Issn 2072-0297 Молодой учёный Международный научный журнал Выходит еженедельно №28 (132) / 2016 р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я : Главный редактор

 1
Наименование показателей
АСК
АБК
АУК
ААК
АКК
Расчетное сопротивление сжатию R
30
, МПа
– Кратковременному
– Продолжительному
100
125
100
125
260
125
140
175
200
250
Величина относительного удлинения при разрыве,%
1,6
1,6
1,1
2,0
1,0

«Молодой учёный»  .  № 28 (132)   .  Декабрь 2016  г.
88
Технические науки
Литература:
1.  P-16–78. Рекомендации по расчету конструкции со стеклопластиковой арматурой / НИИЖБ Госстроя 
СССР — Ин-т строительства и архитектуры Госстроя БССР. —М., 1978. —20 с.
2.  ГОСТ 31938–2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций
3.  СП?.13330–2013. Конструкции из бетона с композитной неметаллической арматурой. Правила проектиро-
вания.
4.  СП 63.13330–2013. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная ре-
дакция СНиП 52–01–2003.
5.  Габрусенко В. В. Особенности проектирования конструкций из бетона с композитной / Габрусенко В. В.//Про-
ектирование и строительство в Сибири. 2013. №  6(77).
Фибробетон, устойчивый к воздействию высоких температур
Землянухин Александр Дмитриевич, студент
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В статье рассматриваются свойства разработанного состава фибробетона, не требующего те-
пловой обработки. Также отмечаются, что данный состав обладает высокой прочностью на растяжение 
и изгиб.
Ключевые слова: фибробетон, жаростойкий бетон, проектирование, состав бетона, металлические во-
локна
Fibrous concrete resistant to high temperatures
Zemlyanukhin Akeksandr Dmitrievich
К
ак известно, влияние высокой температуры при-
водит к значительным изменениям прочности, тре-
щиностойкости и в конечном итоге срока службы бе-
тонов, применяемых в конструкциях теплотехнических 
сооружений. До настоящего времени подбор опти-
мальных составов жаростойких бетонов производили 
исходя из необходимости обеспечения остаточной проч-
ности бетона на сжатие не менее 30% после его на-
грева при температуре 800 °C. Однако в реальных усло-
виях эксплуатации при действии высокой температуры 
и нагрузки бетоны с одинаковой прочностью на сжатие 
могут иметь различные показатели прочности на растя-
жение при изгибе, трещиностойкости и долговечности, 
что необходимо учитывать при выборе вида и состава 
бетона.
С целью повышения показателей прочности на 
сжатие и растяжение при изгибе был разработан состав 
легкого жаростойкого фибробетона [1], не требующего 
тепловой обработки. По сравнению с известными бето-
нами, предлагаемый состав при сохранении высоких жа-
ростойких свойств обладает малой плотностью и доста-
точно высокой прочностью, особенно на растяжение при 
изгибе. Созданная с помощью газообразователей пори-
стая структура бетона отличается прочными перегород-
ками пор, образованными в результате использования 
глиноземистого шлака и сернокислого шлама, взаимо-
действующими с ортофосфорной кислотой и алюмини-
евой пудрой. Сернокислый шлам представляет собой 
продукт, образующийся травлением окалины при произ-
водстве стальных труб серной кислотой с последующей 
нейтрализацией известняком. Полученный при этом 
отход в виде шлама не находил применения и в больших 
количествах вывозился в отвал, ухудшая экологиче-
ское состояние в регионе. Химический состав шлама: 
Fe
2
O
3
  —  (10–15)%; MgO  —  (3–5)%; SiO
2
  —  (7,0–
7,3)%; CaSO
4
 — (25–30)%; Cr
2
O
3–
1%; CaF
2
 — (25–
30)% и др. Содержание в шламе оксидов Si, Cr, Mg и Fe 
является положительным фактором для применения 
в огнеупорных смесях, так как фосфатные системы 
H
3
PO
4
, содержащие эти катионы, обладают высокими 
прочностными и жаростойкими свойствами. Содер-
жащийся в сернокислом шламе сернокислый кальций 
(до 30%) взаимодействует с ортофосфорной кислотой 
по реакции:
В результате образовавшаяся серная кислота взаимо-
действует с находящейся в смеси алюминиевой пудрой по 
реакции:

“Young Scientist”  .  #28 (132)  .  December 2016
89
Technical Sciences
Образовавшиеся соединения Al
2
(SO
4
)
3
, Al(OH)
3
, 
а также полученные в результате аналогичного взаимо-
действия алюминиевой пудры с ортофосфорной кислотой 
Al(H
2
PO
4
)
3 
обеспечивают быстрый набор прочности.
Снижение плотности полученных изделий происходит 
за счет выделения водорода и применения вспученного 
вермикулитового песка фракции (0–5) мм, который отли-
чается по сравнению с керамзитом значительно меньшей 
плотностью при сохранении высоких жаростойких 
свойств.
В отличие от известных легких жаростойких бетонов 
предлагаемая сырьевая смесь для производства легкого 
жаростойкого фибробетона, включающая алюминиевую 
пудру, ортофосфорную кислоту 60%-ной концентрации, 
глиноземистый шлак, сернокислый шлам, вермикулит, 
дополнительно содержит фибровые волокна из проволоки 
«Хромель Т» (относительная длина — 60).
Сырьевая смесь после затвердевания может приме-
няться в конструкциях теплотехнических сооружений, ис-
пытывающих помимо сжимающих значительные растя-
гивающие напряжения. Для повышения сопротивления 
сжатию и растяжению в сырьевую смесь вводили метал-
лические волокна-фибры, способные воспринимать на 
себя большие сжимающие и особенно растягивающие 
нагрузки. Проволока из сплава НХ 9,5 «Хромель Т», 
применяемая для изготовления термопар и содержащая 
в своем составе 8–10% хрома и 90–92% никеля, харак-
теризуется большой прочностью на растяжение (до 500 
МПа) и высокими огнеупорными свойствами. Сохра-
нение заданной плотности полученных изделий в сопо-
ставлении с известными составами [2] обеспечивается 
тем, что в предлагаемой сырьевой смеси увеличено ко-
личество вермикулита фракции 0–5 мм, при этом умень-
шено количество глиноземистого шлака, отличающе-
гося повышенной плотностью. Таким образом, введение 
в сырьевую смесь металлических волокон-фибр, выпол-
ненных из проволоки НХ 9,5 «Хромель Т», а также уве-
личение расхода легкого наполнителя — вермикулита — 
при одновременном снижении количества более плотного 
глиноземистого шлака обеспечивает получение быстро-
твердеющей смеси повышенной прочности на сжатие 
и растяжение при сохранении малой плотности, высокой 
жаростойкости и времени отверждения.
Сырьевую смесь готовят в следующей последователь-
ности.
К сернокислому шламу добавляют ортофосфорную 
кислоту 60%-ной концентрации в количестве 32% от об-
щего объема и перемешивают в течение 1–2 мин. От-
дельно приготавливают сухую смесь, состоящую из алю-
миниевой пудры, глиноземистого шлака, вермикулита 
фракции 0–5 мм и металлических волокон-фибр диаме-
тром 0,5 мм и длиной 30 мм. Время перемешивания об-
условлено равномерным распределением фибр в смеси 
и составляет 2–4 мин. Подготовленные в разных емко-
стях указанные смеси соединяют и затворяют оставшимся 
количеством (68%) ортофосфорной кислоты 60%-ной 
концентрации. Полученную сырьевую смесь интенсивно 
перемешивают до начала бурного тепловыделения и фор-
муют в изделие. Скорость затвердевания смеси состав-
ляет 29–31 мин.
Для сравнения физико-механических свойств предла-
гаемого фибробетона и известных составов легкого жа-
ростойкого бетона [2] были изготовлены образцы, ко-
торые подвергались испытаниям прочности на сжатие 
и на растяжение, термостойкости, усадки, деформации 
под нагрузкой и др. [3, 4]. Результаты испытаний приве-
дены в таблице.
Анализ представленных в таблице данных показы-
вает, что введение в сырьевую смесь металлических во-
локон-фибр из сплава «Хромель Т», имеющего высокие 
огнеупорные свойства, при указанных соотношениях вхо-
дящих в нее компонентов способствует, согласно со-
ставу №  3, увеличению прочности на сжатие в 1,4 раза, 
а прочности на растяжение — в 2,1 раза при сохранении 
средней плотности изделий и одинаковом по сравнению 
с известным составом [2] времени отверждения.
Наличие данных о физической структуре легкого жа-
ростойкого фибробетона, его сопротивление зарождению 
и подрастанию трещин при различных условиях внешней 
среды позволяет перейти к количественной оценке тре-
щиностойкости. Применительно к условиям эксплуа-
тации испытания проводились в нагретом состоянии при 
температурах 110, 300 и 800 °C.
Анализ результатов испытаний показал, что при на-
греве легкого фибробетона от 20 °C до 800 °C параметр 
прочности Rbtf снизился на 8% при одновременном 
уменьшении показателя трещиностойкости на 15%. 
Такое незначительное снижение вышеуказанных параме-
тров связано со структурой фибробетона. При нагреве до 
800 °C общая пористость уменьшилась на 3% при незна-
чительном перераспределении объемов пор по размерам. 
Использование огнеупорных заполнителей из глиноземи-
стого шлака и сернокислого шлама способствовало ста-
билизации структуры фибробетона и постоянству его ме-
ханических характеристик.
В проведенных дополнительно испытаниях установ-
лена критическая температура (1500 
°C) применения 
предлагаемого состава легкого жаростойкого бетона, при 
которой потеря прочности составляет 70% от начального 
значения по сравнению с прочностью при 20 °C.
Применение разработанных составов легкого жаро-
стойкого фибробетона позволит повысить прочность, 
трещиностойкость и долговечность (срок службы) кон-
струкций теплотехнических сооружений, снизить себе-

«Молодой учёный»  .  № 28 (132)   .  Декабрь 2016  г.
90
Технические науки
стоимость такого бетона и улучшить экологическую об-
становку за счет полного отсутствия тепловой обработки 
и использования неутилизированных отходов алюминие-
вого и трубного производств.
Литература:
1.  Патент РФ №  2257363. Сырьевая смесь для производства легкого огнеупорного фибробетона / Перфилов В. А., 
Алаторцева У. В., Агеев Ю. С., Митяев С. П., Тютюрин А. А. Бюлл. №  20, зарег. 20.07.2009 г.
2.  Патент РФ №  2257363. Сырьевая смесь для производства легкого огнеупорного бетона / Перфилов В. А., 
Агеев Ю. С., Тютюрин А. А. Бюлл. №  21, зарег. 27.07.2005 г.
3.  ГОСТ 10180–90 (2003). Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам
4.  ГОСТ 10180–90 (2003). Бетоны жаростойкие. Технические условия.
Послойная трехмерная печать на основе полиамид-имида
Калашников Сергей Васильевич, директор
Бурятский государственный университет (г. Улан-Удэ)
В статье рассмотрены перспективы применения технологии послойной трехмерной печати полимерами, при-
годной для промышленного производства деталей и агрегатов, изготавливаемых на данный момент преимуще-
ственно из металлов. Наиболее подходящим по свойствам полимером для этих целей является полиамид-имид, 
имеющий высокие конструкционные свойства. Использование его, скажем, в автоиндустрии, известно давно.
Ключевые слова: наносистемы, наночастицы, полиамид-имид, торлон, полиэфирэфиркетон, послойная 
трехмерная печать
Keywords: nanosystems, nanoparticles, polyamide-imide PAI, torlon, PEEK, three-dimensional layer-by-layer 
printing
Общие сведения
То, что полиамид-имид, наиболее прочный полиамид 
и полимер, может быть заменителем металла в некоторых 
сферах промышленного производства, известно давно [1].
В наше время все более широкое распространение 
получают аддитивные технологии и трехмерная печать 
в частности. Существует различные виды трехмерной 
печати, в том числе и из металла методом спекания по-
рошка, однако наиболее распространенной и дешевой 
Таблица
 1. Физико-механические свойства предлагаемых составов легкого жаростойкого фибробетона
Свойства легкого жаростойкого фибробетона
Известный 
состав [2]
Составы сырьевой смеси
1
2
3
Время отверждения, мин.
28–30
29
30
31
Прочность на сжатие, МПа
2,2–3,2
3,91
4,15
4,53
Прочность на растяжение, МПа
0,32–0,87
1,18
1,29
1,84
Средняя плотность, г/см
0,53–0,64
0,58
0,62
0,64
Класс бетона по предельно допустимой температуре применения
И8
(Т=800 °C)
И8
И8
И8
Остаточная прочность после нагрева до температуры 800 °C,%
62–67
75
75
78
Термостойкость при 800 °C, воздушные теплосмены
35–38
40
41
41
Температура 4%-ной деформации под нагрузкой, °C
800
1200
1200
1200
Предельное значение усадки после нагрева до предельно допустимой 
температуры применения,%
1,8–2
1,8
1,7
1,62

“Young Scientist”  .  #28 (132)  .  December 2016
91
Technical Sciences
является послойная печать. Соединение этого метода 
печати и полиамид-имида позволит создать эффек-
тивную технологию, имеющей преимущества по проч-
ностным характеристикам получаемого изделия и по-
зволяющая производить направленное армирование 
и модифицирование наночастицами для улучшения 
термомеханических свойств. Это позволит применять 
данную технологию в широких областях производства 
и лабораторного практикума, позволит изменить метод 
производства многих деталей и агрегатов, изготовля-
емых сейчас из металлов. Например, возможна будет 
печать, скажем, редуктора сразу со всеми деталями 
в сборе (в. т. ч. подвижными), исключающая последу-
ющий процесс сборки. Замена металлов приведет к зна-
чительному снижению веса агрегатов, в т. ч. в транс-
портных машинах.
На данный момент из полиамид-имида изготавливают 
детали преимущественно методом литья с последующей 
механической обработкой, существуют метод трехмерной 
печати из него методом спекания порошка. При этом за-
труднено его армирование волокном и модификация на-
номатериалами.
Полиамид-имид обладает определенными отличитель-
ными характеристиками полиамида и полиимида. Владея 
прекрасной термической и химической стойкостью, поли-
амид-имид имеет высокую механическую прочность и те-
плоемкость, обладает технологичностью переработки.
Уникальность полиамид-имида объясняется невы-
соким коэффициентом теплового расширения, плохой 
ползучести, отменными свойствами скольжения, изно-
состойкости. Перечисленные свойства полиамид-имида 
можно дополнить отличной устойчивостью к возгоранию, 
высокими температурными показателями при работе на 
воздухе. Другие отличительные характеристики полиа-
мид-имида — эффективное противодействие к рентгенов-
скому излучению, солнечным лучам. Материал обладает 
маленьким коэффициентом растяжения, низким уровнем 
возгорания. Установленная максимальная температура 
для работы до 275 градусов, но в исключительных ситу-
ациях, экстренных режимах может работать при более 
высоких показателях температур с ограничением во вре-
мени. Полимерный материал имеет повышенную ударную 
вязкость [2].
Широкая область использования инженерного пла-
стика полиамид-имида в машиностроении, химической 
промышленности, газовой промышленности при изго-
товлении полупроводников и техники для тестирования, 
в электротехнике и космонавтике, автомобилестроении. 
Из данного полимера производят огромное количество де-
талей: втулки, уплотнительные кольца, электроизоляци-
онные детали, шестерни, детали, при функционировании 
подвергающиеся трению либо скольжению, лопасти, по-
лимер используется для изготовления деталей компрес-
соров приводных нагнетателей, упорных полуколец под-
шипников трансмиссии и коленвала, тарелок клапанных 
пружин и многие другие элементы.
Полиамид-имид — один из самых дорогих полимеров, 
поэтому как правило, во многих случаях заменяется на 
аналоги. Основным аналогом полиамид-имида является 
полиэфирэфиркетон [3]. Полиэфирэфиркетон, так же 
как и полиамид-имид, применяется в сферах, где необ-
ходимы улучшенные свойства устойчивости к высоким 
температурам или устойчивость к химически агрес-
сивной среде, также используется при сильных ради-
оактивных излучениях и электрических нагрузках. Его 
применение стало традиционным в аэрокосмической, хи-
мической и ядерных областях. Благодаря своей универ-
сальности в использовании полиэфирэфиркетон часто 
применяется в производстве оборудования с высокотех-
нологичной составляющей механизмов в разных обла-
стях промышленности. К таким областям можно отнести 
автомобильную, нефтяную, химическую, фармацевтиче-
скую, газовую, и военную, а так же много других сфер 
промышленности.
Так как свойства полиэфирэфиркетона схожи со свой-
ствами полиамид-имида, далее вопросы технологии трех-
мерной печати будут рассматриваться только для послед-
него.
Преимущества 3D-печати полиамид-имидом  
перед традиционными технологиями
Рассмотрим более подробно преимущества предла-
гаемой технологии трехмерной печати перед традицион-
ными методами производства.
1.  Технология трехмерной печати позволяет создавать 
изделия сложной пространственной структуры из высоко-
прочного термостойкого полимера. Технология, исполь-
зуемая сейчас и обладающая аналогичным параметром — 
различные виды литья. В отличие от разрабатываемой 
технологии требуют дорогую оснастку в виде литейных 
форм, тиглей, прессов и обладают большим энергопотре-
блением. Но по сравнению с технологией трехмерной пе-
чати имеют высокую производительность.
2. Метод при производстве некоторых приборов 
и агрегатов позволяет создавать (печатать методом по-
слойного наращивания) их в сборе со всеми внутрен-
ними деталями, в том числе с подвижными относительно 
других. Это позволяет ликвидировать последующий про-
цесс сборки изделий. Другие методы производства данным 
параметром не обладают.
3. Технология позволяет армировать полимер сте-
кловолокнами, углеродными и др. волокнами, наноча-
стицами для увеличения их предела прочности. При этом 
направление армирования можно задать произвольно 
и различным для изготавливаемой детали в зависимости 
от картины механического напряжения в ней. Так же ар-
мирование применяется при литье полимеров под давле-
нием, однако обеспечивать различное заданное направ-
ление волокон в сложной детали затруднено. Качество 
такого армирования уступает армированию, произведен-
ному при трехмерной печати, так как требуется простран-

«Молодой учёный»  .  № 28 (132)   .  Декабрь 2016  г.
92
Технические науки
ственное закрепление волокна в форме перед заливкой 
полимера, что труднодостижимо, особенно в геометри-
чески сложной детали.
4.  В связи с тем, что при использовании трехмерной 
печати отсутствуют отходы материалов, это благопри-
ятно сказывается на экономичности и экологичности 
производства. Если рассматривать основной аналог трех-
мерной печати — литье, то при нем требуются большие 
энергозатраты на плавку всего материала одновременно, 
что вызывает потери энергии, при литье образуются тех-
нологические элементы детали, которые являются от-
ходами или идут на переплавку. Повышенное энерго-
потребление снижает экологичность и экономичность 
производства.
Проблемы 3D-печати полиамид-имидом
Полиимиды представляют собой обширное семей-
ство материалов, сильно отличающихся по своим свой-
ствам — от труднообрабатываемых реактопластов до ин-
женерных пластиков с термопластическими свойствами 
обычных инженерных пластиков (термопластов) [4].
Полиамид-имид, пожалуй, является наиболее 
сложным материалом с точки зрения термопластичности, 
который в этом отношении мало отличается от реакто-
пластов [5]. Температура стеклования данного материала 
(от 260 °C) очень близка к его верхней границе рабочей 
температуры. Так, для полиамид-имида марки «Torlon» 
компании «Quadrant» максимальная рабочая темпера-
тура составляет 250 °C.
Так как температурные параметры полиамид-имидов 
плохо отражены в литературе, было решено определить 
их опытным путем для полимера марки «Арамидил» 
фирмы «Westinghouse» (табл. 1). Нагрев производился 
в цилиндрической обечайке в муфельной печи. Темпе-
ратура разложения определялась по интенсивному га-
зообразованию (пузырению) материала и потери им 
массы.
Таблица
 1
№   п. п.
Параметр
Значение
1
Максимальная температура с сохранением основных свойств
240 °C
2
Температура текучести
от  325 °C
3
Температура термической деструкции и разложения
от  350 °C
Как видно из таблицы, разность между температурой 
начала термической деструкции и разложения рассматри-
ваемого полимера составляет 25 °C. Несмотря на столь 
малую разность, она подтверждает возможность исполь-
зования полиамид-имида при послойной трехмерной пе-
чати.
Выводы
В заключении отметим технические задачи, предъяв-
ляемые к трехмерному принтеру для печати полиамид-и-
мидом или полиэфирэфиркетоном.
В первую очередь, эти требования относятся к темпе-
ратурным характеристикам головки принтера и его рабо-
чего стола. Высокая температура текучести рассматри-
ваемых полимеров накладывает требования по стойкости 
к ней материалов головки, хорошей теплоизоляции на-
гревательных элементов от механизмов подачи поли-
мерной проволоки и их более интенсивного охлаждения. 
Зона нагрева должна быть оснащена чувствительным 
температурным датчиком, позволяющим наряду с си-
стемой регулирования и контроля нагревателя поддер-
живать постоянство температуры, находящейся между 
температурой деструкции и температурой текучести по-
лимера.
Для создания необходимого для отверждения и пре-
пятствия при этом деформации детали градиента тем-
пературы в рабочей области принтера накладывается 
некоторые требования к нагревательному элементу, ма-
териалу стола и системы контроля температуры.
В-целом, перечисленные задачи успешно решаемы на 
современном этапе развития техники.
Литература:
1.  Санников В. А вместо сердца пластмассовый мотор: пластиковый двигатель // Популярная механика. — 
2010. —  №   87.
2.  PAI (Полиамид-имид) // Высокотехнологичные инженерные пластики и изделия из них. URL: http://apc-group.
ru/plastiki/pai-poliamid-imid-t-260s.html (дата обращения: 11.12.2016).
3.  Полимер полиэфирэфиркетон — уникальный материал химической промышленности // Полимер-инфо. URL: 
http://polimerinfo.com/kompozitnye-materialy/poliefirefirketon.html (дата обращения: 12.12.2016).
4.  Тугов И. И., Кострыкина Г. И. Химия и физика полимеров. — М.: Химия, 1989. — 430 с.
5.  Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: Справочник: В 2 т. Т. 2./
Под ред. А А. Герасименко. — М.: Машиностроение, 1987. — 784 с, ил.

“Young Scientist”  .  #28 (132)  .  December 2016