Математическое моделирование структуры пористых материалов

Формирование оптимальнойпористой структуры теплоизоляционных материалов является актуальной задачей.Это — достижение максимального значения пористости и получение оптимальныххарактеристик пористой структуры для улучшения функциональных показателейкачества изделий, снижения теплопроводности материала без значительногоснижения прочностных характеристик.

По данным Ю. П. Горлова [1], сферическиепоры одинакового диаметра обеспечивают высокие механические свойства изделий, амалый диаметр замкнутых пор приводит к снижению теплопроводности. Однако такиеусловия не дают возможности достижения больших показателей пористости, чтообуславливают повышенную теплопроводность материалов.

Так как объем ячеистойпористости предопределяются пространственным расположением и дисперсностью пор,то наибольшие значения пористости достигаются при их правильной плотнойукладке. По данным [1], при плотной кубической и гексагональной упаковке пор объемпористости составит:

,

.

Увеличить объем пористости возможнопутем изменения характера пористости ячеистой структуры, то есть созданиеммногомодальной пористой структуры материала. Многомодальная структура прихорошей однородности распределения пор по размерам дает возможность повышенияпористости без снижения прочности, так как прочность ячеисто-пористыхматериалов определяется толщиной и прочностью межпоровых перегородок. Внастоящее время создание такой структуры технологическими способами наиболеевероятно для пенобетонных изделий. Получить регулируемую полидисперсную поразмерам структуру пены возможно путем изменения кратности пены различнымиспособами [2].

Теоретически наибольший объемпористости достигается при плотной гексагональной упаковке 4-модальнымраспределением пор с размерами D,, , в количественномсоотношении 1:1:1:1. При этом пористость составит:

,

где — толщина межпоровыхперегородок; 0,812 — теоретическимаксимальное значение пористости. Однако с точки зрения статики гексагональнаяупаковка пор крайне неустойчива и технологическая ее реализация крайне затруднена.Статическая неустойчивость гексагональной структуры пористости приводит кнеоднородному распределению пор в объеме материала, что обуславливает снижениепрочности каркаса и появление «мостиковхолода».

С теоретической точки зрения наиболее устойчивой являетсягексагонально-призматическая упаковка пор. Поэтому наиболее вероятными итехнологически осуществимыми являются многомодальные кубическая (рис. 1) илигексагонально-призматическая (рис. 2)упаковки пористой структуры.

Рис. 1. 2-модальная кубическая упаковка

Рис. 2. 2-модальная гексагонально-призматическая упаковка

Производены расчеты пористости многомодальной структуры. Как показывают результатырасчетов (табл. 1), оптимальные показатели пористости достигаются при 2-модальнойупаковке, а дальнейшее увеличение дисперсности поровой структуры не приводит кощутимому приросту показателей пористости. Объем пористости составляет 72,94 %при плотной кубическойупаковке 2-модальным распределением пор с размерами D, в количественномсоотношении 1:1 и 78,94 % — при плотной гексагонально-призматической упаковке 2-модальнымраспределение пор с размерами D, в количественномсоотношении 1:2.

Вид структуры	Пористость, %		Объемная масса, кг/м3
	при непосредсвенном контакте пор	при наличии межпоровых перегородок
1-модальный	52,4* 60,4	47,5 54,75	1290 1110
2-модальный	72,94 78,16	68,04 72,61	783 673
3-модальный	76,08 78,34	71,18 72,69	706 669
4-модальный	77,74 78,40	72,34 72,95	677 663

Таблица 1. Показатели пористости структуры

* Здесь и далее: верхняя цифра — кубическая, нижняя — гексагонально-призматическаяупаковка.

Литература:

1. Горлов Ю. П. и др. Технология теплоизоляционных материалов. — М.: Стройиздат,1980.

2. Тихомиров В. К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. — М.:Химия, 1983.