Круглова А.Н., Королев Е.В., Смирнов В.А. Синтез защитных

Круглова А.Н., Королев Е.В., Смирнов В.А. Синтез защитных композиционных материалов. // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: Сб.
статей Междунар. научно-техн. конф.– Пенза: ПДЗ, 2010. – С. 76-79.
СИНТЕЗ ЗАЩИТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ*
А.Н. Круглова, Е.В. Королев, В.А. Смирнов
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,
г. Пенза, Россия
Сформулирована декомпозиция задачи синтеза материала. В основу выделения и ранжирования управляющих факторов положена декомпозиция свойств по явлениям, процессам и
фазам.
Kruglova A.N., Korolev E.V., Smirnov V.A. Synthesis of protective composites. The decomposition of problem of materials' synthesis is formulated. The decomposition of properties by
phenomena, processes and phases is used for the basis of controlling factors’ selection and ranking.
Приоритетное внимание к атомной энергетике определено Правительством
РФ в программе «Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века». Успешное развитие указанной отрасли требует создания новых эффективных радиационно-защитных композиционных строительных материалов. Исследования, направленные на разработку подобных материалов,
проводятся в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства.
В технологии композиционных материалов функционального назначения
имеется ряд нерешенных методологических проблем. В их числе:
отсутствие системных решений по выделению критериев качества (классов
свойств и количественных значений свойств);
отсутствие методик выделения управляющих факторов и сокращения альтернатив при выборе элементного, химического и минералогического состава;
доминирующее положение эмпирического подхода, в рамках которого разработка материала, как правило, включает эвристические суждения (а создание
новых материалов преимущественно осуществляется за счет расширения сырьевой базы).
В основу задачи синтеза композиционных материалов может быть положен
системный подход, в рамках которого материал рассматривается как сложная
система с характерными признаками и иерархией структурных уровней.
Научно-методическое значение системного подхода состоит в том, что он
позволяет выявить и осознать принцип системности, проявляющийся практически во всех природных явлениях [1, 2].
Системный подход представляет собой совокупность методов, позволяющих исследовать структуру объектов в целом, представив их как системы со
всеми межэлементными взаимосвязями и взаимовлияниями; системный подход,
таким образом, базируется на целостном видении объекта исследования. Свой*
Подготовлена при поддержке гранта МД-68.2009.8.
ства системы существенно зависят от свойств ее составляющих, но принципиально непознаваемы на уровне изучения характеристик этих составляющих [2].
Применительно к синтезу материала системный подход диктует необходимость следующей декомпозиции:
формулировка задачи синтеза, обусловленная требованиями к продукту и
технологии;
выбор элементного и химического состава материала;
выбор химических соединений, обеспечивающих получение материала с заданным химическим составом и эксплуатационными свойствами;
выбор фазового состава;
выбор типа структуры материала;
установление управляющих рецептурных и технологических факторов;
выбор технологии изготовления.
При этом первый уровень декомпозиции определяет все (взаимосвязанные
между собой) последующие уровни. Аналитическая формулировка частных
подзадач позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований и уменьшить время, требующееся на разработку материала. Подобное
смещение акцентов от эмпирического подхода к аналитико-синтетическому является новым для строительного материаловедения – как в целом, так и для
синтеза радиационно-защитных композиционных строительных материалов в
частности. Оно предполагает оптимальное сочетание экспериментальных и теоретических методов с математическим моделированием. Реализация концепции синтеза базируется на междисциплинарных исследованиях в области химии, физики и
математики.
Декомпозиция системы качества радиационно-защитных композитов состоит в последовательном разделении сложного целого на менее сложные части.
Необходимо подчеркнуть, что целостность системы в процессе анализа нарушается; при разбиении системы утрачиваются не только существенные свойства самой системы, но исчезают и существенные свойства ее частей, оказавшихся отделенными от нее. Предполагается, что части снова образуют единое
целое, в чем и состоит конечный этап анализа, на котором результат удается
представить в виде структурной схемы.
Основной операцией анализа является представление качества композита в
виде систем качества его частей [3]. В результате анализа решаемые задачи разбиваются на подзадачи, системы – на подсистемы, цели – на подцели. Процесс разбиения продолжается до тех пор, пока не удастся представить объект анализа в виде совокупности элементарных компонентов.
Радиационно-защитные композиты представляют собой технические системы. Следовательно, задача при проведении их декомпозиции состоит в определении частей системы (составляющих композита), которые представляют собой
подсистемы, способные самостоятельно функционировать. Их создание является независимыми задачами, для решения которых привлекаются индивидуальные способы и средства. Исходя из общих принципов полиструктурной теории
декомпозицию системы критериев качества можно провести отдельно для всей
системы и всех ее подсистем (структурных уровней).
Изучение системы возможно на основе ее математической модели – формализованного описания, которое достигается за счет изучения системы с выде-
лением элементов и установлением межэлементных связей. Как правило, формализация реальных объектов сопровождается упрощением структур, связей и
отношений.
В строительном материаловедении модели влияния рецептурнотехнологических факторов на показатели качества получают обработкой эмпирической информации. Важно выделить доминирующие (управляющие) факторы, оценить влияние оставшихся факторов и разработать методики нивелирования их случайного влияния на свойства системы (и ее подсистем). Выбор вида ингредиентов (формирование и сокращение альтернатив) каждого уровня
определяется на основе анализа системы качества композита, априорной информации о свойствах компонентов и предварительных расчетов величин его
экстенсивных свойств (средняя и истинная плотность, теплоемкость, теплопроводность, пористость и др.).
Для каждой подсистемы (структурного уровня) устанавливаются критерии
оптимизации, обеспечивающие их совмещение в систему при заданном уровне
техники. При этом другие показатели качества должны иметь значения, находящиеся в заданном диапазоне значений. Решение такой задачи можно провести методом нелинейного программирования [3].
В основу выделения и ранжирования управляющих факторов положена декомпозиция интенсивных свойств по явлениям, процессам и фазам. Декомпозиция продолжается до тех пор, пока на нижнем уровне не будут получены
факторы, принадлежащие разработанным уровням, или сформулированы технические задачи. Зависимости между критериями выявляются методами факторного анализа и математической статистики.
Разложение явлений, процессов и рецептурных факторов, оказывающих
влияние на свойства, проводится до «элементарных» рецептурных и технологических факторов (расположение которых в иерархической структуре может
быть различным). Значимость факторов в иерархической структуре возрастает
от нижнего уровня к верхнему.
Существенное влияние на технологический процесс и показатели качества
оказывают индивидуальные характеристики компонентов. При изготовлении
композита могут использоваться различные материалы (формирование альтернативы). На основе предъявляемых к материалам требований и априорной информации о традиционных радиационно-защитных материалах проводится выбор компонентов (сокращение альтернатив) каждого структурного уровня путем формирования обобщенного критерия качества, учитывающего основные
(базовые) требования. Аналогично проводится выбор оптимальных составов
(рецептур) и технологических режимов изготовления материала.
Библиографический список
1. Гарькина И.А., Данилов А.М., Соколова Ю.А. Системный анализ, теории
идентификации и управления в строительном материаловедении. – М.: Палеотип, 2008. – 240 с.
2. Прангишвили И.В. Системный подход и общесистемные закономерности.
– М.: СИНТЕГ, 2000. – 528 с.
3. Данилов А.М., Королев Е.В., Гарькина И.А. Строительные материалы как
системы // Строительные материалы. – 2006. – №7. – С. 55 – 57.