Preview

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

Расширенный поиск
Том 63, № 1 (2018)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-1

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ

7-14 284
Аннотация

Электромагнитные (ЭМИ) и ионизирующие (ИИ) излучения являются одними из основных дестабилизирующих факторов, воздействующих на функциональное оборудование ракетно-космических, авиационных и наземных комплексов. В связи с этим направление физического материаловедения, связанное с созданием новых материалов и технологий для высокоэффективной электромагнитной и радиационной защиты, является актуальным. В Научно-практическом центре Национальной академии наук Беларуси по материаловедению разработаны новые материалы и технологические процессы формирования электромагнитной и радиационной защиты на корпусах приборов и элементов широкого спектра назначения. Наиболее сложными вариантами для защиты от ЭМИ являются постоянное магнитное поле и мощный электро- магнитный импульс. Перспективные материалы для решения данной проблемы – многослойные пленочные структуры симметричного и градиентного типов. В связи с этим рассмотрены экспериментальные результаты по исследованию эффективности электромагнитных экранов на основе структур системы (Fe–Co–Ni)/Cu в постоянном магнитном поле, низкочастотном и импульсном ЭМИ. Показано, что при выборе материалов для магнитостатических экранов следует учитывать как основные магнитные характеристики, так и роль неоднородности магнитного поля в объеме экрана и нелинейность магнитной проницаемости. Сделан вывод о высокой эффективности ослабления градиентными структурами импульсных магнитных полей микросекундной длительности, составляющих 58÷40 дБ при значениях напряженностей магнитных полей 1,25÷12,0 кА/м соответственно. Для защиты электронных компонентов и интегральных микросхем от воздействия ИИ предложен композиционный материал на основе системы вольфрам–медь. Показано, что радиационные экраны, изготовленные на его основе, эффективно защищают от электронного и протонного излучений с энергиями до 2 МэВ и до 500 МэВ соответственно. Приведены результаты практического применения разработанных материалов и технологий.

 

15-19 181
Аннотация

Проведены экспериментальные исследования ультрадисперсного порошка кремния, полученного путем помола полупроводникового монокристаллического кремния, изучен процесс масштабирования порошков с использованием механохимического измельчения. Установлено, что размерность кристаллитов порошков кремния определяет их физико-химические свойства. Ультрадисперсные порошки кремния с размером частиц ≤10 нм легко разлагают воду при комнатной температуре на водород и кислород, они легко окисляются кислородом воздуха и активно взаимодействуют с гидрооксидами и кислотами с выделением значительного количества тепла. Скорость насыщения микро- и ультрадисперсных порошков водородом при постоянной скорости потока в проточной системе зависит от температуры процесса гидрирования водорода. Установлено, что гидрид, образующийся при низкой температуре (≤573 К) находится в равновесном состоянии при гидрировании в проточном реакторе. С прекращением термического воздействия после гидрирования обработанный порошок переходит в метастабильное состояние. Водород, поступающий в объем микро- и ультрадисперсного порошка кремния в диапазоне температур 373–723 К за счет диффузионного процесса, может реагировать не только с атомами кремния с образованием гидридов типа SiH2, но и с гидридами менее активных радикалов типа Si2H4, Si2H6. Процесс гидрирования имеет две явно выраженные стадии. Показано, что температура перехода между стадиями определяется дисперсностью микро- и ультрадисперсных порошков кремния и структурой гидридов на поверхности частиц. В итоге установлено, что за оптимальную температуру гидрирования следует принять температуру 623 К, при которой достигается максимальная подвижность атомов кремния при формировании гидрида. При температуре выше 723 К для гидрида Si2H4 (SiH2) наблюдается резкое уменьшение содержания водорода.

20-26 181
Аннотация

Материалы на основе МАХ-фаз имеют уникальную комбинацию свойств. Они объединяют лучшие свойства металлов и керамики. Такой набор полезных эксплуатационных параметров дает возможность широкого технического применения в различных отраслях промышленности. Однако несмотря на большое количество исследовательских работ, проведенных в данной области, получение плотного, однородного МАХ-материала остается нерешенным вопросом. Изучались возможности метода импульсного компактирования бризантными взрывчатыми веществами для получения изделий из порошков МАХ-фаз. В качестве модельного материала для проведения исследований были использованы порошки МАХ-фаз на основе Ti2AlC и Ti3AlC2, синтезированные свободным спеканием в вакууме. Показано, что двукратное импульсное компактирование порошков на основе Ti2AlC и Ti3AlC2 позволяет снизить пористость прессовок с 22 % до 9 %, при этом фазовый состав материала практически не изменяется. Испытание образцов, полученных методом импульсного компактирования, на стойкость к окислению показало, что метод ударно-волнового нагружения применим для получения конкурентоспособных материалов, реализующих потенциальные свойства МАХ-фаз. Отмечено, что для повышения жаростойкости необходимо стремиться к минимизации пористости материала. Существенное снижение пористости может быть достигнуто за счет многократного ударно-волнового нагружения материала.

27-33 245
Аннотация

Приведено описание способов повышения основных характеристик (плотность, теплота сгорания, температура горения, показатель газообразования) и эксплуатационных свойств (скорость и температура горения, полный и удельный импульс, свойства продуктов сгорания) энергонасыщенного гетерогенного композиционного материала введением энергетических добавок в виде мелкодисперных сферических порошков высокоэнергетических металлов или их сплавов, неметаллических материалов, дана оценка их эффективности с учетом технологичности и безопасности использования. Рассмотрено влияние основных ингредиентов композиционного материала на его эксплуатационные свойства. Дан анализ современных подходов ведущих производителей к повышению эксплуатационных свойств энергонасыщенного гетерогенного композиционного материала путем введения в его состав одного из цикличных нитраминов с последующим модифицированием пластификаторами, обеспечивающим снижение чувствительности материала. Проведены термодинамические расчеты для ряда составов энергонасыщенного гетерогенного композиционного материала, содержащего пластифицированные вторичные цикличные нитрамины. Выполнен комплекс экспериментальных исследований образцов материала различных составов и определены их основные свойства. Показана возможность равноценной замены в составе энергонасыщенного гетерогенного композиционного материала мелкодисперсного порошка алюминия на один из флегматизированных цикличных нитраминов. По результатам термодинамических расчетов и на основании комплекса экспериментальных исследований энергетических характеристик материала подтверждена возможность такой замены и определены границы приемлемого содержания цикличных нитраминов в составе энергонасыщенного гетерогенного композиционного материала. Сформулированы задачи для выхода на промышленную технологию изготовления на отечественных предприятиях рассмотренного класса материалов, модифицированных цикличными нитраминами.

34-42 200
Аннотация

Развитие современных отраслей промышленности требует создания новых материалов, обладающих наряду со специальными свойствами высокой прочностью и жаропрочностью. Наиболее сложным является обеспечение последней. Для ее повышения необходимо уменьшить до предельно допустимого значения величину свободного перемещения дислокаций, локализовать передвижение дефектов кристаллического строения в пределах зерна (субзерна), минимизировать сток дефектов кристаллического строения на границы зерен, исключить межзеренное скольжение, что может быть успешно реализовано в дисперсно-упрочненных материалах. Для их получения перспективной является технология, основанная на реакционном механическом легировании. В статье представлены результаты работы автора, позволившие установить закономерности формирования фазового состава, структуры и свойств на всех этапах получения механически легированных дисперсно-упрочненных материалов на основе металлов, являющихся базисом для производства основных конструкционных сплавов из алюминия, меди, железа и никеля. Эти сплавы используются при производстве изделий, работающих в жестких температурно-силовых условиях – при температурах, достигающих 0,85Тпл основы, с пределом прочности при растяжении в 1,2–1,5 раза выше, чем у аналогов. На базе их создана новая область материаловедения конструкционных материалов – наноструктурные механически легированные дисперсно-упрочненные материалы на основе металлов. Наиболее перспективными направлениями применения технологий, основанных на реакционном механическом легировании, в области материаловедения являются: 1) высокопрочные материалы для деталей машин, инструментальной оснастки и изделий различного функционального назначения, работающих в жестких температурно-силовых условиях; 2) порошки для газотермического напыления и покрытия из них; 3) нанокристаллические модифицирующие лигатуры и модификаторы. Приведены результаты промышленного внедрения.

МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА

43-52 145
Аннотация

Приводится физико-механическая модель, разработанная для расчета силового воздействия на пуансон при скоростном ударном выдавливании биметаллических ступенчатых стержневых изделий в условиях плоской деформации. Для решения поставленной задачи процесс ударного нагружения заготовки разделяется на две стадии – разгона и торможения. На стадии разгона принимается линейная зависимость на графике Pn(hn) «усилие на пуансоне – путь деформирования». Для стадии торможения приводится методика расчета усилия, действующего на пуансон, при пластическом течении биметаллической заготовки в ступенчатую сужающую полость с тремя очагами деформации. На основе метода верхней оценки для случая пластического течения на завершающем этапе процесса через очаги деформации получено уравнение для расчета усилия, действующего на пуансон. Путем решения задачи в квазистатической постановке (действие динамических напряжений на поверхностях разрыва скорости и сил инерции не оказывает влияние на вид и форму построенных годографов скоростей и ускорений), исходя из условия минимальной мощности пластического формоизменения, были установлены зависимости для расчета оптимальных углов матричной полости αопт, βопт, γопт, зависящих от вытяжки λ и коэффициента трения μ. Применение матриц с оптимальными углами конусности позволит реализовать процесс ударного скоростного выдавливания с минимальной нагрузкой, действующей на пуансон. На основе разработанной модели в рамках принятых допущений получено уравнение для расчета минимального верхнеграничного усилия Pn,min, действующего на пуансон при ударном скоростном пластическом течении металлов через очаги деформации. В уравнении представлены реологические характеристики деформируемой основной части заготовки (k, ρ), технологические параметры (λ1, λ2, λ3, V), коэффициенты контактного трения μ для различных участков поверхности матричной полости, значения соударяющихся масс пуансона и заготовки. Разработанные модель расчета оптимального силового режима и уравнение (17) вполне могут быть использованы в инженерной практике для разработки технологии скоростного ударного выдавливания плоскоступенчатых биметаллических изделий различного назначения.

53-67 156
Аннотация

 Процессы, протекающие при контакте твердых тел, отличаются своим многообразием, зависимостью от масштаба рассматриваемой области и значений действующих сил. Изучение таких процессов требует комплексного подхода к приборному и методическому обеспечению проводимых исследований. Для установления механизмов, протекающих в нанометровых зазорах между телами, разработан прибор для измерения межмолекулярных и капиллярных сил, описана его конструкция и принцип работы. Представлены технические решения для измерения сил трения при малых нагрузках и определения субмикронных величин износа. Описаны методы изучения действующих при фрикционном взаимодействии механизмов изнашивания по морфологии частиц износа и локальных повреждений поверхностей трения. Изложены методы описания их текстуры и формы, позволяющие визуализировать сходство и различие анализируемых объектов. Рассмотрены методы диагностики и оценки текущего состояния узлов трения, основанные на классификации по морфологическим типам повреждений поверхностей и фрагментов их разрушений. Приведен метод оценки параметрической эквивалентности натурных и лабораторных испытаний на трение и износ, позволяющий сравнивать данные, полученные в разных условиях, и устанавливать причину их расхождения. Возможности метода продемонстрированы на примере оценки действующих факторов космического пространства в рамках планируемого эксперимента по изучению трения на Международной космической станции.

 

68-75 139
Аннотация

Показаны возможности увеличения скорости резания при одновременном повышении точности координатных перемещений и снижения динамических нагрузок в начальный, наиболее опасный с позиции возникновения сколов и поломок, момент взаимодействия алмазного круга толщиной 15–120 мкм с полупроводниковой пластиной толщиной 250–500 мкм и диаметром 50–250 мм при ее разделении на кристаллы. При резании стол с полупроводниковой пластиной совершает возвратно-поступательные координатные циклические перемещения. В процессе его разгона до рабочей скорости подачи возникают механические колебания в направлении движения, имеющие частоту собственных колебаний. Эти колебания могут приводить к отклонению стола от заданной координаты и возникновению существенно отличных от прогнозируемых величин ускорений при достижении рабочей скорости подачи и последующем контакте пластины с алмазным кругом. Это может быть учтено при реализации технологического цикла, и в ряде случаев колебаниями можно программно управлять путем выбора рационального соотношения величин рабочего хода, длины холостого хода и частоты собственных колебаний, что позволяет уменьшить или исключить сколы и поломки полупроводниковой пластины и алмазного круга, уменьшить их толщины и повысить в 1,5–2 раза скорость обработки. Показаны возможности создания комбинированной системы приводов, использование которой позволяет исключить возникновение механических колебаний.

76-92 1162
Аннотация

Установлено, что важнейшие направления развития конструкции сельскохозяйственных тракторов основаны на увеличении их производительности. Увеличение производительности осуществляется посредством повышения как энергонасыщенности, так и универсальности, позволяющей увеличить время непрерывной работы и коэффициент использования трактора. Определено, что повышение энергонасыщенности обеспечивается за счет увеличения мощности силового агрегата колесных тракторов до 600 л.с., а также дополнения модельных рядов гусеничными тракторами нового технического уровня, близко унифицированными с колесными моделями аналогичной мощности. При этом ведущие производители тракторной техники разрабатывают концепцию сельскохозяйственного трактора с двигателем мощностью свыше 500 л.с. Увеличение универсальности тракторов сопровождается развитием их конструкции, обеспечивающим увеличение максимальных и средних скоростей движения. Увеличение транспортных скоростей до 50–60 км/ч и более достигается за счет совершенствования ступенчатых коробок передач, разработки и внедрения бесступенчатых трансмиссий, использования и улучшения характеристик подвесок переднего ведущего моста (ПВМ), кабины и сиденья оператора, применения тормозов колес ПВМ, антиблокировочных и противобуксовочных систем, всеколесного рулевого управления. Подробно рассмотрены особенности конструкции концептуальных моделей тракторов Fendt TRISIX Vario с двигателем MAN D2676 мощностью 540 л.с. и колесной формулой 6ç6, DEUTZ-FAHR Agro XXL с двигателем DEUTZ TCD 2015 мощностью 600 л.с. и колесной формулой 8ç8, New Holland NH2 на водородных топливных элементах. Показано, что для повышения технического уровня тракторной техники большое внимание уделяется улучшению условий труда оператора, в том числе путем совершенствования конструкции, улучшения эргономических и эстетических свойств кабин, внедрения бортовых электронных систем контроля, диагностики и управления. Для снижения издержек и повышения эффективности сельскохозяйственного производства осуществляется все более широкое применение систем точного земледелия.

ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

93-100 153
Аннотация

Предпринята попытка качественно и количественно проанализировать термодинамический цикл детонационного сгорания и сопоставить его с циклами Отто и Брайтона с целью установления степени его термо-динамического совершенства. Сравнение термодинамических циклов Отто, Брайтона и детонационного сгорания производилось по эквивалентным циклам Карно, обладающим той же степенью термодинамического совершенства, что и исследуемые циклы. Для определения параметров детонационного цикла использована классическая теория детонации, основанная на законах термодинамики и газодинамики. Показано, что детонационный цикл по сравнению с циклами Брайтона и Отто имеет бóльшую энтропию в конце подвода тепла и меньшую в конце отвода тепла. Это означает, что он обладает более высокой среднеинтегральной температурой подвода теплоты и более низкой среднеинтегральной температурой отвода теплоты. Так, в диапазоне характерных значений показателя адиабаты k температура в конце процесса сообщения тепла в цикле детонационного сгорания превышает температуру цикла Отто примерно на 7–15 %. Следовательно, детонационный цикл термически более эффективен, поскольку термический КПД цикла увеличивается с расширением температурных границ эквивалентного цикла Карно.

 

101-110 174
Аннотация

Описана методология прогнозирования основных характеристик графика продолжительности нагрузки: коэффициента неравномерности, коэффициента заполнения и величины электропотребления. Характеристики необходимы для прогнозирования графиков продолжительности электрической нагрузки на длительных временных периодах. На основе обширной статистической информации о почасовых нагрузках Белорусской энергосистемы за период с 1997 по 2014 г. найдены исторические тренды изменения характеристик. С использованием полученных трендов и ряда предположений о тенденциях их долгосрочного изменения рассчитаны краевые сценарии изменения характеристик на продолжительном промежутке времени. Каждый краевой сценарий образован путем комбинации основных характеристик графика продолжительности нагрузки. Сценарный подход и ранее разработанный метод оперативного восстановления графиков продолжительности электрической нагрузки на основе ее основных характеристик дают возможность получить возможные граничные формы этих графиков для прогнозируемого временного периода. Особенностью подхода предлагаемой методологии является прогнозирование таких характеристик, как объемы электропотребления и форма графиков продолжительности электрической нагрузки в определенных диапазонах. Ширина диапазонов обоснована анализом ретроспективной информации и может быть скорректирована с учетом вновь поступающей информации. Применение предлагаемого подхода целесообразно в оптимизационных программах планирования энергосистем. Полученные численные результаты будут использованы для оптимизации структуры Белорусской энергосистемы.

111-118 138
Аннотация

Приводятся результаты оценки радиационного воздействия выбросов радиоактивных веществ на персонал атомной электрической станции в случае проектной аварии, а именно рассмотрена авария, связанная с падением при перегрузке топлива отработавшей кассеты на кассеты, расположенные в активной зоне реактора или бассейне выдержки. Для анализа дозовых нагрузок на персонал станции проведены оценка осаждения радиоактивных веществ на характерных поверхностях территории промышленной площадки станции и расчеты распределения относительной концентрации радиоактивных аэрозолей по зонам удаления от источника выброса с использованием программного модуля, созданного в среде разработки компьютерных программ COMSOL 3.5а. В основу разработки данного программного модуля положен максимальный учет деталей инфраструктуры промышленной площадки атомной электрической станции по генеральному плану, что позволяет получить более точную оценку осаждения радиоактивных веществ и, как следствие, более точный расчет дозовых нагрузок на персонал и население. Рассчитаны средние объемные активности радионуклидов в приземном слое воздуха на территории площадки станции при проектных авариях c реакторами типа ВВЭР. Прогнозная оценка дозовых нагрузок на персонал АЭС от радиоактивного облака и внутреннего облучения за счет ингаляции выполнялась с учетом таких радионуклидов, как 137Cs, 131I, 133I, 90Sr. Полученная величина общей эффективной дозы облучения персонала за первые 8 ч после начала проектной аварии, связанной с падением кассеты при перегрузке топлива, составляет 7,80 мЗв, что существенно ниже порогового значения предела допустимой годовой дозы для персонала в аварийных ситуациях (50 мЗв).

 

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

119-128 223
Аннотация

Ведущие компании в области получения данных дистанционного зондирования Земли из космоса строят группировки космических аппаратов для увеличения периодичности (кратности) и ведения мониторинга различных участков земной поверхности. Группировка космических аппаратов дистанционного зондирования компании Airbus (Франция) позволяет ежедневно наблюдать любую точку поверхности Земли с высоким пространственным разрешением, а группировка компании DigitalGlobe (США) – со сверхвысоким пространственным разрешением. Наряду с этим запускается большое количество аппаратов дистанционного зондирования Земли в рамках национальных космических программ стран. Группировки космических аппаратов в таких странах незначительные. Проведен анализ перспектив совместного использования национальных космических систем Социалистической Республики Вьетнам и Республики Беларусь. Путем сопоставления пространственно-временных (орбитальные характеристики, цикличность орбит) и спектрально-энергетических (пространственное, спектральное и радиометрическое разрешение) характеристик функционирующих в настоящее время космических аппаратов дистанционного зондирования Земли VNREDSat-1 (Вьетнам) и БКА (Беларусь) проанализированы возможности их совместного использования для мониторинга природных ресурсов, окружающей среды и стихийных бедствий. Выявлена приемлемая для решения перечисленных задач степень корреляции технических параметров с учетом различных фаз данных космических аппаратов. Выводы подкреплены результатами натурных экспериментов с использованием архивных и оперативных данных дистанционного зондирования Земли, получаемых национальными космическими аппаратами.



ISSN 1561-8358 (Print)
ISSN 2524-244X (Online)