Исследование структуры композита ZrO2-MgO методом фрактального анализа

Зенкина, Юлия Александровна Отделение материаловедения (ОМ)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

Применение методов фрактального анализа растровых изображений керамического композита на основе ZrO2 и MgO для оценки самоподобия и шероховатости поверхности разрушения

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………….. 14
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ……………………………………………………… 16
1.1 Фрактальная размерность ……………………………………………………………… 16
1.2 Исследование поверхности материалов методом фрактального анализа
…………………………………………………………………………………………………………. 20
1.3 Шероховатость …………………………………………………………………………….. 24
1.4 Пористые материалы …………………………………………………………………….. 27
1.5 Композиты на основе диоксида циркония ………………………………………. 29
1.6 Твердофазное спекание …………………………………………………………………. 31
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА……………………………………………….. 33
2.1 Материалы …………………………………………………………………………………… 33
2.2 Методы ………………………………………………………………………………………… 34
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КЕРАМИЧЕСКОГО
КОМПОЗИТА ZrO2(MgO)-MgO……………………………………………………………… 38
3.1 Исследование объемной усадки, плотности и поровой структуры ……. 38
3.2 Исследование предела прочности ………………………………………………….. 46
3.3 Исследование шероховатости поверхности …………………………………….. 48
3.4 Исследование фрактальной размерности ………………………………………… 52
ГЛАВА 4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ………………………………………………………………………. 55
4.1 Предпроектный анализ. Потенциальные потребители результатов
исследования …………………………………………………………………………………….. 55
4.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ………………………………………. 57
4.3 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………….. 59
4.4 План проекта ………………………………………………………………………………… 61
4.5 Бюджет научного исследования …………………………………………………….. 63
4.6 Разделение производственных работ на этапы и калькуляция расходов
…………………………………………………………………………………………………………. 69
ГЛАВА 5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ………………………………….. 75
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ….. 76
5.2 Производственная безопасность…………………………………………………….. 78
5.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов ………………… 80
5.4 Экологическая безопасность …………………………………………………………. 86
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………….. 91
Список публикаций ……………………………………………………………………………….. 93
Список использованной литературы ……………………………………………………….. 94
Приложение А …………………………………………………………………………………….. 102

Пористые материалы являются классом неупорядоченных сред, которые
характеризуются состоянием внутрипоровой поверхности, размером и формой
пор, их связностью, шероховатостью поверхности и т.д. Благодаря своим
свойствам могут применяться в качестве фильтрующих элементов, носителей
катализаторов, биоимплантатов. Из-за особенностей структуры описание
морфологии пористых материалов является достаточно сложной задачей.
Традиционно для описания использовались методы, которые включают в себя
определение плотности и размера пор, определение среднего размера зерна и
т.д. [1]. Изучение поведения хрупких материалов в широком интервале
изотермической выдержки и изменением концентраций компонент в составе
позволит более детально исследовать характер процессов деформации и
разрушения.
В настоящее время для исследования морфологии поверхности
материалов активно применяют аппарат фрактальной геометрии, используя
который можно описать и установить взаимосвязь параметров структуры и
физико-механических характеристик. Центральным понятием фрактальной
геометрии является фрактальная размерность (D), которая является мерой
самоподобия объекта и может являться универсальным параметром,
количественно описывающим структуру в целом. Фрактальная размерность
позволяет оценить состояние поверхности независимо от типа обработки и
масштаба измерения. Использование основ фрактальной геометрии, позволяет
выявлять структурные особенности объектов различной природы
происхождения.
Данная работа нацелена на изучение и реализацию метода вычисления
фрактальной размерности и шероховатости применительно к поверхности
разрушения пористых керамических композиционных материалов ZrO2(MgO)-
MgO в различных концентрациях, спеченных в интервалах изотермической
выдержки от 10 до 600 минут при температуре 1600 °С.
В работе представлен результат применения метода вертикальных
сечений для определения параметров внутренней структуры (шероховатость,
фрактальная размерность) посредством обработки растровых изображений,
также приведены результаты анализа профилограмм.
Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие
задачи:
1) получить экспериментальные образцы керамических композитов
ZrO2(MgO)-MgO с различной концентрацией исходных компонент и
добавлением порообразователя;
2) исследовать влияние состава и длительности изотермической
выдержки на параметры структур и свойства композита;
3) сделать выводы по проделанной работе.

В данной работе были исследованы структура поверхности и
механические свойства пористой керамики на основе ультрадисперсных
плазмохимических порошков ZrO2(MgO) с добавлением MgO в различных
концентрациях. Поровая структура была сформирована с помощью введения
порообразующей добавки (СВМПЭ) в исходные порошковые составы. Образцы
спекались в широком интервале изотермической выдержки от 10 до 600 минут
при 1600 °С.
В ходе выполнения работ показано, что при одноосном формовании
порошков под давлением 150 МПа и после спекания, можно получить материал
с пористостью от 30 до 55%. Средний размер макро- и микропор изменялся в
зависимости от длительности изотермической выдержки: увеличение
длительности приводило к уменьшению макропор от 45 до 15 мкм и к
увеличению размера микропор от 3 до 8,8 мкм. Изменение концентрации MgO
в составе не оказывало существенного влияния на размеры пор.
Предел прочности пористых керамик изменялся с изменением
концентрации MgO: увеличение концентрации MgO от 0 до 100 % в
композиционной смеси снижает прочность в среднем от 19 до 3 МПа.
Увеличение длительности изотермической выдержки также приводит к
снижению предела прочности. Что может быть связано с выделением доли
MgO в свободном виде после достижения предела растворимости и
увеличением размера зерен.
Была определена среднеарифметическая шероховатость поверхности
образцов методом лазерной профилометрии и RI методом вертикальных
сечений. Зависимость индекса шероховатости от состава и параметров спекания
имеет характер, аналогичный такой же зависимости шероховатости,
измеренной с помощью лазерной профилометрии. Увеличение длительности
изотермической выдержки от 10 до 300 минут приводит к росту RI, выдержка
от 300 до 600 минут снижает шероховатость. При изотермической выдержке от
10 до 300 минут во время спекания происходит интенсивная объемная усадка,
уменьшение среднего размера макропор, увеличение среднего размера
микропор, что приводит к росту шероховатости. Шероховатость достигает
своего максимального значения при выдержке в 300 минут, на промежуточной
стадии спекания, которую можно охарактеризовать перемещением
межзеренных границ и усилением контактов. В течение завершающей стадии
спекания протекает процесс коалесценции пор и одновременный рост размера
зерна, что приводит к снижению шероховатости поверхности. Однако
наблюдалась существенная разница между Ra и RI в характере зависимости,
возникающая из-за прозрачности белых циркониевых керамик в видимой и
инфракрасной области.
Фрактальная размерность изменяется согласно стадиям твердофазного
спекания ZrO2 – MgO: увеличение D, также как и RI, происходит во время
зарождения межзеренных связей и интенсивной объемной усадки, однако,
достигает своего максимума к 180 минутам, при переходе на промежуточную
стадию спекания, что свидетельствует о формировании максимально развитой
поверхности. Затем к завершающей стадии фрактальная размерность
незначительно снижается и остается приблизительно одинаковой при
дальнейшем спекании. Увеличение фрактальной размерности также
происходит вместе с увеличением содержания MgO в составе образцов, что
может объясняться появлением большего количества трещин и фрагментов
зерен.
Список публикаций

1. Исследование поровой структуры в керамике ZrO2-MgO методом
измерения фрактальной размерности / Ю.А. Зенкина, А.С. Буяков //
Современные материалы и технологии новых поколений: сборник
научных трудов II Международного молодежного конгресса, г. Томск, 30
сентября-5 октября 2019 г. – Томск, 2019. – 214-215 с.
2. Фрактальная размерность поверхности разрушения пористого ZrO2-MgO/
А.С. Буяков, Ю.А. Зенкина, С.П. Буякова, С.Н. Кульков// International
Workshop “Multiscale Biomechanics and Tribology of Inorganic and Organic
Systems”; Международная конференция “Перспективные материалы с
иерархической структурой для новых технологий и надежных
конструкций”; VIII Всероссийская научно-практическая конференция с
международным участием, посвященная 50-летию основания Института
химии нефти” Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа”: тезисы
докладов. – Томск, 2019. – С. 46.
3. Исследование структуры композита ZrO2-MgO методом фрактального
анализа / Ю.А. Зенкина, А.С. Буяков // Перспективные материалы
конструкционного и функционального назначения: сборник научных
трудов, г. Томск, 21 сентября- 25 сентября 2020 г. – Томск, 2020.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Мария А. кандидат наук
    4.7 (18 отзывов)
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет... Читать все
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет, реклама, журналистика, педагогика, право)
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Дарья С. Томский государственный университет 2010, Юридический, в...
    4.8 (13 отзывов)
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссерт... Читать все
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссертационное исследование, которое сейчас находится на рассмотрении в совете.
    #Кандидатские #Магистерские
    18 Выполненных работ
    Анастасия Б.
    5 (145 отзывов)
    Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическо... Читать все
    Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическому и гуманитарному направлениях свыше 8 лет на различных площадках.
    #Кандидатские #Магистерские
    224 Выполненных работы
    Рима С.
    5 (18 отзывов)
    Берусь за решение юридических задач, за написание серьезных научных статей, магистерских диссертаций и дипломных работ. Окончила Кемеровский государственный универси... Читать все
    Берусь за решение юридических задач, за написание серьезных научных статей, магистерских диссертаций и дипломных работ. Окончила Кемеровский государственный университет, являюсь бакалавром, магистром юриспруденции (с отличием)
    #Кандидатские #Магистерские
    38 Выполненных работ
    Мария Б. преподаватель, кандидат наук
    5 (22 отзыва)
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальнос... Читать все
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальности "Экономика и управление народным хозяйством". Автор научных статей.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Татьяна П.
    4.2 (6 отзывов)
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки ... Читать все
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки в одном из крупнейших университетов Германии.
    #Кандидатские #Магистерские
    9 Выполненных работ
    Лидия К.
    4.5 (330 отзывов)
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии ... Читать все
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии и педагогики. Написание диссертаций, ВКР, курсовых и иных видов работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    592 Выполненных работы
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Елена Л. РЭУ им. Г. В. Плеханова 2009, Управления и коммерции, пре...
    4.8 (211 отзывов)
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно исполь... Читать все
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно использую в работе графический материал (графики рисунки, диаграммы) и таблицы.
    #Кандидатские #Магистерские
    362 Выполненных работы

    Другие учебные работы по предмету