Preview

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

Расширенный поиск
Том 66, № 1 (2021)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.29235/1561-8358-2021-66-1

90 ЛЕТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОМУ ИНСТИТУТУ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ 

7-11 96
Аннотация

Проведено исследование морфологии поверхности мишени кремния после лазерного воздействия, формирование и исследование наночастиц, полученных методом лазерной абляции ультракороткими импульсами инфракрасного диапазона. Для обработки материала использован лазер на алюмоиттриевом гранате (LS-2134D) с длиной волны 1064 нм, генерирующий в двухимпульсном режиме (импульсы разделены временным интервалом 3 мкс, длительность импульсов 10 нс, частота следования импульсов 10 Гц, энергия одиночного импульса ~ 0,05 Дж). Методом лазерной абляции получены спиртовые растворы наночастиц кремния. Показано, что формируется ансамбль частиц разного размера (от 20 нм до 2,5 мкм), которые не имеют огранки. Методом сканирующей электрон- ной микроскопии установлены особенности морфологии поверхности кратера поликристаллического кремния, находящегося в этиловом спирте, при импульсной лазерной обработке в режиме сдвоенных импульсов. Показано, что структура кратера состоит из зерен кремния, отделенных друг от друга канавками, испарение материала происходит по границам зерен, образуются широкие канавки термического травления. Полученные результаты могут быть ис- пользованы при создании солнечных элементов.

12-19 95
Аннотация

Рассмотрены проблемы применения некоторых стандартов, содержащих эталонные шкалы структур: ГОСТ 1763-68, 1778-70, 5640-68, 9391-80, 10 243-75, 13938.13-93, 22 838-77, 3443-87 (материалы: кислородная медь, трубные и конструкционные стали, чугун). Показано, что нормативная база стандартов для металлографического анализа морально устарела. Основной проблемой является несоответствие увеличения эталонов реальным структурам современных сплавов. В основном в эталонах микроструктур используется увеличение 100 крат, в частности, для анализа полосчатости структуры проката, видманштеттовой структуры, фосфидной эвтектики. Для анализа современных материалов требуется увеличение порядка 500…800 крат. Увеличение 360…400 крат, используемое в некоторых шкалах, также является недостаточным, например, для анализа структурно-свободного цементита. Также качество изображений структур, приведенных в стандартах, затрудняет их использование. Общим недостатком рассматриваемых стандартных шкал структур является отсутствие метрики на фотографиях, что не отвечает современному уровню металловедения и доставляет определенные неудобства при сравнении структур. Необходим пересмотр стандартов, регламентирующих структуру металлов и сплавов. Следует проводить исследования по разработке нового поколения стандартов, опираясь на реальные структуры современных промышленных сплавов. Также требуется разработка новых методов анализа структуры. Прежде всего это касается анализа в программах обработки изображений.

20-27 89
Аннотация

Представлен индукционный закалочный комплекс, предназначенный для поверхностной закалки определенной номенклатуры деталей, который разработан и функционирует в Физико-техническом институте НАН Беларуси. Приведен пример последовательности разработки технологии закалки, начиная от момента получения данных о закаленном слое конкретной детали до определения технологии закалки, типа используемого индуктора и необходимых параметров закалки, включая величину зоны нагрева и охлаждения, скорость взаимного перемещения детали и индуктора, а также тип и давление закалочной жидкости. Представлены примеры результатов моделирования различных процессов нагрева и охлаждения деталей с использованием программы UNIVERSAL 2D, предложен пример анализа полученных данных и возможные пути корректировки параметров нагрева с целью получения закаленных слоев деталей нужного размера и твердости. Отмечается важность этапа моделирования режимов нагрева, когда объектом обработки служат крупные заготовки. Так, недостаточная скорость охлаждения таких деталей может приводить к короблению, что имеет место при слишком высокой температуре закалки и глубине нагрева. Самоотпуск значительно влияет на значения твердости глубинных слоев детали. Различные комбинации режимов нагрева для одного вида деталей подбираются индивидуально – согласно требованию заказчика и типу используемого генератора. Показано, что с увеличением глубины зоны нагрева растет влияние процесса самоотпуска на формирование глубинных слоев.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ 

28-36 96
Аннотация

Фазовые превращения в легированных сплавах железа с углеродом в значительной степени связаны с диффузией компонентов, в первую очередь с углеродом. Для анализа диффузионных процессов в легированных сталях можно использовать математические методы неравновесной термодинамики. Уравнения для диффузионных потоков системы содержит неизвестные в общем случае коэффициенты активности элементов и вакансий и их производные по концентрациям, что чрезвычайно затрудняет определение значений перекрестных коэффициентов. В статье разработана неравновесная термодинамическая методика расчета диффузионных потоков при наличии двух фаз в легированных сталях. Она позволяет рассчитать в уравнениях Онзагера как прямые, так и перекрестные коэффициенты. Приведены формулы расчета термодинамических сил для легированной стали – железа, легирующего элемента замещения – хрома, элемента введения – углерода и вакансий. Предложены общие выражения для расчета перекрестных коэффициентов, движущих сил и потоков в уравнениях Онзагера для многокомпонентной термодинамической системы. Приведен пример использования разработанной модели для поиска изменений концентраций и диффузионных потоков во времени. Для используемой модельной системы установлено, что на стадии преимущественной диффузии углерода в легированной стали включения цементита размером около 18 нм образуются довольно быстро (в течение ~ 200 с). Разработанная в статье методика позволяет проводить расчеты диффузионной кинетики в многокомпонентных термодинамических системах, которыми также являются сплавы железо-углерод, и контролировать размер образующихся фаз, например наночастиц карбидов.

37-46 117
Аннотация

Методом электрохимического двухстадийного анодирования изготовлены матрицы на основе пористого анодного оксида алюминия (МПАОА). Диаметр пор после селективного травления барьерного слоя составлял 70; 50–75; 100–200 нм для толщин матриц 1,3–2,5; 70,0; 13,5–60,0 мкм соответственно. Заполнение пор матриц осуществлялось методом электрохимического осаждения Ni и Cu/CoNi. Исследования морфологии, магнитных, электрохимических свойств и удельного сопротивления магнитных структур в матрице проводили методом сканирующей электронной микроскопии, вибрационной магнитометрии, вольтамперометрии (линейная поляризация) и четырехзондовым методом соответственно. Исследование магнитных характеристик Ni-нанопроволок показало, что нанопроволоки в МПАОА обладают ферромагнитными свойствами, коэрцитивная сила достигает более 750 кЭ, а коэффициент прямоугольности – до 0,65. Изучение экспериментальных поляризационных кривых позволило сделать вывод, что МПАОА не только является основой для шаблонного синтеза, но и выполняет защитные функции. Многослойные Cu/CoNi нанопроволоки в матрицах МПАОА характеризуются отрицательным гигантским магнитосопротивлением (ГМС), которое критически зависит от соотношения «длина/толщина» нанопроволок, количества слоев и их толщины, качества границ раздела чередующихся слоев, химической чистоты. Результаты исследований продемонстрировали перспективность применения матриц из пористого анодного оксида алюминия в качестве основы для шаблонного синтеза функциональных ферромагнитных наноматериалов для использования в биомедицине, сенсорике, микро- и наноэлектронике.

47-57 89
Аннотация

Представлены результаты исследования композиционных материалов на основе порошка алмаз-лонсдейлитового абразива (АЛА) и различных связующих (механокомпозит Fe–Ti, карбид кремния SiC). С использованием импактных алмазов и наномеханокомпозита Fe–Ti получен металло-матричный композиционный материал с мультимодальной нано- и микроуровневой структурой, характеризующийся повышенной адгезией алмазных зерен к связке. Показано, что использование импактных алмазов по сравнению с синтетическими алмазами позволяет снизить давление термобарической обработки на 30–50 % при тех же температурах спекания. Применение композитов Fe–Ti–АЛА в процессе магнитно-абразивного полирования (МАП) позволяет повысить в 1,5–2 раза скорость съема материала на основе кремния и на 30 % сократить продолжительность обработки по сравнению с ферро-абразивным порошком (ФАП) на основе синтетических алмазов. Исследовано влияние добавки карбида кремния на процесс получения сверхтвердого композиционного материала импактный алмаз – SiC. Выяснено, что добавка SiC способствуют снижению дефектности материала и повышению однородности его структуры по сравнению с материалом без добавки связующего. При этом увеличение содержания SiC и Si приводит также к инверсии типа структуры сверхтвердого композита с поликристаллической на матричную. Установлено, что дополнительное использование сажи аморфной и бора влияет на измельчение структуры матрицы композиционного материала вследствие формирования карбида бора и вторичного мелкодисперсного карбида кремния.

МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА 

58-65 120
Аннотация

Обобщен опыт применения известных и новых сталей для повышения технологичности и прочности основных деталей машин, упрочняемых азотированием. Рассмотрены новые подходы к изготовлению зубчатых колес, упрочняемых азотированием как при использовании алюминийсодержащих сталей, так и нового материала – стали 40ХМФА. Для повышения работоспособности и технологичности производства деталей из широко используемой в машиностроении алюминийсодержащей стали 38Х2МЮА разработана принципиально новая технология предварительной термической обработки заготовок деталей – «неполная закалка», обеспечивающая как повышение обрабатываемости и точности крупногабаритных зубчатых колес, так и увеличение прочности из-за устранения хрупкости азотированного слоя. Высокая твердость азотированной поверхности деталей – до 900 НV – обеспечивает и высокую износостойкость деталей. Шестерни из новой алюминийсодержащей стали 20ХН4МФЮА, твердеющей на стадии азотирования, обладают характеристиками прочности, равными цементированным деталям, что позволяет не только повышать несущую способность ряда изделий, но и существенно упрощать технологию изготовления сложных по форме точных деталей, заменяя цементацию азотированием, исключая тем самым необходимую после цементации финишную операцию – шлифование. Сталь 40ХМФА, не содержащая алюминий, обладает повышенными показателями жаростойкости, прокаливаемости и обрабатываемости деталей, а также характеристиками их упрочненного слоя. Азотированный слой шестерен толщиной 0,5–0,7 мм не содержит хрупких составляющих, что при твердости сердцевины 300–320 НВ исключает его «шелушение» и последующее разрушение деталей. Применение стали 40ХМФА позволяет решать проблемы надежности и ресурса азотированных крупногабаритных зубчатых колес и является перспективным для всего ряда зубчатых колес с внутренним зацеплением, а также деталей подвижных шлицевых зацеплений. Указанные характеристики также в ряде случаев позволяют заменять цементацию шестерен (модуль менее 4 мм) азотированием при использовании стали 40ХМФА.

ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН 

66-75 80
Аннотация

Приведены результаты моделирования и экспериментального исследования тепломассопереноса в плотном продуваемом слое растительных материалов при циклическом микроволновом воздействии. Двумерная математическая модель состоит из уравнений сохранения массы газовой фазы, фильтрации, тепло- и массопереноса в фазах, которые учитывают внутреннее сопротивление переносу теплоты и влаги в частицах при определении коэффициентов тепло- и массоотдачи. При этом учитываются зависимости теплоты фазового перехода от влажности частиц, их усадки в процессе дегидратации, зависимости эффективных коэффициентов теплопроводности газа и диффузии пара от скорости фильтрации. В качестве примера приводится моделирование сушки нарезанного картофеля в плотном слое при циклическом СВЧ-конвективном энергоподводе. Показана возможность интенсификации процесса дегидратации влаги и сокращения его продолжительности по сравнению с конвективным способом. Выполнено сравнение расчетных данных с опытными данными, подтверждающее адекватность модели.

76-83 105
Аннотация

Представлен метод получения активированных углей (высокопористых углеродных материалов) на базе растительного (древесного) сырья с использованием разработанной и изготовленной экспериментальной установки, состоящей из парогенератора, пароперегревателя, камеры пиролиза и активации и охладителя с теплообменником с принудительной конвекцией. Проведен анализ особенности химической и физической активации древесного угля, получаемого путем пиролиза древесного сырья, и сделан вывод о преимуществе физической активации на основе применения водяного пара в качестве активирующего агента. Дано описание результатов экспериментальных исследований, выполненных с использованием разработанной установки. Эти результаты подтверждают выводы других исследований о том, что избыточное давление повышает массовый выход твердых продуктов, образующихся в процессе термохимической конверсии растительной биомассы. Установлено, что повышение давления, при котором осуществляется пиролиз, приводит к росту содержания углерода в древесном угле. Так, при повышении давления, при котором осуществлялся пиролиз, от 1 до 8 атм содержание углерода в древесном угле возрастало от 88,3 до 93,7 мас.%. Представлены данные по эффективности физической активации твердых продуктов пиролиза древесной биомассы с использованием водяного пара и сделан вывод о перспективности данного направления при разработке основ производства высокопористых углеродных материалов.

84-92 75
Аннотация

Рассмотрена возможность использования результатов аналитических решений дифференциальных линейных уравнений нестационарной теплопроводности с постоянными коэффициентами теплопереноса для расчета температуры материала при термической обработке кож. Термическая обработка натуральных кож как термочувствительных материалов проводится при мягких температурных режимах и высоком влагосодержании воздуха, при этом температура не претерпевает значительных изменений, а коэффициенты теплопереноса изменяются практически линейно. При использовании аналитических решений принималось, что при малых градиентах температуры по сечению тонкого тела термическим переносом вещества можно пренебречь и при значениях тепломассообменных критериев Био меньше единицы главным фактором, лимитирующим тепломассоперенос, является взаимодействие поверхности испарения тела с окружающей средой, и в решении дифференциального уравнения теплопроводности можно ограничиться одним первым членом бесконечного ряда. При этом была применена кусочно-ступенчатая аппроксимация всех теплофизических характеристик с постоянными значениями этих коэффициентов на расчетных временных интервалах, что позволяло учитывать изменение коэффициентов переноса на протяжении всего процесса термической обработки. Обработка опытных данных показала, что в малоинтенсивных процессах при достоверных значениях коэффициентов переноса в расчетах теплопереноса возможно использовать результаты решений дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности. Результаты исследования теплообмена при сушке кож подтверждают закономерности изменения температуры, установленные экспериментальным путем. Совместно с экспериментальными исследованиями процессов сушки аналитические исследования имеют большое практическое значение при разработке новых методов расчета тепломассопереноса во влажных телах.

ДИАГНОСТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ 

93-100 103
Аннотация

Установлены закономерности влияния влагосодержания керамзита на значения коэффициента отражения электромагнитного излучения (ЭМИ) данного материала в диапазоне частот 1–17 ГГц. Определена взаимосвязь размера фракций (размера пор) керамзита и рабочего диапазона частот образцов экрана ЭМИ. Показано, что увеличение в 2 раза влагосодержания керамзита с размерами фракций 1…4 и 10…20 мм обеспечивает расширение рабочего диапазона частот образцов экрана ЭМИ, выполненных на основе данного материала, при снижении значений коэффициента отражения исследуемых образцов в 1,7 и 3 раза соответственно. Установлено, что увеличение влагосодержания керамзита от 19 до 40 % при уменьшении его размера фракций с 10…20 по 1…4 мм и размера пор с 0,1…0,2 по 0,01…0,06 мм обеспечивает снижение значений коэффициента отражения образцов экрана ЭМИ на частотах 7,7–17,0 ГГц, увеличение размера фракций керамзита от 1…4 до 10…20 мм при увеличении размера его пор от 0,01…0,06 до 0,1…0,2 мм – на частотах 1,0–7,7 ГГц. Показано, что практическое использование указанных закономерностей позволяет формировать образцы экрана ЭМИ со значениями коэффициентов отражения от –2,8 до –22,0 дБ в диапазоне частот 1–17 ГГц, что позволяет рекомендовать их для использования при создании экранированных помещений.

101-109 97
Аннотация

Обосновано, что главные перспективы совершенствования изолирующих средств защиты дыхания связаны с химическим способом резервирования кислорода. Для повышения эффективности его использования необходимо задействовать ресурс мертвого слоя хемосорбента и предотвратить спекание гранул кислородсодержащего продукта под действием экзотермического тепла. Это достигается более быстрым импульсным пропусканием выдыхаемого воздуха через лобовые слои хемосорбента и его медленной фильтрацией через остальную часть регенеративного патрона. Для оценки эффективности такого технического решения построена математическая модель регенерации воздуха в изолирующем дыхательном аппарате с неравномерной скоростью фильтрации выдоха через регенеративный патрон. Получены зависимости от времени и координаты концентрации молекул СО2 в воздушном потоке и доли использования защитного ресурса регенеративного патрона. С помощью численных экспериментов определена оптимальная для предотвращения спекания гранул координата скачка скорости фильтрации воздушного потока. В зависимости от величины демпфирования давления на выдохе и вдохе для респиратора РХС определен прирост защитного действия аппарата и рассчитано снижение мощности источников экзотермического тепла в лобовых слоях кислородсодержащего продукта. Полученные результаты подтверждают эффективность рассматриваемых усовершенствований конструкции, благодаря чему могут быть повышены надежность изолирующих дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде и эффективность использования их защитного ресурса.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ 

110-116 76
Аннотация

Исследованы синдромные инварианты АГ-группы автоморфизмов кодов Рида–Соломона (РС‑кодах) – совместной группы аффинных и циклических подстановок. Найденные реальные инварианты представляют собой совокупность норм N Г-орбит, составляющих ту или иную АГ-орбиту. Нормы Г-орбит, как известно, являются векторами с 2 1 Cδ− координатами из поля Галуа – поля задания РС-кода, которые определяются всевозможными парами компонент синдромов ошибок. В таком виде инварианты АГ-орбит оказались громоздкими и тяжеловесными в обращении. Поэтому предложена компромиссная их замена на условные, частичные инварианты. Эти квази-инварианты получили название норм-проекций. Норма-проекция однозначно идентифицирует свою АГ-орбиту и потому служит адекватным инструментом для формулировки метода коррекции ошибок РС-кодами на основе АГ-орбит. Мощность АГ-орбит оценивается величиной N2, равной квадрату длины РС-кода. Поиск векторов-ошибок в передаваемых сообщениях новым методом сводится к перебору АГ-орбит, а реально – их норм-проекций, с последующим по- иском этих ошибок внутри конкретной АГ-орбиты. Следовательно, предложенный метод работает практически в N2 раз быстрее традиционных синдромных методов, действующих по принципу «синдром-ошибки», что, так или иначе, сводится к перебору всего множества корректируемых кодом векторов-ошибок до нахождения конкретного вектора.

117-128 72
Аннотация

Рассмотрены проблемы архитектурно-функционального построения и гетерогенная сетевая структура интеллектуальной системы управления производственно-технического назначения. Комплексное исследование интеллектуальной системы основано на современной парадигме конвергенции технических, алгоритмических и программных решений. Концепция конвергенции системных решений в технологии построения интеллектуальных систем предполагает оцифровку значений физических величин при сенсорных измерениях, а также однотипное отображение и последовательное преобразование значения каждого контролируемого пара- метра на определенном наборе шкал. Для решения этой задачи предложен функционально полный набор шкал: естественных значений измеряемых физических параметров; результатов сенсорных преобразований физических величин; результатов измерения параметров в формате целочисленных двоичных кодов; значений параметров в формате вещественных масштабированных двоичных чисел. На указанном наборе шкал построены унифицированные алгоритмы цифровизации результатов прямых измерений непрерывных параметров и их представления в форматах ρ-разрядных целочисленных двоичных кодов, а также преобразования измеряемых параметров в форматы вещественных масштабированных двоичных чисел и их отображения на шкалу естественных значений физических параметров. Специфицированы операции с оцифрованными физическими параметрами в трактах интеллектуальной системы: калибровка результатов косвенных измерений; оцифровка дискретных сенсорных сигналов; цифровая фильтрация результатов измерений; юстировка измерительных трактов; интеллектное управление исполнительными механизмами. Следствием применения положений конвергенции является схожее морфологическое строение, а также схематическая однотипность реализации информационных процессов и циклов управления в системах. Результаты анализа проблемы функционального построения интеллектуальной системы могут быть использованы при создании, например, гибридных систем промышленной автоматизации.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


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