Физико-химический, мультифрактальный и микроструктурный анализ углеродных материалов для их рационального использования в промышленности.

Abstract

На современном этапе промышленного развития основной тенденцией технического прогресса является технологическое совершенствование производства, которое направлено на обеспечение высоких эксплуатационных характеристик изделий и снижение трудоемкости их получения. Традиционные методы улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств машиностроительных материалов в значительной мере достигли своего предела. Резерв повышения характеристик материалов состоит в целенаправленном формировании в них наноструктуры, например путем введения в матрицу наноразмерных модифицирующих добавок. Широкое применение для этих целей получили углеродные наноматериалы (углеродные нанотрубки, фуллерены, ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза (наноалмазы)) [1], а также шунгит, структуру которого составляют глобулярные или эллипсовидные многослойные частицы размерами 6 -10 нм, имеющие внутреннюю полость. Шунгитовый углерод, структуру которого составляют глобулярные или эллипсовидные многослойные частицы размерами 6-10 нм, имеющие внутреннюю полость, также может быть отнесен к данному классу углеродных наноматериалов с ресурсом порядка 25•1010 тонн [2]. Шунгитовые порошки используются в качестве модифицирующей технологически активной добавки при производстве шин, резинотехнических изделий, полимерных, радиопоглощающих материалов, способствуют улучшению технических и эксплуатационных характеристик материалов и изделий на их основе [3]. Минерал шунгит, благодаря его уникальному химическому составу – присутствию в нем в большом количестве наноструктурированных кластерных соединений кремния и углерода, а также различных металлов, может применяться в качестве компонентов шихты для нанесения наноструктурных покрытий на зерна микропорошков алмаза и других сверхтвердых материалов, в частности плотных форм нитрида бора. Кроме этого, шунгит может быть использован в качестве модификатора порошковой шихты для синтеза и модификации ультрадисперсных алмазов и кубического нитрида бора. Свойства наноматериалов в значительной степени зависят от их структуры и фазового состава [4], поэтому представляет значительный научный и практический интерес изучение структурных изменений, происходящих в шунгитовом углероде в результате его термобарической обработки при повышенных температурах и давлениях. Учитывая специфику свойств углеродных материалов, в том числе их склонность к самоорганизации и образованию кластеров и ансамблей подструктур на разных масштабных уровнях, можно сказать, что для количественного описания структур различных форм углеродных материалов традиционные методы описания подходят слабо. Для этого необходимо привлечение системного подхода и современных математических методов. Перспективными направлениями системного подхода в материаловедении, позволяющими при изучении структур материалов учитывать их свойства: мультифрактальный анализ и вейвлет-анализ. В связи с тем, что любое описание материала, испытывающего внешние воздействия, является по существу описанием системы, то для полного понимания протекающих при этом в материале процессов необходимо использовать представления о системном характере строения материалов.