокупность методов получения продукции (изделий) посредством организации вещества на атомно-молекулярном уровне. Мифы нанотехнологии • Безотходность технологии • Наномашины и нанороботы • «Серой слизи» Наноструктурированный материала Наноробот Нанотехнологии в строительном материаловедении Стратегии наномодифицирования строительных материалов • Введение в материал синтезированных нанообъектов • Синтез нанообъектов в материале в процессе его изготовления Примеры реализации первой стратегии (углеродные наноструктуры) • Наноструктурированный легкий бетон: • - плотность – 1200-1600 кг/куб.м; - прочность на сжатие – 30-60 МПа; - прочность на изгиб – 4-8 МПа; - теплопроводность – менее 0,2-0,4 Вт/(м*К); - водопоглощение – не более 0,4 %; - водонепроницаемость – W20; - огнестойкость – более 780 оС; - морозостойкость – F300-F350 Композиционные материалы – модифицирующая добавка УНТ повышает прочность (в 1,5-3 раза), электропроводность, теплопроводность, изменяет структуру композитов на основе полиэтилена, полипропилена, фторопластов, полиуретана и др. • Строительные материалы и дорожные покрытия – применение сверхмалых добавок (0,001-0,0001%) в бетоны повышает в 1,2-2 раза их прочность, температуроустойчивость, снижает трещинообразование. Источник: Статья «Перспективы применения нанобетона в монолитных большепролетных ребристых перекрытиях с постнапряжением» авторов: Е.В. Кишеневская, Н.И. Ватин, В.Д. Кузнецов (Журнал Инженерно-строительный журнал, №2, 2009. Влияние УНД на прочность бетона Источник: А.Н. Слижевский, Самуйлов Ю.Д., Батяновский Э.И. О Влиянии углеродных наноматериалов на свойства цемента и цементного камня Эффективность введения нанодобавок в различные материалы kef F f C f FmaxCmax F – эффект от введения первичного наноматериала (Fmax = 300 %) Сf – концентрация первичного наноматериала (Сmax = 0,1 %) Задачи стратегии №1 • Однородность распределения наноразмерных модификаторов по объему материала • Выбор вспомогательных веществ, обеспечивающих агрегативную устойчивость коллоидных систем и удаляющихся для реализации потенциала наночастиц Проблемы однородного распределения нанообъектов do k 1 1 Fp 4 E do 2 2 2 2 2 4 2 k − волновое число; Е − средняя по времени плотность энергии акустического поля;ρ − плотность среды; ρf − плотность вещества модификатора Сила Бьеркнеса 4 2 do FB 4 2 cos 2 h u − колебательная скорость; φ − сдвиг фаз пульсации частиц; h − расстояние между частицами Сила Бернулли 6 3 do 2 FBe 2 2 2 h t, мин 30 Дисперсный состав астраленов после УЗО 24 22 20 18 15 Содержание, % 16 14 12 10 8 6 4 2 3 0 6,54 0 3,89 2,31 1,38 0,82 0,49 0,29 0,17 0,10 0,06 0,04 0,02 Диаметр частиц, мкм состав: астралены – 0,005%, сульфанол – 0,01% Гипсометрическое распределение Лапласа d n1 n2 ~ d 2 exp d 3 d d f c 3 n1 exp g d h n2 kT 6 d n1 n2 1 1 ~ 2 exp dT T T Теория Смолуховского 8 kT nx 1 1 not no 3 Уравнение Гиббса 1 c d Г RT dc μ – вязкость среды-носителя; nо – общее количество частиц При T>X При T<X Влияние ПАВ Энергетический потенциал: E= r2 + kT(Cr − C∞) 2 Cr= C∞exp r VkT σ – поверхностное натяжение; r – радиус наночастицы; k – постоянная Больцмана; T – температура; C∞ – концентрация вакансий в макротеле; Cr – концентрация вакансий в наночастице ∆V – изменение объема кристалла при замене атома на вакансию Примеры реализации второй стратегии • Наноструктурные композиты на основе взаимопроникающих полимерных сеток • Нанокомпозиты на основе гибридной органосиликатной матрицы • Полимерные нанокомпозиты с очень низкой проницаемостью и высоким сопротивлением агрессивным средам Наномодификатор для пенобетонов Модель наномодификатора Структура пенобетона Характеристика пен Размер нанообъектов модификатора – 6,5…7,5 нм Характеристики пен Пенообразователь Значение Пенообразующая Устойчивость, способность, % % Контрольный 460 78,49 1,2 460 87,83 Пеностром 1,3 460 100,00 1,4 460 100,00 1,5 460 96,81 Контрольный 460 80,23 1,2 460 84,88 Ареком 1,25 460 100,00 1,5 460 97,83 Общие задачи нанотехнологии • Разработка инструментария для оценки эффективности принимаемых рецептурных и технологических решений • Разработка методики оценки техникоэкономической эффективности нанотехнологии в строительстве Рецептурно-технологический дуализм Потенциал вещества материала Im Потенциал технологии It I t I t ,0 I t , j 1 t , j I t ,0 I t ,0 I m I m,0 I m, j 1 m, j I m, 0 I m, 0 Rт m, j Rj Rт mt , j m, j t , j Rj t , j Rj Rmax, j Rmax,j Развитие технологии цементных бетонов 300 UHPC Прочность при сжатии, МПа 250 В/Ц=0,25 200 MDF 150 100 микрокремнезем пластификатор 0 1850 RPC микроволокна поликарбоксилат 50 В/Ц=0,3 волокна В/Ц=0,7 В/Ц=0,6 В/Ц=0,35 SCC В/Ц=0,4 HPC СП В/Ц=0,5 1900 1950 2000 годы Значения потенциала Φmt для различных технологических способов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 - повышение активности портландцемента; 2 - применение подготовленных заполнителей; 3 - снижение начального водосодержания посредством введения пластифицирующих добавок; 4 - введение неорганических добавок, способствующих повышению плотности структуры; 5 - введение полимерных веществ, уплотняющих структуру; 6 - применение виброактивации цемента, обеспечивающее дезагрегацию цементных флоккул и уплотнение цементного геля; 7 - Интенсификация процесса уплотнения жестких смесей; 8 - применение вакуумирования, центрифугирования, фильтрационного прессования; 9 - пропитка поровой структуры бетона органическими веществами или серой; 10 - применение сухого формования; 11 - применение водопоглощающих перегородок Основной принцип реализации нанотехнологии Реализация нанотехнологии должна проводиться исчерпания возможностей макро- и микротехнологии только после Критерием для оценки целесообразности перехода на наномасштабный уровень является размер массового дефекта в материале. Условия оптимизации композита на масштабных уровнях от микро- до макроуровня П m 0 В min Ц Ca OH2 min - Пm – пористость, образующаяся в результате некачественного уплотнения бетонной смеси; - [Са(ОН)2] – концентрация Са(ОН)2; - В/Ц – водоцементное отношение Условия оптимизации композита на наномасштабном уровне f min C S H max max m - σf – внутренние напряжения на границе раздела фаз; - χm – трещиностойкость тоберморита и подобных материалов; - [C–S–H] – концентрация тоберморита и подобных материалов Критерий экономической эффективности kek qi qp ti tp qekti ti qi qp qe min ti tp qi – расход ресурса на изготовление изделия; ti – продолжительность эксплуатации qp – расход ресурса на поддержание изделия в работоспособном состоянии tp – продолжительность межремонтного периода qe – энергопотребление в процессе эксплуатации изделия 1,5 ρб/ρн=0,9 ρб/ρн=1,0 ρб/ρн=1,1 1,11 1,00 0,91 ρб/ρн=0,9 ρб/ρн=1,0 ρб/ρн=1,1 0,83 0,75 0,68 Соотношение Vк, б/Vк, н 2,0 2,5 3,0 β = Ск, б/Ск, н =1,5 1,48 1,85 2,22 1,33 1,67 2,00 1,21 1,52 1,82 β = 2,0 1,11 1,39 1,67 1,00 1,25 1,50 0,91 1,14 1,36 3,5 4,0 2,59 2,33 2,12 2,96 2,67 2,42 1,94 1,75 1,59 2,22 2,00 1,82 Удельная прочность бетонов ТБ – тяжелый бетон (М400); ВПБ – высокопрочный бетон (≥ М600); ОВПБ – особовысокопрочный бетон (≥ М1000); ЛБ – легкий бетон (М250); ВПЛБ – высокопрочный легкий бетон (≥ М400) Мировой опыт создания прочных легких бетонов Средняя плотность, кг/м3 Удельная прочность, МПа Год Страна Прочность при сжатии, МПа 1999 Кувейт 22 1520 14,4 2002 Германия 14…25 1800 7,5…15 2003 Бразилия 40…50 1450…1600 24,5…30,5 2003 Турция 30…40 1800…1860 16,1…22,2 2004 Япония 47…54 1800…1850 27,5…30,0 2007 Россия 46…61 1800 25,5…33,8 2007 Россия 42…48 1600…1650 25,4…28,7 Физико-механические свойства ВПЛБ Наномодифицированный высокопрочный легкий бетон Увеличение 200х Увеличение 100х Кварцевый песок Микросферы Кварцевый песок Микросферы Свойства: – – – – – Средняя плотность – 1300…1500 кг/м3 Прочность при сжатии – 40…65 МПа Удельная прочность – 35…55 МПа Коэффициент теплопроводности – не более 0,6 Вт/(мК) Удельная теплоемкость – 0,8…1,15 кДж/(кг∙К) Конкурентные преимущества низкая средняя плотность, позволяющая уменьшить вес изделий (конструкции, сооружения); высокая прочность, обеспечивающая конструкционные качества; низкая теплопроводность, снижающая теплоизоляционные затраты. Башня Петронас Экономия металлической арматуры Малайзия, Куала-Лумпур ВПЛБ s 525 м – 123 этажа 375 м – 88 этажей ВПБ b 2 b 2 2 40k0 40 k0 20k0b Экономия бетона 0 k0 1 b 2 s 0 k 0 s 0 Экономический эффект – не менее 30% Экономический эффект – 44,5 % Область применения наномодифицированного высокопрочного легкого бетона ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» Научно-образовательный центр «Нанотехнологии» Единственным пределом наших завтрашних свершений станут наши сегодняшние сомнения. Франклин Рузвельт www.nocnt.ru, тел. (499) 188-04-00