Синтез и исследование свойств композитов с фазоизменяемыми материалами, проявляющих эффекту аккумуляции тепла. Блок проекта «Экспериментальные исследования и математическое моделирование нативных и инженерных объектов с фазоизменяемыми параметрами» Комплексной программы фундаментальных научных исследований СО РАН II.1

Цели и задачи проекта – синтез и исследование свойств композитов с фазоизменяемыми материалами (ФИМ), РСМ (phase-changing materials), проявляющих эффекты аккумулирования тепла. Задачи Блока 3 – отработка методик получения конструкционных образцов композитов; исследование их свойств.На этапе 2018 г. были получены композиты с РСМ на основе природного минерального сырья (диатомита и супеси). В качестве РСМ применяли парафин с температурой плавления 54,1оС. На этапе 2019 г. были продолжены исследования по отработке методик получения композитов с РСМ (парафином) на основе: 1) пеностекла и 2) рисовой шелухи, помещенных в полиуретановую матрицу в процессе полимеризации in-situ; 3) исследования по получению составов фазоизменяемых материалов с температурой фазового перехода ниже 30оС; 4) получения конструкционных композитов (пластин) на основе диоксида ванадия для исследования материалов с фазоизменяемыми компонентами в твердом состоянии.Диоксид ванадия – материал, испытывающий фазовый переход изолятор–металл (ФПИМ), который в монокристаллах совершается при температуре Тt = 340 К (67оС). Данный фазовый переход, согласно устоявшейся точке зрения, является переходом первого рода со «скрытой» теплотой перехода 4190 Дж/моль или 1000 кал/моль. При температуре, большей [Тt], материал обладает металлической проводимостью с концентрацией основных носителей заряда (электронов) около 1022 см-3 и тетрагональной симметрией решетки типа рутила (D4h). А ниже некоторой критической [Тt] VO2 – полупроводник с моноклинной симметрией решетки и шириной запрещенной зоны около 0,7 eV. Кроме этого, при фазовом переходе изолятор–металл наблюдаются скачки констант материала. Так, показатель преломления меняется от 2,5 в изолирующей фазе до 2,0 в металлической фазе на длине волны 1,06 мкм. Показатель поглощения меняется от 0,2 до 0,4. Максимальный скачок электропроводности σ при фазовом переходе для монокристаллов может достигать пяти порядков.Были отработаны методики получения образцов на основе полиуретана методом литья размером 100×100×10 мм. В качестве наполнителя были применены бытовые отходы (пеностекло, которое предварительно было получено из боя стекла) и отходы сельского хозяйства (рисовая шелуха), в качестве РСМ – парафин. Наполнители – пеностекло и рисовую шелуху – насыщали органикой методом погружения в кипящий парафин. Наполнители с РСМ вводили в полиуретан in situ. Состав композитов, масс. %:а) РСМ-19, полиуретан – 100; рисовая шелуха – 13, парафин – 4,2;б) РСМ-20, полиуретан – 100; пеностекло – 50, парафин – 16,6.2. Были получены композиционные смеси на основе стеариновой (Тпл = 69,6°C) и олеиновой кислот (Тпл = 16,3°C). Температура плавления смеси в зависимости от соотношения кислот – от 21 до 30°С.3. Был разработан метод получения конструкционных композитов (пластин размером 15х70х6 мм) на основе диоксида ванадия для исследования материалов с фазоизменяемыми компонентами в твердом состоянии. В качестве вяжущего применялось жидкое натриевое стекло. Конструкционные образцы предназначены для дальнейших исследований тепловых эффектов и разработки физических и математических моделей процессов теплообмена в композитах с фазоизменяемыми материалами.Были отработаны методики получения конструкционных образцов с РСМ размером 100×100×20 мм: 1) на основе минерального сырья (диатомита и супеси, которые насыщали легкоплавкой органикой методом погружения в кипящий парафин); 2) композиты на основе полиуретана и минерального сырья (крошку диатомита, обожженную при 900оС и классифицированную на ситах от 2 до 5 мм, насыщенную парафином, распределяли в полимерной матрице in situ). Состав композита на основе литьевого полиуретана, %: полиуретан – 57,3; диатомит – 27,7; парафин – 15,0 (плотность 1,19-1,26 г/см3).Степень насыщения образцов на основе диатомита парафином составила 38,0…71,4% при плотности образцов от 0,67 до 0,94 г/см3.Степень насыщения образцов на основе супеси парафином составила 7,5% при плотности образцов 1,81 г/см3.Образцы были переданы для дальнейших исследований тепловых эффектов и разработки физических и математических моделей процессов теплообмена в композитах с фазоизменяемыми материалами.Практическая значимость результатов работы – это возможность применения разработанных методик получения образцов в строительстве. Для получения образцов применялись недорогие материалы: минеральное сырье (диатомит, супесь, бытовые отходы (стекло) и отходы сельского хозяйства (рисовая шелуха)). Показана возможность получения недорогих композиционных конструкционных материалов на основе литьевого полиуретана и вышеуказанных наполнителей.