ИСТИНА

Будет получено более 50 новых составов стеклянных волокон с разным содержанием оксидов фосфора и ванадия. Будут определены кинетические особенности протекания процесса кристаллизации и условий фазовых превращений в широком температурном интервале. Особая роль в работе отведена определению структурной роли катионов сеткообразователей и катионов модификаторов. Будут получены тонкие (диаметр 9 – 20 мкм) стеклянные волокна с повышенной термической и механическими характеристиками.

A specific fundamental task is to develop approaches to the management of the properties of glass fibers. More than 50 new compositions of glass fibers with variation of phosphorus and vanadium oxides will be obtained during the project. The kinetic features of the crystallization process and the conditions of phase transformations in a wide temperature range will be determined for the obtained fibers. A special role in the work is given to the determination of the structural role of cations of grid-formers and cations of modifiers. In the course of work, thin (diameter 9 – 20 microns) glass fibers with increased thermal and mechanical characteristics will be obtained.

1 год: В ходе выполнения проекта впервые будут получено более 25 новых составов стеклянных волокон на основе системы Na2O-K2O-MgO-CaO-FeO-Fe2O3-SiO2-Al2O3 с модификацией оксидами фосфора (от 0.5 до 15 % масс %). Для всех полученных составов будут определены кинетические особенностей протекания процесса кристаллизации и условий фазовых превращений в широком (до 1200 С) температурном интервале. Определена температура стеклования, температура фазовых превращений при нагревании, определение структурных особенностей кристаллизующихся фаз. Будет определены структурные особенности стеклянных волокон и кристаллизующихся фаз. Установлена структурная роль оксида фосфора. Для полученных тонких (диаметр 9 – 20 мкм) стеклянных волокон будут определены прикладные показатели: прочность, модуль упругости, потеря массы после кипячения в щелочном и кислом растворах. Лазоряк – общее руководство проектом, Гутников – анализ литературы и проведение и анализ данных механических исследований, подготовка публикаций, Жуковская – получение волокон, Липатов, Дихтяр – проведение и анализ данных термических исследований (ДСК, ТГ, РФА и пр), Дейнеко – проведение исследований структуры стеклянных волокон (мессбауэровкая, ЯМР-, ИК-, КР -спектроскопия, EXAFS), Дорбаков – анализ результатов определения химической стойкости волокон и подготовка публикаций. По итогам работы за 1й год будет подготовлена 1 статья в международном журнале 2 тезисов докладов. 2 год: В ходе выполнения проекта впервые будут получено более 25 новых составов стеклянных волокон на основе системы Na2O-K2O-MgO-CaO-FeO-Fe2O3-SiO2-Al2O3 с модификацией оксидами ванадия (от 0.5 до 15 % масс %). Для всех полученных составов будут определены кинетические особенностей протекания процесса кристаллизации и условий фазовых превращений в широком (до 1200 С) температурном интервале. Определена температура стеклования, температура фазовых превращений при нагревании, определение структурных особенностей кристаллизующихся фаз. Будет определены структурные особенности стеклянных волокон и кристаллизующихся фаз. Установлена структурная роль оксида фосфора. Для полученных тонких (диаметр 9 – 20 мкм) стеклянных волокон будут определены прикладные показатели: прочность, модуль упругости, потеря массы после кипячения в щелочном и кислом растворах. Лазоряк – общее руководство проектом, Гутников – анализ литературы и проведение и анализ данных механических исследований, подготовка публикаций, Жуковская – получение волокон, Липатов, Дихтяр – проведение и анализ данных термических исследований (ДСК, ТГ, РФА и пр), Дейнеко – проведение исследований структуры стеклянных волокон (мессбауэровкая, ЯМР-, ИК-, КР -спектроскопия, EXAFS), Дорбаков – анализ результатов определения химической стойкости волокон и подготовка публикаций. По итогам работы за второй год будет подготовлено две статьи в международные журналы и 2 тезисов докладов. 3 год – По результатам работы первых 2 лет проекта будут отобраны наиболее перспективные 10 новых составов стеклянных волокон на основе системы Na2O-K2O-MgO-CaO-FeO-Fe2O3-SiO2-Al2O3 с модификацией оксидами ванадия и фосфора. В течение 3 года будет проведена работа по наработке большого количества материала (стеклянных волокон до 10 кг каждого состава). Полученные образцы будут использованы для получения полимерных композиционных материалов. Для всех полученных материалов будут определены особенности адгезии между волокном и связующим, механические свойства и температура применения. По итогам работы за третий год будет подготовлено две статьи в международные журналы и 2 тезисов докладов. Лазоряк – общее руководство проектом, Гутников – анализ литературы и проведение и анализ данных механических исследований, подготовка публикаций, Жуковская– получение волокон, Липатов, Дихтяр – проведение и анализ данных термических исследований (ДСК, ТГ, РФА и пр), Дейнеко –получение композиционных материалов, Дорбаков – анализ результатов определения адгезии и подготовка публикаций.

За последние годы у научного коллектива накоплен значительный опыт в исследовании минеральных стекол и волокон на их основе. Используя полученный опыт была создана уникальная лаб. установка для получения непрерывных минеральных волокон при температурах до до 1500оС. На установке можно получать десятки килограмм непрерывных волокон. В течение нескольких лет в лаборатории проводились исследования влияния различных катионов, в частности катионов-сетколобразователей алюминия и кремния, на физико-химические свойства стекол и волокон на их основе. Результаты исследований были опубликованы в высокорейтинговых научных журналах, посвященных решаемой проблеме. Так, в результате исследован был установлен механизм кристаллизации минеральных стекол и волокон (M.S. Manylov and all. Mendeleev Communications. V. 23, № 6. 2013. pp. 361-363), предложен метод ингибирования этого механизма (S. Gutnikov and all, Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 368, pp. 45–50, 2013). Значительные результаты были получены группой в области анализа и направленного синтеза материалов на основе оксидов фосфора и ванадия. Разработанный в группе подход по анализу структуры в оксидных системах получил одобрение в научном кругу и был опубликован в высокорейтинговых научных журналах (B. I. Lazoryak, Comment , Chem. Mater. 29 (2017) 3800−3802). Наши предварительные исследования показывают возможность использования опыта анализа структуры оксидных систем и изучения механизма кристаллизации в стеклянных волокнах за счет изменения структурной роли катионов. Полученные результаты были опубликованы в 2014 году в журнале Thermochimica Acta (Ya.V. Lipatov and all. Thermochimica Acta, vol. 575, pp. 238–243, 2014.).

В ходе выполнения проекта за отчетный период впервые были получены 65 образцов составов стеклянных волокон с вариацией содержания в них оксидов фосфора, ванадия и циркония. Для всех полученных образцов были определены температура стеклования, температурные интервалы кристаллизации, кинетические особенности протекания процесса кристаллизации и последовательность фазовых превращений при температуре от 400 до 1200 °С. На основании проведенных исследований был сделан вывод о том, что увеличение содержания оксида фосфора в волокнах до 6 масс.% значительно снижает нижний температурный предел выработки волокон, что позволяет получать непрерывные волокна с более низкими энергозатратами. Прочность на разрыв и модуль упругости волокон возрастают с увеличением содержания оксида фосфора с 0 до 4 масс.% с 1870 до 2580 МПа и с 60 до 82 ГПа соответственно. Установлено, что увеличение прочности связано с возрастанием степени связности структуры в результате образования фосфатных комплексов двухвалентных ионов-модификаторов. Максимальная концентрация оксида ванадия в волокнах составила 1 масс%, для оксида циркония – 8 масс. % в. На основании разработанного оригинального подхода с дополнительным добавлением оксида лантана в систему с оксидом циркония удалось, не только повысить щелочестойкость волокон до значения дорогих коммерческих образцов на основе AR стекла, но и увеличить их прочность. На основании исследования структурной роли оксидов, сделан вывод о том, что в структуре циркониевых стекол и волокон присутствуют полиэдров ZrO6-SiO4. Хотя такие связи отсутствуют в таких минералах, как циркон (ZrSiO4) и оксид циркония, они присутствуют в кристаллических щелочных цирконосиликатах. Наличие таких связей приводит к увеличению прочности на разрыв непрерывных волокон с высоким содержанием Zr. На основании модификации состава волокон получены образцы полимерных композиционных материалов с 490 МПа и модулем упругости - 28 Гпа и прочностью при межслоевом сдвиге 56 МПа.