Спросить
Войти
УДК 693.548
С.В. ВАВРЕНЮК1, д-р техн. наук, член-корр. РААСН (dalniis2013@mail.ru); А.В. ОГНЕВ2, канд. физ.-мат. наук, А.С. САМАРДАК2, канд. физ.-мат. наук, В.Г. ВАВРЕНЮК2, канд. техн. наук
Возможность получения металлических покрытий по бетону
Исследована возможность получения и изучены процессы формирования тонких металлических пленок на бетонной подложке, получаемых методом термического испарения в высоком вакууме. Установлено, что формирование металлических пленок на поверхности цементного камня происходит конгломератами округлой формы размером от 0,5 до 5 мкм, состоящими из кристаллитов размером 1-20 нм. Топография металлических пленок повторяет рельеф (морфологию) подложек, а характер распределения пленок на поверхности цементных образцов зависит от толщины. Выявлено, что под металлическими пленками образуется «рыхлая масса» из гидросиликатов кальция, препятствующая прочной адгезионной связи металлов с цементным камнем. Причем это касается пленок, получаемых любыми другими методами. На основании проведенных исследований сделан вывод, что без решения проблемы нейтрализации щелочесодержащих фаз (например, создание на поверхности цементной матрицы промежуточного слоя из прекурсора поверхностного силиката, способного взаимодействовать со щелочесодержащими компонентами цементного камня с образованием нейтральных силикатов кальция, устойчивых к гидролизу) исследования в направлении получения металлических покрытий по бетону бесперспективны.
S.V. VAVRENUK1, Doctor of Sciences (Engineering), Corresponding member of RAACS, (dalniis2013@mail.ru), A.V. OGNEV2, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), A.S. SAMARDAK2, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), V.G. VAVRENUK2, Candidate of Sciences(Engineering)
The possibility of obtaining metal coatings on the concrete substrate
Protective coatings, thermal spraying, thermal evaporation in vacuum, metal film, concrete substrate, the surface topography, scanning microscopy, film thickness, adhesive contact, hydrosilicate calcium The possibility of obtaining metal coatings on the basis of concrete is investigated. The process of formation of thin metal films on the concrete substrate obtained by the method of thermal evaporation in high vacuum is studied. It is established that the formation of metal films on the surface of the cement stone is conglomerates rounded size from 0.5 to 5 microns, consisting of crystallite size 1-20 nm. Topography of metal films follows the relief (morphology) of the substrate, and the distribution of films on the surface of cement samples depends on its thickness. It is revealed that under the metal film is formed "loose weight" out of calcium hydro preventing a strong adhesive bond metals with cement stone. And this applies to films, obtained by any other method. On the basis of the researches concluded that without solving the problem of neutralization deacestea phases (for instance, on the surface of the cement matrix intermediate layer of precursor surface of silicate that can interact with sinocentrism components of a cement stone with the formation of neutral calcium silicates, resistant to hydrolysis) investigations in the field of production of metallic coatings on concrete are hopeless.
Вопросы, связанные с долговечностью и надежной эксплуатацией бетонных и железобетонных конструкций, являлись и являются актуальными. И, несмотря на наличие широкого ассортимента защитных материалов, исследования по получению новых современных видов защитных покрытий продолжаются постоянно.
В этой связи особый интерес для защиты бетона у исследователей представляет класс металлических покрытий, имеющих широкий спектр защитных функций, включая защиту от радиоизлучения и магнитных полей. Однако научные исследования в данном направлении носят узкий и несистемный характер.
Известен ряд попыток получить металлические покрытия по бетону с помощью газотермического напыления (может быть, газоплазменного напыления [1—3] алюминия или меди с использованием плазмотронов с дуговым разрядом). Однако при такой технологии бетон подвергается тепловому удару, который обусловлен взаимодействием с плазмой и инфракрасным излучением, что вызывает дегидратацию цементного камня, а следовательно, разрушение его структуры. Кроме того, при газотермическом напылении с помощью оборудования, используемого в [2], получаются покрытия с низкой адгезией, износостойкостью и прочностью (Патент РФ 2338810. Способ напыления плазменного покрытия (варианты) / Гизатуллин С. А., Галимов Э. Р., Даутов Г.Ю., Хазиев Р.М., Гизатуллин Р.А., Беляев А.В. Заявл. 16.11.2006. Опубл. 20.11.2008. Бюл. № 32). Поэтому необходимо искать новые подходы для нанесения функциональных покрытий на бетоны.
С развитием науки о наноматериалах появилась уникальная возможность получения и исследования тонких наноструктурированных металлических пленок с размером кристаллитов меньше 100 нм, которые широко используются в различных отраслях промышленности.
Авторами исследована возможность получения тонких металлических пленок на бетоне с помощью метода термического испарения в высоком вакууме, а также изучены процессы формирования пленок, морфология поверхности и их стойкость.
Метод термического испарения в высоком вакууме получил большое распространение в промышленности для нанесения тонкопленочных покрытий на полупроводниковые, металлические и диэлектрические поверхности. Современные промышленные системы позволяют получить рабочий вакуум, достаточный для нанесения покрытий в камерах объемом до нескольких кубометров. При этом происходит дегазация и сушка поверхности подложек. Коме того, одновременное использование нескольких термических источников с исЫ ®
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2014
Ма териалы и конструкции
Рис. 1. Участки поверхности без напыления - слева (увеличение Рис. 2. Структура напыления хрома. Наблюдаются гранулы размером до 6,12 кХ), напыленный хром — справа (увеличение 6,31 кХ) 0,5 мкм. Растрескивание покрытия по границам гранул. Толщина напыления, видимая на разломе, составляет 230-250 нм (увеличение 72,6 кХ)
Рис. 3. Участок поверхности с напылением меди (увеличение 5,04 кХ) Рис. 4. Участок напыления пермаллоем (увеличение 5,67 кХ). Наблюдаются гранулы различного размера
паряемым материалом позволяет равномерно наносить тонкопленочные покрытия на поверхности с развитой пористой структурой, каковым и является цементный камень.
Осаждение металлических покрытий осуществлялось на установке ВУП-5 с диффузионной системой откачки. Исследования проводились на образцах различного возраста, изготовленных из цементного теста и цементно-песчаного раствора 1:3 (ЦПР).
Образцы помещались в вакуумную камеру на расстоянии 8 см от источника термического распыления металла. В качестве источника была использована вольфрамовая спираль с навеской металла. Перед напылением вакуумная система была откачана до базового вакуума 10 мбар.
Общее время осаждения покрытий, включая нагрев и остывание испарителя, составило не более пяти минут. Средняя скорость напыления 100 нм/мин. Были получены покрытия на основе меди, хрома, алюминия и пермаллоя ^е^М^).
В процессе напыления температуру подложки контролировали с помощью хромель-алюмелевой термопары. Температура поверхности бетона в процессе осаждения была ниже 90оС. С целью завершения релаксационных процессов в осажденной металлической пленке образцы доставали из вакуумной системы через час после напыления.
Исследование морфологии поверхности металлических пленок на цементной подложке проводилось методами растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа (EDX) на сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss Ultra55+, оснащенном энергодисперсионным детектором (EDX) Oxford Instruments X-MAX80.
Установлено, что при выбранном режиме напыления формирование металлических пленок на поверхности цементного камня происходит конгломератами округлой формы размером от 0,5 до 5 мкм, состоящими из кристаллитов размером 1—20 нм. При этом более мелкие конгломераты (до 1 мкм) наблюдались у пленок из пермаллоя.
Топография металлических пленок повторяет рельеф (морфологию) подложек, а характер распределения пленок на поверхности цементных образцов зависит от ее толщины. При толщине пленки до 300 нм распределение металла по поверхности цементных образцов носит островковый тип с отсутствием у покрытия блеска, характерного для металлов. С увеличением толщины пленки более 300 нм металлические покрытия образуют сплошной слой с проявлением блеска, соответствующего типу нанесенного металла.
В покрытиях из хрома наблюдались участки локального растрескивания и отслоения пленки от подложки по границам металлических гранул с размером до
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2014
Установлено влияние вида осаждаемого металла на степень заполнения пор цементного камня. Минимальный диаметр пор, доступный для хрома, составляет 10 мкм, пермаллоя — 1 мкм, для меди менее 1 мкм. При этом медь способна проникать в поры цементного камня на глубину до 3 мкм, что свидетельствует о высокой диффузионной проницаемости атомов металла меди в поровую структуру бетона (рис. 1—4).
Исследование под бинокулярным стереоскопическим микроскопом МБС-1 (Х70) контактной зоны системы цементная матрица — металл показало наличие под металлическими пленками «рыхлой массы», препятствующей прочной адгезионной связи металла с цементным камнем. По результатам энергодисперсионного микроанализа «рыхлая масса» отнесена к гидросиликатам кальция.
Установлено, что медная пленка, осажденная на цементный камень, в течение месяца покрылась патиной, в то время как пленка из меди, осажденная на цементно-песчаный образец, за тот же период времени внешнего вида не поменяла. Пленка на основе алюминия исчезла на всех образцах в течение нескольких дней, что свидетельствует о быстром химическом взаимодействии алюминия со щелочесодержащими фазами цементного камня.
Список литературы
В целом, выявленные особенности контактной зоны системы цементная матрица — металл говорят о том, что прочной адгезионной связи в рассматриваемой системе нет. Причем это касается не только пленок, получаемых методом напыления в высоком вакууме, но и металлических пленок, получаемых любыми другими методами.
Кроме того, следует признать ошибку исследователей, пытающихся проводить металлизацию бетона металлами (медь, алюминий), вступающими в реакцию со щелочными и щелочно-земельными элементами, содержащимися в цементном камне.
На основании проведенных исследований сделан вывод, что без решения проблемы нейтрализации щело-чесодержащих фаз на поверхности цементной матрицы исследования в направлении получения металлических покрытий по бетону бесперспективны. В этой связи авторами выдвинута рабочая гипотеза по решению данной проблемы, заключающаяся в создании на поверхности цементной матрицы промежуточного слоя из прекурсора поверхностного силиката, например из ор-ганилсиликонатов, способных взаимодействовать со щелочесодержащими компонентами цементного камня с образованием нейтральных силикатов кальция, устойчивых к гидролизу с последующим нанесением защитных покрытий.
References
Akulova M.V., Fedosov S.V. Plazmennaya metallizatsiya betonov [Plasma metallization of concrete]. M.: ASV, 2003. 120 p.
Immortal V.S., Lyashko A.A., Panasenko V.A. Plasma metallization ofproducts from concrete. Ihe International magazine of applied and basic researches. 2011. No. 11, pp. 45-47.
Dyumina P.S., Immortal V.S., Sokolov O.N. Energy saving technologies of receiving protective and decorative coverings on products from concrete a method of plasma processing. Jhe International magazine of applied and basic researches. 2013 . No. 11, pp. 269-270.
Ульяновская область, 20км от г.Ульяновска
реклам
ПРОДАЕТСЯ
земельный участок
с разведанным объемом глины
