Preview

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

Расширенный поиск
Том 63, № 2 (2018)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-2

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ

135-149 330
Аннотация
Анализируется создание и развитие магнитных наноматериалов и наноструктур, пленок со столбчатым типом кристаллической структуры, многослойных пленочных структур, нанокомпозитов, гранулированных сплавов и нанопроволок. Рассматриваются методика получения и структура, магнитные и магниторезистивные свойства трех типов нанопроволок – многослойных, гранулированных и спин-клапанного типа. Показано, что многослойные пленочные покрытия с очень тонкими (< 1 нм) чередующимися магнитными и немагнитными слоями ведут себя, как пленки гранулированных сплавов. Об этом свидетельствует их типичная треугольная зависимость электросопротивления от магнитного поля. Подчеркивается, что пленки гранулированных сплавов Cu–Co впервые получены в Научно-практическом центре Национальной академии наук Беларуси по материаловедению методом электролитического осаждения без последующего отжига, как это имеет место быть при других методах их получения. Свежеприготовленные пленки гранулированных сплавов Cu–Co являются суперпарамагнетиками. То есть проявляют ферромагнитное поведение ниже температуры блокирования, которая в свою очередь зависит от размера кластеров кобальта в диамагнитной матрице меди. Подобные свойства проявляют и впервые полученные нами гранулированные нанопроволоки. Особое внимание уделяется анализу методики получения и описанию свойств многослойных нанопроволок спин-клапанного типа. Прогнозируются тенденции развития материаловедения, которые позволят создавать новые материалы с высоким уровнем качества и заданными свойствами, что в перспективе позволит расширить область экспорта таких материалов и изделий из них.
150-160 253
Аннотация
Приводятся результаты исследования характеристик специальных порошков металлических сплавов и материалов, полученных из этих порошков методом селективного лазерного сплавления (SLM), в том числе данные сравнительного анализа характеристик порошков, изготовленных по технологии VIGA с использованием установки вакуумной индукционной плавки. Отмечается важность проведения комплекса исследований, включающего не только статистическую оценку распределения частиц порошков по размерам (предпочтительно методом дифракции лазерного излучения), но и анализ изображений, который позволяет получать информацию о форме частиц, определяющей текучесть порошков. Показано, что распределение по размерам и фактор формы порошков никелевых жаропрочных сплавов и нержавеющей стали, полученных в Институте порошковой металлургии НАН Беларуси, находятся на уровне лучших зарубежных аналогов. Рассмотрено влияние химического состава порошков на механические свойства образцов, изготовленных методом SLM. Наличие кислорода и нежелательных примесей, как правило, приводит к снижению прочности и относительного удлинения формируемых образцов. Отмечается, что данный метод предоставляет исключительно широкие возможности для формирования сложных геометрических структур с близкой к теоретической плотностью. Последующая термическая или термомеханическая обработка позволяет снимать напряжения, возникающие в процессе SLM, доуплотнять изделия (при необходимости) и регулировать их структуру и свойства. Показана перспективность применения метода дифракции обратно-рассеянных электронов (ДОЭ) для анализа эволюции структуры материалов в процессе SLM и последующей обработки. Отмечается, что изделия, полученные методом SLM из порошков специальных сплавов, демонстрируют механические свойства на уровне, а в ряде случаев превышающие свойства этих сплавов, полученных традиционными и другими аддитивными технологиями.
161-168 158
Аннотация

Цель данной части исследований состояла в изучении структурных превращений при переходе частиц-микрокомпозитов из плазменного потока в напыленный слой с учетом измельчения сфероидов. Представлены результаты исследований импульсного деления оксидных сфероидов в плазменном потоке, гранулометрического состава микрокомпозитов двух составов: SiO2–TiO2, SiO2–TiO2–Al2O3 с исходным размером частиц 40–50 мкм, 50–63, 63–71 мкм и структуры плазменных покрытий из них. Процесс импульсного деления сфероидов в плазменном потоке обнаружен во всех исследуемых композициях и наиболее интенсивен в системах: SiO2–TiO2 (с исходным размером частиц 40–50 мкм и 50–63 мкм), SiO2–TiO2–Al2O3 (с исходным размером частиц 40–50 мкм). Изучены особенности формирования структурных фрагментов покрытий различной формы (сфероидизированных и оплавленных) и состава (полностью аморфизированных; с многослойными оболочками, в том числе аморфными). Показано, что предлагаемая технология позволяет получать керамические покрытия с аморфно-кристаллической структурой. Особенности этой структуры определяются размером и составом исходных микрокомпозитов, измельчение которых непосредственно в процессе напыления позволяет формировать в покрытиях более тонкие структуры и, соответственно, существенно изменять их эксплуатационные характеристики и качество (высокая адгезионная прочность; износостойкость в 3 раза выше, чем у покрытий из корунда; пористость – менее 1 %).

169-180 311
Аннотация

Представлена общая информация о развитии аддитивных технологий, а также обзор основных принципиальных схем процессов послойного выращивания металлических изделий. Описаны технологии и оборудование электронно-лучевого послойного получения металлических изделий как из проволоки, так и из порошка. Приведены экспериментальные данные, полученные авторами в результате электронно-лучевого аддитивного изготовления образцов из низкоуглеродистой стали, нержавеющей аустенитной стали и технического титана. По- лучены зависимости геометрических параметров наплавляемого слоя от основных параметров электронного луча, а также схема изменения профиля одиночного слоя наплавки от тока луча. Проведен анализ микроструктур. Описаны основные характерные зоны, образующиеся в образцах, полученных данным методом. Показано, что при работе с нержавеющей сталью типичная микроструктура образцов – крупные дендриты с главными осями длиной до нескольких миллиметров в направлении теплоотвода. Однако было замечено, что в участках, претерпевших повторный многократный переплав во время наплавки последующих слоев металла, происходит рекристаллизация и образуются равноосные зерна. В технически чистом титане помимо характерной крупнозернистой (до нескольких миллиметров в диаметре) структуры существуют зоны, где наблюдается пластинчатая структура с колониями около 1 мм, а также зона в виде полосы шириной около 1 мм вдоль стенок, представляющая собой игольчатую структуру. Это, очевидно, связано с режимом охлаждения, так как характер теплоотвода по краям заготовки отличается от центральных зон. Проведен анализ перспектив развития электронно-лучевых аддитивных технологий. Продемонстрированы примеры использования электронно-лучевой аддитивной технологии в современном производстве ускорительной техники, авиа- и машиностроении.

МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА

181-191 162
Аннотация
Приведены результаты исследований в области существующих схем нагружения грунта траками гусеничных машин и их влияния на реализуемую гусеничным движителем силу тяги по сцеплению. Проведенный обзор показывает, что большинство исследователей подчеркивают немаловажную роль грунтозацепов в создании тягового усилия. Однако большая часть существующих методов расчета силы тяги по сцеплению базируется на определенной расчетной схеме, не зависящей от нагрузок, действующих на траки, от сочетания параметров грунтозацепов и от физико-механических свойств грунта. Использование этих методов не позволяет рассмотреть последовательность и альтернативные варианты разрушения грунта, а также установить взаимосвязь величины касательной силы, действующей на трак, с широким спектром сочетаний геометрических параметров грунтозацепов и связать ее с физическими процессами, протекающими в грунте. Следовательно, эти методы не в полной мере описывают взаи- модействие грунтозацепов гусеничного движителя с грунтом, что затрудняет их использование для оптимизации геометрических параметров грунтозацепов. Авторами предложен аналитический метод анализа взаимодействия грунта с траком гусеничного движителя, основанный на закономерностях теории предельного состояния грунтовых масс и основных положений, используемых в теории резания грунта, учитывающий выявленные особенности этого взаимодействия. Данный метод позволяет проводить исследование взаимодействия траков гусеничного движителя с грунтом с учетом многофазности и альтернативных вариантов разрушения грунта, находящегося между грунтозацепами, а также выбирать параметры грунтозацепов, которые обеспечивают улучшение тягово-сцепных качеств гусеничных тягачей.
192-200 171
Аннотация

Расчет максимальных напряжений при изгибе и контактном взаимодействии зубьев шестерен осуществляется на основе известных соотношений, содержащих стандартным образом определяемые коэффициенты. Предложена новая методика расчетного определения показателей долговечности зубчатой передачи трансмиссии
тяжелонагруженных проходческих машин, позволяющая более точно оценить динамическую нагруженность зубьев. В рамках данной методики при вычислении максимальных действующих напряжений вместо удельной окружной динамической силы используются коэффициенты усиления упругого момента, определяемые по амплитудно- частотной характеристике передачи. Определены максимальные напряжения при изгибе зубьев, дана оценка вероятности безотказной работы технической системы. В качестве примера использования предложенной расчетной методики рассмотрена прямозубая цилиндрическая передача, используемая в приводе исполнительного органа проходческого комбайна. Проведено сопоставление расчетных оценок показателей надежности зубчатой передачи, полученных на основе стандартной методики и с использованием амплитудно-частотных характеристик. На графиках представлены амплитудно-частотная характеристика передачи, полученная с использованием динамической модели трансмиссии, а также кривые функций распределения ресурса передачи с различными циклами нагружения, построенные с использованием предложенной методики. В рассмотренном расчетном примере долговечность передачи для ступенчатого цикла нагружения выше более чем в 2 раза по сравнению с непрерывным циклом нагружения. Показано, что при использовании стандартно вычисляемого коэффициента, учитывающего динамическую нагрузку, расчетные оценки долговечности передачи оказываются значительно завышены. При этом погрешность стандартной методики будет зависеть от диапазона частот, при которых работает передача, и наиболее существенна эта погрешность при работе передачи вблизи собственных частот.

ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

201-213 208
Аннотация
На основе систем тождественных равенств, и интегральных граничных характеристик представлен новый алгоритм решения краевой задачи нестационарной теплопроводности для тел канонической формы c граничным условием второго рода. Схема отыскания приближенных аналитических решений краевых задач нестацио- нарной теплопроводности с граничным условием второго рода предусматривает введение в рассмотрение фронта температурного возмущения и разделения всего процесса нагрева на две стадии. Для первой стадии процесса на основе предварительного дифференцирования уравнения теплопроводности по пространственной координате и последующего применения симметричных интегральных и дифференциальных операторов построены соответственно две последовательности интегральных и дифференциальных тождественных равенств. Каждая из них содержит интегральные либо дифференциальные граничные характеристики для заданного граничного условия второго рода. Для второй стадии путем введения граничной функции, предварительного дифференцирования уравнения теплопроводности по пространственной координате и последующего применения симметричных интегральных операторов построена последовательность интегральных тождественных равенств, содержащих интегральные граничные характеристики для граничного условия второго рода и граничной функции. На основе полученных интегральных и дифференциальных тождественных равенств построены замкнутые системы уравнения, позволяющие находить полиномиальные коэффициенты температурного профиля для первой и второй стадий процесса. Приведена общая схема нахождения приближенных значений собственных чисел краевых задач с граничными условиями второго рода на основе составления обыкновенного дифференциального уравнения с переводом его в характеристическое уравнение. Для каждого из двух этапов предложены специальные интегральные операторы, которые сводят краевую задачу к обыкновенному дифференциальному уравнению.
214-219 151
Аннотация
Изучено влияние добавок водорода на рабочий процесс бензинового двигателя внутреннего сгора- ния поршневого типа. Построена индикаторная диаграмма и дан анализ работы поршневого двигателя на бензинвоздушных смесях, обогащенных водородом в размере 0…20 % от объема поступающего в двигатель воздуха. Показана возможность получения удовлетворительных показателей при работе на бензине с добавками водорода. Исследовано изменение работы двигателя в зависимости от коэффициента избытка окислителя. Установлено, что коэффициент избытка окислителя, при котором достигается максимум индикаторного давления, смещается в область бедных смесей. При обогащении смеси водородом в размере 20 % от объема воздуха максимум индикаторного давления, равный pimax = 5,3…5,8 МПа, достигается при α = 1,15…1,25, а при 10%-ной добавке водорода имеет место максимум pimax = 4,9…5,2 МПа при α = 1,05…1,10 против pimax = 4,7…5,1 МПа при α = 0,90…0,95 для чистого бензина. По индикаторной диаграмме изучена динамика внутрицилиндровых параметров при обогащении смеси водородом. Так, при 20%-ной добавке водорода среднее индикаторное давление падает на 12…19 %, несмотря на некоторое возрастание максимального давления цикла (на 3…18 %), по сравнению с работой на бензине, что ведет к пропорциональному снижению как индикаторной мощности двигателя, так и индикаторного КПД.
220-228 196
Аннотация

Лечебный эффект от процедуры общей газовой криотерапии (ОГКТ) достигается, когда средняя температура поверхности кожи человека (пациента) во время процедуры находится в определенном температурном диапазоне, а скорость уменьшения этой температуры превышает некоторое пороговое значение. В работе представлены результаты теоретического анализа теплового состояния пациента на этапе лечебного воздействия ОГКТ. Анализ основан на результатах численного моделирования распределения температуры в разных частях тела пациентов (мужчин) с телосложением (рост, см × масса, кг) 160 × 60, 175 × 75, 190 × 90. Особое внимание уделено взаимосвязи между величиной теплового потока, отводимого от поверхности кожи, и скоростью охлаждения кожных покровов пациента. Результаты численного моделирования представлены графически и обобщены в виде соотношения между без- размерной средней температурой кожных покровов на лечебном этапе процедуры ОГКТ и временем пребывания пациента в процедурной камере, отнесенном ко времени начала этого этапа. Применительно к ОГКТ с температурой газового хладагента от –160 до –110 °С обнаружены следующие закономерности: 1) примерное постоянство (ошибка менее 1 %) среднего значения коэффициента теплоотдачи от поверхности кожи в газовую среду процедурной камеры на протяжении лечебного этапа; 2) экспоненциальная зависимость величины интенсивности кожного кровотока (перфузии крови) от средней температуры охлаждаемых кожных покровов; 3) линейная зависимость от логарифма времени логарифма отношения скорости уменьшения температуры поверхности кожи к величине теплового потока, отводимой конвекцией и излучением плотности.

229-243 195
Аннотация

Система энергоснабжения современных робототехнических комплексов требует разработки электромеханических преобразователей энергии с высокими энергетическими и минимальными массогабаритными показателями. В связи с этим в качестве перспективной энергоустановки рассматривается свободнопоршневой двигатель с электрическим генератором.

Интерес к исследованию энергоустановок на базе свободнопоршневых двигателей обусловлен рядом преимуществ в сравнении с классическими двигателями внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом: относительной простотой конструкции; на 40 % меньшим количеством элементов, что в 2,5–3 раза увеличивает габаритную мощность, удельную массу и металлоемкость свободнопоршневого двигателя; сниженным на 30 % расходом топлива. Также важное конструктивное преимущество энергоустановок на базе свободнопоршневых двигателей – это сравнительно легкое их модульное исполнение. В разрабатываемых энергоустановках на базе свободнопоршневых двигателей зарубежных стран (США, Россия, Германия, Китай, Великобритания, Япония, Швеция, Израиль
и др.) в качестве электрической машины переменного тока чаще всего применяются возвратно-поступательные электрические генераторы с поперечным приращением магнитного потока. Основным недостатком такого типа генераторов являются отсутствие согласования электрической и механической подсистем энергоустановки в крайних точках рабочего цикла, что ограничивает эффективность использования свободнопоршневого двигателя и снижает надежность энергоустановки.

Для решения этой проблемы было предложено использовать электромеханический преобразователь энергии с поперечным и продольным приращением магнитного потока (комбинированный генератор). Однако в настоящее время отсутствует научно обоснованная методика синтеза такого типа генератора. С целью решения этой задачи была разработана методика структурно-параметрического синтеза комбинированного генератора возвратно-поступательного типа для энергоустановки на базе свободнопоршневого двигателя, основанная на использовании удельной массы комбинированного генератора в качестве целевой функции, что позволяет синтезировать электрическую машину возвратно-поступательного типа с заданным КПД и минимальной удельной массой.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

244-249 191
Аннотация

Загрязнение монокристаллического кремния технологическими примесями в процессе изготов- ления приборов оказывает существенное влияние на электрофизические характеристики биполярных n–p–n-тран- зисторов. Выявление причин лабильной воспроизводимости основных характеристик биполярных планарных n–p–n-транзисторов является актуальным с целью установления факторов, определяющих надежность и стабильность эксплуатационных параметров интегральных микросхем. Исследованы вольт-амперные характеристики различных партий биполярных n–p–n-транзисторов, изготовленных по эпитаксиально-планарной технологии по аналогичным технологическим маршрутам, при идентичных используемых технологических материалах, однако в различное время. Установлено, что электрофизические характеристики биполярных n–p–n-транзисторов существенным образом зависят от содержания технологических примесей в материале подложки. Наличие высокой концентрации генерационно-рекомбинационных центров, связанных с металлическими примесями, приводит как к увеличению обратного тока через переход коллектор–база транзисторов, так и к существенному снижению напряжения пробоя коллек- торного перехода. Наиболее вероятной причиной ухудшения электрофизических параметров биполярных n–p–nтранзисторов является загрязнение материала технологическими примесями (такими, как Fe, Cl, Ca, Cu, Zn и др.) во время производственного процесса изготовления приборов. Источниками загрязнений могут служить как детали и узлы технологических установок, так и используемые материалы и реактивы.

250-256 176
Аннотация

Приводится моделирование взаимодействия электромагнитных волн в режиме видеоимпульсных сигналов со средой над углеводородными залежами. Осуществлен анализ спектров отраженных видеоимпульсных сигналов от среды над углеводородами. Исследование распространения радиоволн над углеводородами проводится в рамках квазигидродинамического приближения. Выбор частот видеоимпульсных сигналов обусловлен определением характеристик сред над залежами на больших глубинах по сравнению поверхностью Земли. Спектр отраженных сигналов от анизотропной среды над углеводородной залежью в режиме видеоимпульсных сигналов может быть использован для определения электродинамических характеристик среды над залежью в широком диапазоне частот зондируемых сигналов, диэлектрических проницаемостей и удельных проводимостей сред. Возможность перестройки устройства георазведки с одного режима на другой (регулировка длительности импульса) при наличии залежи дополняет функциональные возможности для поиска углеводородных залежей. Электромагнитные методы поиска и идентификации углеводородов могут быть усовершенствованы за счет получения информации об объектах по нескольким информационным каналам, что позволяет с достаточно высоким уровнем достоверности выделять их границы на фоне подстилающей среды. Определены глубины залегания, разрешающая способность в исследуемом диапазоне частот. Результаты исследований могут быть использованы для разработки новых электромагнитных методов поиска углеводородных залежей.



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