СОДЕРЖАНИЕ

Воздействие потоков энергии на материалы

А. Ф. Банишев

Исследование распространения теплового фронта и деформаций в металлической пластине

при воздействии лазерного импульса и механического удара................................................................................................5

Исследовано распространение тепла и термодеформаций в тонкой металлической пластине из нержавеющей стали при воздействии лазерного импульса. Визуализация распространения тепла и термодеформаций проведена с помощью тепловизора и термо[1]механолюминесцирующего композиционного материала, приготовленного на основе полимера и порошка люминофора и нанесенного на поверхность исследуемой пластины. По термолюминесценции композиционного слоя определена скорость распространения тепла в пластине. Также исследованы деформации, возникающие в результате удара и пробоя пластины байком с коническим наконечником, с помощью механолюминесценции композиционного слоя нанесенного на поверхность пластины. Показано, что используемый композиционный материал позволяет с хорошим пространственным и временным разрешением визуализировать скорость распространения и распределение температуры в области воздействия лазерного импульса и механические напряжения и деформации в зоне разрушения (разрыва) металлической пластины при ударном воздействии.

Ключевые слова: композиционные материалы, лазерное воздействие, деформации, термолюминесценция, механолюминесценция, визуализация процесса разрушения материалов.

DOI: 10.30791/0015-3214-2022-5-5-11

Плазмохимические способы получения и обработки материалов

А. А. Николаев, А. В. Николаев, Д. Е. Кирпичёв

Испарение оксидов кремния и титана при плазменно-дуговом плавлении кварц-лейкоксена..........................................12

Исследовано получение синтетического рутила путём селективного испарения оксида кремния из кварц-лейкоксена Ярегского месторождения при плазменно-дуговом плавлении. Плавки осуществляли при атмосферном давлении дугой прямой полярности в лабораторной печи при мощности 9 – 16 кВт диффузной дугой с распределённым пятном нагрева и контрагированной дугой с высокой плотностью теплового потока в материал. Показано, что под воздействием контрагированной дуги происходит интенсивное испарение материала, при котором скорость испарения примерно на порядок превышает таковую при плавке диффузной дугой, а удельная энергоёмкость испарения, напротив, на порядок ниже. Вместе с тем, при плавке контрагированной дугой продукты испарения содержат значительное количество титана, тогда как при плавке диффузной дугой содержание титана в продуктах испарения пренебрежимо мало. По этой причине практическую реализацию селективного испарения оксида кремния целесообразно осуществлять диффузной дугой. Диаметр ванны следует выбирать равным диаметру анодного пятна дуги. Для печей промышленного масштаба диаметр анодного пятна прямо пропорционален мощности печи. Так, для печи мощностью Р = 5 МВт он составляет d_a ≈ 5 м. Энергоёмкость испарительного процесса р_g снижается при увеличении мощности печи. При Р = 5 МВт р_g = 14,5 ГДж на 1 т испарённого SiO₂, а суммарные энергозатраты на производство рутила равны р_Σ = 26 ГДж/т.

Ключевые слова: плазма, дуга, расплав, кварц-лейкоксен, оксид, испарение.

DOI: 10.30791/0015-3214-2022-5-12-20

Функциональные покрытия и обработка поверхности

Е. О. Насакина, А. Д. Попова, М. А. Каплан, А. Б. Михайлова, М. А. Сударчикова,

Д. А. Новикова, К. В. Сергиенко, А. Г. Колмаков, М. А. Севостьянов

Исследование влияния параметров поверхностного слоя тантала на уровень его рентгеноконтрастности ............21

Методом магнетронного распыления получены нано- и микроразмерные поверхностные слои тантала на проволочных и плоских подложках из NiTi, структуру и состав которых определяли с помощью сканирующей электронной микроскопии и Оже-спектроскопии. С увеличением времени распыления толщина поверхностного слоя нелинейно возрастает, что ведет к изменению рентгеноконтрастности материала относительно подложки. На основе расчета коэффициента линейного ослабления рентгеновского излучения показано, что слоистый композит в виде пластины с поверхностным слоем только с одной стороны можно условно представить как многокомпонентный монолит, но при округлом сечении образца сплошной поверхностный слой, окружающий его со всех сторон, оказывает бóльшее влияние на рентгеноконтрастность.

Ключевые слова: композиционные материалы, тантал, нитинол, биомедицинские материалы, наноматериалы, коррозионная стойкость, эффект памяти формы, сверхэластичность, рентгеноконтрастность.

DOI: 10.30791/0015-3214-2022-5-21-30

Д. Р. Таминдаров, А. М. Смыслов, А. В. Сидельников

Влияние состава электролита на процесс электролитно-плазменного полирования

титановых сплавов..................................................................................................................................................................31

Исследовано влияние состава электролита на достижение эффекта полирования титановых сплавов при реализации процесса электролитно-плазменного полирования. Исследования проведены на примере полирования титанового сплава ВТ6 в трехкомпонентном водном электролите, содержащем NaF, NH₂OH·HCl и KCl. Показано, что в зависимости от соотношения концентрации солей-протолитов NaF и NH₂OH·HCl на обработанной поверхности может наблюдаться либо образование оксидных пленок, либо их анодное растворение в присутствии лиганда с получением чистой неанодированной поверхности металла, сопровождаемое снижением шероховатости (эффект полирования). Установлено, что эффект полирования достигается при определенном соотношении NaF и NH₂OH·HCl, обеспечивающем образование в нем фтороводорода в количестве, достаточном для растворения образующихся на обрабатываемой поверхности оксидных пленок.

Ключевые слова: электролитно-плазменная обработка, электролитно-плазменное полирование, титановые сплавы, шероховатость.

DOI: 10.30791/0015-3214-2022-5-31-38

Композиционные материалы

Э. Л. Дзидзигури, А. А. Васильев, Д. Ю. Ожерелков, И. А. Пелевин,

Б. О. Зотов, Л. В. Федоренко, А. А. Громов

Термическое разложение химически осажденного нанопорошка гидроксида алюминия..................................................39

Подробно рассмотрены процессы фазообразования нанопорошка оксида алюминия в ходе термического разложения химически осажденного гидроксида алюминия. Показано, что осажденный гидроксид алюминия имеет чешуйчатую морфологию со средним диаметром частиц 5,5 нм и характеризуется сложным фазовым составом. По результатам дифференциально-термического анализа установлено, что свежеосажденный гидроксид алюминия состоит из двух фаз — байерита α-Al(OН)₃ и оксигидроксида алюминия AlООН, термическое разложение которых приводит к образованию γ-Аl₂O₃ с равноосной формой частиц и средним размером 7 нм.

Ключевые слова: оксид алюминия, термическое разложение, фазовые переходы, термогравиметрический анализ.

DOI: 10.30791/0015-3214-2022-5-39-46

Новые методы обработки и получения материалов с заданными свойствами

Д. О. Стрюков, В. М. Кийко

Исследование зависимости прочности при изгибе от длины и диаметра

сапфировых волокон, полученных методом Степанова.......................................................................................................47

Проведены испытания на изгиб сапфировых монокристаллических волокон диаметров от 220 до 410 мкм при комнатной температуре. Получены экспериментальные зависимости деформации при разрушении и прочности волокон от длины для различных диаметров поперечного сечения. С помощью статистического распределения Вейбулла определены параметры этих зависимостей, на основе которых проанализированы зависимости прочности и деформации волокон при разрушении от их диаметра при различных длинах. Установлено, что возрастание прочности происходит с ростом диаметра волокна. Показано, что при длине волокна 1 мм зависимость прочности волокна от его диаметра является наиболее крутой, зависимости “выглаживаются” с ростом длины волокна вплоть до 100 мм.

Ключевые слова: сапфировые волокна, изгиб, длина, диаметр, прочность, деформация при разрушении.

DOI: 10.30791/0015-3214-2022-5-47-52

И. В. Пономарев, Е. А. Трусова, А. М. Афзал

Синтез нанокомпозита графен-СеО2 с использованием додециламина.............................................................................53

Предложен способ синтеза наноструктурированных композитов на основе графена и СеО₂, сочетающий в себе золь-гель и сонохимический приемы. Особенностью способа является то, что при содержании графена не более 2 масс. % достигается равномерное его распределение в объеме материала без образования примесной фазы. Кроме того, в синтезе использован бескислородный графен с толщиной листов 3 – 5 нм в виде суспензии, полученной ультразвуковой эксфолиацией в подщелоченном КОН водно-спиртовом растворе додециламина. При формировании композита в смешанном коллоиде золь[1]гель переход и последующая кристаллизация нано-СеО₂ происходят на листах графена. Однако химического взаимодействия последнего и СеО₂ в композите не наблюдается, что способствует сохранению sp² -электронной системы графена и, как результат, сохранению его уникальных электронных свойств. Графеновые листы формируют слоистую структуру агломератов композита и изолированные нанокристаллы СеО₂ оказываются инкорпорированными в эти разноориентированные слои. Установлено, что дисперсность СеО₂ в композите выше, чем в нанопорошке чистого СеО₂. Оценивая фазовую и химическую чистоту синтезированного композита, можно утверждать, что разработанный способ получения наноструктурированных порошков на основе графена и СеО₂ является перспективным в качестве основы экономичной и экологически приемлемой технологии производства исходных субстанций для мелкозернистой керамики электротехнического назначения.

Ключевые слова: бескислородный графен, нано-СеО2 , наноструктурированные композиты, золь-гель, сонохимия.

DOI: 10.30791/0015-3214-2022-5-53-62

Е. В. Матвеев, А. И. Гайдар, Б. А. Лапшинов, А. В. Мамонтов, В. В. Берестов

Температурная динамика карбонизации хлопковых волокон микроволновым излучением на воздухе..............................63

Методом спектральной пирометрии исследована динамика микроволнового нагрева на воздухе образцов из хлопковых волокон, предварительно обработанных раствором H₃PO₄. Микроволновой нагрев проводили в кварцевом реакторе открытого типа. Тепловые спектры нагреваемых образцов, по которым определялась их температура, фиксировали малогабаритным спектрометром HR2000+ в ближнем ИК диапазоне (650 – 1080 мкм). Установлено, что изменение температуры образца в процессе нагрева имеет три характерные области — низкотемпературную, область нестабильной температуры и область стабилизации температуры. Показано, что через 70 – 75 с от начала нагрева в локальных областях образца начинается процесс карбонизации. Обнаружен эффект образования “горячих точек”. Представлены результаты сравнительных исследований структуры и элементного состава образцов до и после микроволнового воздействия. Зафиксировано, что после 180 с нагрева волокна значительно истончаются, сохраняя целостность по длине. Карбонизированные волокна содержат значительное количество фосфора, концентрация которого максимальна в наружных слоях образца и составляет 15 – 20 %. Видеосъемка показала, что в процессе облучения на поверхности образца образуются извилистые щелевидные полости, внутри которых возникают электрические разряды и воспламенения, вносящие вклад в процесс его разогрева. Установлена зависимость интенсивности открытого горения образца от концентрации пропитывающего раствора H₃PO₄.

Ключевые слова: микроволновая обработка, хлопковые волокна, спектральная пирометрия, температурный режим, электронная микроскопия, рентгеновский микроанализ.

DOI: 10.30791/0015-3214-2022-5-63-74

Т. К. Нурубейли, А. М. Гашимов, Ф. Ш. Джафарова, З. К. Нурубейли, К. З. Нуриев,

С. И. Гасанова, П. Ш. Азизова, Х. Ф. Алиева, Н. Ш. Джафар

Способ очистки почвы и воды от тяжелых металлов и устройства для его осуществления.......................................75

Проведены исследования эффективности применения сильных электрических полей и разрядов для целенаправленной нейтрализации вредных выбросов. Разработан процесс очистки и нейтрализации почвы от тяжелых металлов, результаты количественного анализа образцов почв, взятых с нефтяных месторождений, донных отложениях реки Аракс, очищенных до и после обыкновенной водой. Содержание тяжелых металлов в исходных почвах превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК). Также выявлено превышение ПДК содержания Mn, Mo, Cu, Al в водах и донных отложениях реки Аракс. Установлена возможность очистки почвы от некоторых тяжелых металлов путем воздействия озонированной воды. Эксперименты по озонированию почвы и воды при напряжениях 8 кВ и 14 кВ в течение 30 минут, показали значительное уменьшение концентрации тяжелых металлов. Результаты очистки образцов почвы до и после обработки озонированной водой исследовали с использованием масс[1]спектрометрометрии с индуктивно связанной плазмой.

Ключевые слова: тяжелые металлы, почва, озон, масс-спектрометрический анализ, экология.

DOI: 10.30791/0015-3214-2022-5-75-83