Preview

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

Расширенный поиск
Том 64, № 2 (2019)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-2

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ

135-142 202
Аннотация

Рассмотрен возможный способ введения наноразмерных порошков в энергонасыщенные гетерогенные композиционные материалы (ЭГКМ). На примере полидисперсного наноразмерного углерода изучены основные способы введения наноразмерных компонентов в дисперсные и высоковязкие коллоидные системы, проведена оценка их эффективности, выявлены ограничения. Установлены основные факторы, влияющие на равномерность распределения наноразмерных компонентов в объеме композиционного материала, и пути нивелирования их влияния. Предложена технологическая схема повышения равномерности распределения наноразмерных компонентов за счет их предварительного осаждения на поверхность превалирующей по количеству дисперсной составляющей материала при одновременном ограничении роста ее удельной поверхности. Данный процесс может использоваться в качестве способа последующего снижения вязкости энергонасыщенного гетерогенного композиционного материала на стадии смешивания его жидкой и твердой фаз.

Исследованы степень изменения фактора формы, удельной поверхности и распределения наноразмерной алмазосодержащей добавки по поверхности частиц аммониевой соли хлорной кислоты в зависимости от режимов смешивания компонентов в гравитационном смесителе. Установлены приемлемые технологические режимы смешивания.

Определены основные задачи дальнейшего исследования явлений, возникающих на границе фаз при введении в дисперсную среду изготавливаемого ЭГКМ наноразмерных добавок.

143-156 147
Аннотация

На  разработанной  экспериментальной  установке  исследовано  влияние  ультразвуковых  колебаний (УЗК) на температуру и скорость горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) в системе Ti–B и структурно-фазовые состояния полученных боридов. Влияние УЗК на СВС разделено на тепловое и физическое (нетепловое).  Тепловое  воздействие  связано  с  охлаждением  поверхности  образца  из-за  возникновения  вынужденной конвекции окружающего газа, а физическое – с влиянием УЗК на комплексные процессы взаимодействия в волне СВС, такие как растекание расплава, гетерогенные реакции и массоперенос в жидкой фазе. Наложение УЗК на СВС-процесс приводит к изменению фазового состава продуктов синтеза. Для шихты состава Ti–1,0В содержание орторомбической модификации фазы TiB увеличивается от 78,2 % без УЗК до 82,9 % при амплитуде УЗК ξ = 10 мкм, а содержание кубической модификации этой фазы уменьшается с 9,2 % при ξ= 0 до 6,8 % при ξ = 10 мкм. Для всех исследованных составов количество остаточного титана и фазы Ti3B4 уменьшается, а содержание фазы TiB2 увеличивается. Установлено, что проведение СВС в поле УЗК приводит к изменению удельной теплоемкости конечных продуктов синтеза: при увеличении амплитуды УЗК она возрастает на 4–5 %. Таким образом, показано, что наложение УЗК на СВС является эффективным физическим методом целенаправленного регулирования структурно-фазовых состояний и, следовательно, свойств продуктов синтеза и может быть использовано в качестве средства управления процессом синтеза.

157-165 150
Аннотация

Приводятся результаты исследования влияния добавок ультрадисперсных алмазов (УДА) с различным функциональным составом поверхности в кислотный электролит для формирования покрытий из пористого анодного оксида алюминия на поверхности подложек из сплава алюминия АМг-2 путем электрохимического окисления. УДА модифицировались последовательной термообработкой при 40 °С и 120 °С. Результаты модификации поверхности УДА контролировались методом ИК-спектроскопии. Анализ модифицированной поверхности проводился с помощью микротвердомера типа ПМТ-3, атомно-силового микроскопа SolverPro P47 и экспериментального электрометрического прибора. Отмечается повышение микротвердости и износостойкости покрытий из анодного оксида, сформированных на подложках из алюминиевого сплава, после различных постростовых термообработок. Показано, что, используя комбинированный способ, который основан на легировании анодного оксида алюминия в процессе синтеза модифицированными УДА и постростового отжига покрытий в вакууме при Т = 500 °С, можно создать композиционный материал, обладающий в 2 раза более высокой твердостью и в 3 раза более высокой износостойкостью по сравнению с исходным покрытием. Результаты исследований могут быть использованы при создании нового поколения радиационно-стойких теплоотводящих оснований, нано- и микромеханических устройств, элементов пассивной и активной электроники, высококачественных деталей для космических аппаратов и спутников на современных композиционных материалах.

166-174 172
Аннотация

Рассмотрены механизмы упрочнения металлической матрицы частицами наноразмерного наполнителя. Выполнен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений предела прочности для образцов на основе медной матрицы и углеродных нанотрубок (УНТ). Представлены линейная и среднеквадратическая модели упрочнения композиционных материалов с наноразмерным наполнителем. Показано, что применение среднеквадратической модели обеспечивает получение значений предела прочности близких к экспериментальным при концентрации УНТ в материале до 0,07 мас.%. Установлено, что по критерию прочности оптимальным содержанием УНТ в материале является 0,07 мас.%. С увеличением содержания УНТ в материале свыше 0,07 мас.% значения предела прочности, определенные экспериментальным путем, резко снижаются, что связано с разупрочнением металлической матрицы. Расчетным путем продемонстрировано, что механизм образования петель Орована является преобладающим механизмом упрочнения композиционных материалов медь – УНТ. Преобладание механизма упрочения за счет образования петель Орована над другими механизмами упрочнения объясняется относительно низкой эффективностью передачи нагрузки между исходными компонентами материала из-за слабой межфазной связи между матрицей и наполнителем, недостаточно равномерным распределением УНТ в металлической матрице, агломерацией наноразмерного наполнителя, расположением некоторого количества УНТ в поровом пространстве металлической матрицы, наличием пор неправильной формы. Результаты исследований использованы при разработке новых антифрикционных композиционных материалов с улучшенными прочностными свойствами для узлов трения машин и механизмов различного назначения.

МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА

175-181 146
Аннотация

Особенность поперечно-клиновой прокатки одним инструментом заключается в том, что заготовка деформируется одним инструментом и не поддерживается инструментом с противоположной стороны. За пределами контакта заготовки с инструментом по обе стороны инструмента заготовка фиксируется парами верхних и нижних плашек, посредством которых ось заготовки удерживается в постоянном положении. Такие условия прокатки качественно изменяют очаг деформации и, как следствие, напряженно-деформированное состояние.

Качественно оценено изменение напряженно-деформированного состояния путем сравнения полей линий скольжения при традиционной поперечной прокатке двумя инструментами и поперечной прокатке одним инструментом. В отличие от поперечной прокатки двумя инструментами, поперечная прокатка одним инструментом увеличивает на контакте нормальное и среднее напряжение на 7,8–14,5 %, изменяет среднее напряжение в осевой области образца с растягивающего на сжимающее. Это обстоятельство значительно увеличивает ресурс пластичности и позволяет прокатывать металлы с ограниченной пластичностью без вскрытия осевой полости. Методом компьютерного моделирования проведены сравнительные исследования влияния схемы поперечно-клиновой прокатки традиционного процесса и одним инструментом на напряженно-деформированное состояние в осевой области заготовки.

182-189 135
Аннотация

Сформулированы определяющие уравнения для случая, когда точка процесса располагается в сингулярной точке девиаторного сечения поверхности текучести. Выбран основной параметр упругопластического материала Мурнагана – относительная часть рассеиваемой удельной мощности деформации. Эта величина зависит от вида напряженно-деформированного состояния, скорости деформации и истории нагружения материала. Данная зависимость обусловлена рациональным выбором параметра роста упругой деформационной анизотропии с учетом базовых экспериментов. Разработаны комплексы программ на языке ФОРТРАН и выполнено численное моделирование процесса чистого сдвига. Представлены результаты расчетов процесса, проведенного до момента разрушения материала согласно предложенному нестандартному критерию разрушения. Описано явление увеличения пластичности материала для чистого сдвига при приложенном высоком гидростатическом давлении. Подтверждены опытные данные Бриджмена о наличии пороговой величины давления для труднодеформируемых металлов.

ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

190-204 296
Аннотация

Раскрыта перспектива использования в ядерных реакторах топлива в виде микротвэлов – шариков из делящегося материала диаметром порядка миллиметра, покрытых защитной оболочкой для удержания радиоактивных продуктов деления. Отмечено, что сыпучесть, большая удельная поверхность теплосъема, необычайно высокая стойкость микротвэлов позволяют на их базе проектировать инновационные безопасные реакторы различного целевого назначения (транспортабельные, бридеры, высокотемпературные, высокопоточные и т. д.). Предложена комплектация активной зоны реактора с насыпными тепловыделяющими сборками. В них гармонично сочетаются достоинства микротвэлов с преимуществами бокового подвода теплоносителя к топливному слою с помощью проницаемых распределительного и отводного каналов. Представлена схема насыпной сборки и проведен анализ моделирования динамики потока в проницаемых каналах. Показано, что существующее математическое описание движения теплоносителя в них отличается неоднозначностью и противоречивостью. Для устранения недостатков в моделировании построен новый кинематический образ течения в проницаемом канале взамен существующего, представляющего собой струю, к которой на проницаемой стенке непрерывно присоединяются или отделяются от нее частицы теплоносителя. Движение в проницаемом канале в новой трактовке рассматривается как поворот потока при одновременном его расширении или сужении в зависимости от того, происходит в канале отток или приток. На основании такого представления получено уравнение изменения давления теплоносителя в проницаемом канале, определена реакция потока на приращение расхода, описана величина касательной составляющей вектора скорости на проницаемой стенке, тем самым устранены недостатки описания движения теплоносителя в каналах насыпной сборки. Полученные результаты могут также использоваться при проектировании других технических устройств, содержащих проницаемые каналы.

205-214 132
Аннотация

При разработке новых или модернизации существующих энергоемких подвижных объектов (ПО) основным способом обеспечения оптимальных параметров качества питающего напряжения является завышение мощности первичного источника (ПИ) в 1,5–2 раза по отношению к максимальной мощности всех потребителей электрической энергии (ПЭЭ) ПО. Следствием существующего подхода определения мощности ПИ являются: завышение массы и габаритов системы автономного электроснабжения (САЭС) на 30–70 %, что существенно снижает скоростные характеристики, показатели проходимости и длительность автономной работы ПО, а также ухудшают экономичность САЭС; загруженность ПИ САЭС не более чем 35–55 % от номинальной мощности, что приводит к сокращению их сроков службы. Таким образом, невозможно учесть особенности реального токопотребления отдельных ПЭЭ и влияние их совместного функционирования на конкретные ПИ САЭС, что приводит к дополнительным финансовым затратам и увеличению сроков разработки, а также к риску отказа в процессе испытаний как САЭС, так и подключаемого к ним оборудования.

Предложенный подход оценки мощности ПИ электрической энергии в САЭС ПО позволяет определить полную мощность ПЭЭ в условиях ограниченной информации о них с учетом характера графика нагрузки, а также величины и формы токопотребления. В результате аналитических расчетов согласно приведенной методике мощность ПИ ПО может быть снижена на 13–45 % в зависимости от характера нагрузки при сохранении показателей качества питающего напряжения в допустимых пределах.

Рассмотренные способы расчета мощности ПИ САЭС позволят определить ограничения для решения задачи структурно-параметрического синтеза САЭС и алгоритма оценки мощности ПИ при разработке новой или модернизации существующей САЭС ПО. Это позволит снизить массогабаритные параметры САЭС, тем самым повысить скоростные характеристики, маневренные возможности и показатели проходимости ПО, а также длительность автономной работы и экономичность функционирования САЭС.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

215-231 258
Аннотация

Разработан алгоритм сегментации изображений атомной силовой микроскопии (АСМ), использующий волновое выращивание областей вокруг локальных максимумов в результате присоединения к ним соседних пикселов, выбираемых в порядке убывания значений. Сущность алгоритма состоит в использовании порога яркости, постепенно изменяющегося от максимума к минимуму, для выбора точек роста или для присоединения к существующим областям. Особенностями разработанного алгоритма сегментации являются итеративно расширяемые границы, выбор начальных точек роста и точек, присоединяемых к областям с ориентацией на значения порога с постепенным снижением от максимума к минимуму. Указанные особенности позволили устранить ошибки, характерные для алгоритмов маркерного водораздела, выращивания областей и водораздела по классическому алгоритму Винсента–Солли, которые обычно используются при сегментации АСМ-изображений. Разработанный алгоритм сравнивался со следующими стандартными алгоритмами: классический алгоритм водораздела, маркерный водораздел, выращивание областей. Сравнение проводилось на тестовых и оригинальных АСМ-изображениях. Алгоритмы реализовывались на Matlab и С++. Для количественной оценки ошибок сегментации использовался набор бинарных масок. Эксперименты показали, что разработанный алгоритм обеспечивает выделение границ областей без ошибок и более высокую скорость сегментации в сравнении с алгоритмами выращивания областей и водораздела Винсента–Солли. Полученный результат может быть использован для обработки АСМ-изображений поверхностей неорганических материалов в субмикро- и наноразмерном диапазоне.

232-239 125
Аннотация

В радиолокационных станциях (РЛС) с линейным сканированием луча угловая разрешающая способность определяется шириной диаграммы направленности антенны. Традиционным путем ее увеличения является повышение размеров апертуры антенны, что ограничивается техническими возможностями. Достичь увеличения угловой разрешающей способности можно путем использования специальных методов обработки принятых сигналов, позволяющих синтезировать диаграмму направленности с желаемой шириной. Цель работы состояла в разработке метода синтеза диаграммы направленности в РЛС с линейным сканированием луча и амплитудной обработкой сигналов. Предлагается метод синтеза диаграммы с заданной шириной, определяемой расстоянием между нулями первых боковых лепестков. Это достигается путем одновременной весовой обработки задержанных во времени сигналов на выходе приемника и их суммирования. Метод синтеза диаграммы основан на выборе критерия оптимальности путем минимизации квадратичной функции потерь. В состав функции входит слагаемое, обеспечивающее минимизацию дисперсии шумов на выходе приемника, а также слагаемые, учитывающие линейные ограничения на амплитуду диаграммы направленности и ее ширину. Решение задачи осуществляется на основе метода неопределенных множителей Лагранжа с линейными ограничениями. Получены структурная схема формирования диаграммы направленности, соответствующая схеме трансверсального фильтра, и уравнения для нахождения ее оптимальных параметров. Возможности метода показаны на модельных примерах синтеза диаграмм направленности при различном числе каналов измерений. Полагается, что исходная диаграмма описывается гауссовой функцией. Рассмотрены случаи равномерного и неравномерного положения исходных лучей в диапазоне ширины исходной диаграммы. Исследована зависимость отношения сигнал/шум от количества диаграмм направленности и амплитуд боковых лепестков.

ДИАГНОСТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

240-252 156
Аннотация

Выполнено исследование потенциальной газодинамической опасности Краснослободской разломной зоны Старобинского месторождения калийных солей. Оно проводилось с учетом существующих представлений о механизме образования очагов газодинамических явлений в соляном породном массиве месторождения, а также результатов сейсмо- и гидрогеологических исследований указанной разломной зоны и выявленных закономерностей распределения газодинамических явлений по площади месторождения. В процессе исследования установлены особенности геологического строения Краснослободской разломной зоны в верхней соляной толще, содержащей пласты полезного ископаемого. Выявлены особенности механизма эволюции гидродинамических систем в разломной и приразломной зонах. Установлено, что функциональная система галогенного метасоматоза в указанных зонах породного массива не была экранированной, вследствие чего зона поглощения гидродинамической системы располагалась в породах глинисто-мергелистой толщи, расположенной выше верхней соляной толщи и горизонтов возможного ведения горных работ, а трещиноватые, брекчированные породы разломной зоны обеспечивали фильтрацию газа из системы пустот, образовывавшихся в процессе эволюции гидродинамических систем. По результатам исследования сделан вывод, что в Краснослободской разломной зоне в пределах верхней соляной толщи отсутствовали условия формирования опасных очагов газодинамических явлений, таких как внезапные выбросы соли и газа, отжимы призабойной части пород и обрушения пород кровли. Следовательно, существует возможность безопасного ведения горных работ, таких как проходка пересекающих выработок и вскрывающих уклонов через разломную зону.

УЧЕНЫЕ БЕЛАРУСИ



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