УДК 53 (539.8) Антонова Н.М. Канд.техн.наук, доцент кафедры естественно - научных дисциплин Каменского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) (ЮРГТУ-НПИ), г. Каменск-Шахтинский ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Zn И Al-НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ МАТРИЦЫ Введение Исследование функциональных свойств защитных композиционных покрытий представляет большой научный и практический интерес. Использование различных видов наполнителей позволяет получать новые материалы с возможностью селективного выбора свойств, необходимых для нужд конкретной области применения. Композиты, содержащие дисперсные металлические частицы и наночастицы в диэлектрической матрице обладают рядом физических свойств, отличающих их от обычных материалов [1, 90]. Анализ литературных и патентных данных показывает, что применение наполненных полимерных комплексов на основе целлюлозной матрицы натрий – карбоксиметилцеллюлозы (Na – КМЦ), является сравнительно новым направлением формирования устойчивых к агрессивным средам полимерных композиционных материалов [2, 102; 3, 76]. В настоящий момент физические свойства наполненных металлическими порошками композитов на основе Na – КМЦ изучены недостаточно, что делает актуальным проведение исследования свойств и структурных особенностей таких материалов. Цель работы - изучить влияние исходных компонентов композиционных покрытий (КП) с полимерной матрицей натрий - карбоксиметилцеллюлозой (Na-КМЦ), наполненной дисперсными порошками цинка ПЦ-1, алюминия АСД-1 на электрическую прочность (Епр) этих материалов. Материалы и методика исследований Объектами исследований служили КП толщиной 50 мкм. Их получали смешиванием гелеобразного водного раствора Na-КМЦ с пластификатором (глицерином) и частицами металлического порошка. Для получения образцов толщиной не более d0 50 мкм порошок цинка был просеян на ситах с размером ячейки 50 мкм, с целью отсева частиц, имеющих больший диаметр. Рассев порошка производили на электростатическом анализаторе ЭЛСА – 2. Нанесенный на фторопластовую подложку состав высушивали при соответствующей температуре [4, 1; 5, 1]. Подготовку пленочных образцов КП и определение электрических характеристик осуществляли по методике [6, 213]. Электрическая прочность (пробой) оценивалась при температуре 20+2 0С на высоковольтной установке УВИ-2 отношением пробивного напряжения однородного электрического поля к толщине образца покрытия. Статистический анализ результатов осуществляли с помощью регрессионного метода. Эксперимент проводили по ортогональному плану второго порядка [7, 184], факторами варьирования были: концентрация водного раствора Na-КМЦ (CNa-КМЦ= 1,5÷3 ,0 %); содержание соответствующего металлического порошка – Zn или Al (Cмет= 0÷5,0 г) и пластификатора – глицерина (Сгл=0÷5 ,0 г). Диапазон их изменения выбран на основании данных, полученных в ходе предварительных исследований. Функцией отклика в эксперименте служила величина электрической прочности УЕ. Морфологические особенности структуры КП изучали с помощью электронносканирующего микроскопа Quanta 200 в спектре вторичных и рассеянных электронов. Результаты и их обсуждение В результате статистической обработки экспериментальных значений электрической прочности получены уравнения регрессии (1)-(2) адекватно описывающие влияние исследуемых факторов в безразмерном масштабе на величину электрического пробоя композиционных материалов с Zn и Al: Y( Zn ) = 0,48 − 0,06 ⋅ X1 − 0,07 ⋅ X 2 + 0,05 ⋅ X 3 + + 0,05 ⋅ X1 ⋅ X 2 − 0,04 ⋅ X 2 ⋅ X3 (1) 2 (Sy =0,01; F р =3,23); Y( Al) = 1,81 − 0,36 ⋅ X 2 − 0,25 ⋅ X 3 − 0,23 ⋅ X1 ⋅ X 3 2 (2) (Sy =0,07; F р =4,57) где Х1, Х2, Х3 –кодированные значения факторов: Na-КМЦ, металла (Zn или Al) и глицерина; Sy2-дисперсия воспроизводимости при уровне значимости 0,05; F-критерий Фишера. По уравнениям регрессии в окрестности оптимального режима был проведен анализ параметрической чувствительности процесса. Для композиционных материалов с Zn и Al увеличение концентрации Na-КМЦ и содержания металла приводит к уменьшению электрической прочности от 2,50 МВ/м до 0,50 МВ/м и от 2,40 МВ/м до 0,38 МВ/м соответственно (центр исследуемого диапазона). Повышение содержания глицерина в композитах практически не влияет на электрическую прочность КП с Zn (0,41÷0,55 МВ/м), и уменьшает ее для КП с Al (2,16÷1,46 МВ/м). В пределах исследуемых диапазонов при различных сочетаниях факторов наиболее высокую электрическую прочность обеспечивает КП с Al (3,19÷0,20 МВ/м), и низкую – с Zn (0,92÷0,24 МВ/м). Таким образом, используя порошки Al, Zn можно задавать различные уровни электрической прочности для исходной матрицы Na-КМЦ с глицерином. Для анализа процессов совместного структурообразования сочетаний металлических порошков Zn и Al с Na-КМЦ и глицерином и влияния этих процессов на величину электрической прочности КП был проведен электронно-микроскопический анализ образцов покрытий в растровом электронном микроскопе методами склерометрии. Результаты электронно-микроскопического анализа показали, что матрица на основе Na-КМЦ характеризуется слоистой структурой с преимущественной ориентацией в одном направлении [8, 43]. Добавленный глицерин образует поперечные ступеньки, а частицы металла плотно внедрены в матрицу, обеспечивая ее однородность. Микрофотографии фрагментов поверхностей КП с частицами Al, Zn приведены на рис.1. а) б) Рис. 1. Фрагмент покрытия c частицами: а) – Al; б) - Zn Оксидная пленка на частицах Al (рис.1, а) тонка, дефектов практически не имеет. Пленки на частицах Zn (рис.1, б) отличаются большей толщиной, рыхлостью и локальными дефектами, которые служат зонами зарождения трещин и расслоений в КП и обуславливают более низкие механические характеристики этих материалов по сравнению с Al наполненными. Электрическая прочность зависит от пористости покрытий, дефектности структуры, снижение этих факторов способствует росту пробивного напряжения [6, 212]. Поэтому более высокие значения пробоя имеет композиционное покрытие, обладающее и более высокими механическими характеристиками – с порошком Al. Пластификатор, снижая внутренние напряжения в материале, способствует снижению трещинообразования и увеличивает электрическую прочность. В электрическом отношении КП представляет собой систему металлических проводящих областей, разделенных диэлектрическими зонами. С ростом содержания металла в композиционном материале объем проводящих металлических зон возрастает, и величина пробоя уменьшается. Полимер Na-КМЦ имеет достаточно высокие значения электрической прочности, однако, при увеличении его концентрации хрупкость композиционного материала возрастает, что наряду со свойственной ему слоистой структурой, способствующей образованию трещин, приводит к уменьшению электрической прочности. Исключение представляет лишь соотношение исходных компонентов, где содержание Zn максимально. В этом случае рыхлые оболочки частиц представляют собой диэлектрические зоны, что приводит также к росту величины пробоя [9, 14]. Выводы 1. Показана возможность получения композиционных материалов на основе Na-КМЦ с порошками Zn, Al с заданной электрической прочностью. 2. Установлена взаимосвязь между микроструктурой композиционных материалов с порошками Zn, Al и изменением электрической прочности. Литература 1. Ю.Е. Калинин и др. // Письма в ЖТФ, 2009, т. 35, вып.1, С.90-97. 2. Труфакина Л.М. // Изв. Томск. Политехн. Университета. 2006. Т. 309. № 5. С.100 –102. 3. Базарнова Н.Г. и др. //Химия растительного сырья. 2005. № 3. С. 75-84. 4. Патент № 2266307 РФ: МПК7 С 08L 1/28, С 09 D 199/00, С 09 J 101/28, B 65 D 90/06. Защитное покрытие для металлических поверхностей/ Н.М. Антонова, О.В. Аксенова, В.И. Кулинич, И.А. Неелова.- Заявл.23.08.2004; опубл. 20.12.2005, Бюл.№35. 5. Патент №2321610 РФ: МПК С09D 101/28, С08L 1/28, В65D 90/06,С08К3/08,С08К5/053. – № 2007100297/04. /Н.М. Антонова, Г.Г. Мельник.- заявл.09.01.2007;опубл. 10.04.2008, Бюл. № 10. 6. Тушинский Л. И., Плохов А.В., Токарев А.О., Синдеев В.И. Методы исследований материалов: Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий. – М.: Мир, 2004.- 384 С. 7. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии, М.: Высшая школа, 1985, -319 С. 8.Антонова Н.М.//Изв.вузов. Порошк.металлургия и функц.покрытия.2009. № 1. С. 40-44. 9. Рыжонков Д.И., Левина В.В., Дзидзигури Э.Л. Ультрадисперсные системы: физические, химические, механические свойства: Учебн.пособие.-М.: МИСиС, 2005.-113 С.