СОДЕРЖАНИЕcsl.bas-net.by/xfile/v_fizt/2013/4/04v8s6.pdf · Гордиенко А. И....

1

СЕРЫЯ ФІЗІКА-ТЭХНІЧНЫХ НАВУК 2013 4

СЕРИЯ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК 2013 4

ЗАСНАВАЛЬНIК – НАЦЫЯНАЛЬНАЯ АКАДЭМIЯ НАВУК БЕЛАРУСI

Часопіс выдаецца са студзеня 1956 г.

Выходзіць чатыры разы ў год

СОДЕРЖАНИЕ

К 85-ЛЕТИЮ СО ДНЯ ОСНОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ

Гордиенко А. И. Физико-технический институт НАН Беларуси – традиции, достижения, перспективы . . 5 Марукович Е. И., Пумпур В. А. Институт технологии металлов НАН Беларуси: от фундаментальных ис-

следований к инновационным разработкам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Мигун Н. П., Новиков С. А. Развитие неразрушающего контроля и технической диагностики в Институ-

те прикладной физики НАН Беларуси . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ

Марукович Е. И., Стеценко В. Ю., Баранов К. Н. Влияние охлаждения отливок из заэвтектического силумина на их структуру при вертикальном центробежном литье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Есьман Р. И., Марукович Е. И. Расчет теплопереноса в контактной зоне отливки и формы . . . . . . . . . . . . 32Федосюк В. М. Магнитные нанометериалы и наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Поболь И. Л. Состояние и перспективы применения электронно-лучевых технологий в промышленности

Республики Беларусь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Шутова А. Л., Прокопчук Н. Р., Лещинская И. К., Винглинская Е. И. Влияние состава грунтовочных

композиций на электрохимическое поведение систем металл – покрытие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Национальная

академия наук

Беларуси

МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА

Баштовой В. Г., Рекс А. Г., Аль-Джаиш Таха Малик Мансур. Топологическая неустойчивость полу-ограниченной капли магнитной жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Акулович Л. М., Сергеев Л. Е., Бабич В. Е., Сенчуров Е. В., Шабуня В. В. Особенности технологии магнитно-абразивной обработки поверхности плафонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

Днепровская Н. М., Касюк Д. М., Лицкевич Д. Н., Рубин И. Е. Применение метода коррекции коэффи-циентов диффузии для нейтронно-физических расчетов реактора типа ВВЭР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Днепровская Н. М., Касюк Д. М., Лицкевич Д. Н., Рубин И. Е., Циунель Е. Ю. Методика восстанов-ления макрораспределения величин и наложения на соответствующие микрораспределения в ТВС реактора ВВЭР-1000 (ВВЭР-1200) с последующей визуализацией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Сорокин В. В. Расчет параметров толстого вращающегося слоя частиц в вихревой камере . . . . . . . . . . . . . 88Пашинский В. А., Бутько А. А., Молокович Е. М., Петровская В. В. Влияние изменения климата на

потребление тепловой энергии в г . Минск . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

Бородуля А. В., Соловьев А. Н., Напрасников В. В., Мирзаванд М. А. Построение спектра конечно-элементных моделей для принятия рациональных инженерных решений при ремонте морских платформ . . . . 101

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

Хатько В. В. Многослойные стеки Pd/Al2O3 и Pt/Al2O3 в термокаталитических газовых сенсорах на кремнии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Ерофеенко В. Т., Бондаренко В. Ф. Численное исследование взаимодействия электромагнитных полей электрического и магнитного диполей с композитным экраном . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

УЧЕНЫЕ БЕЛАРУСИ

Юрий Михайлович Плескачевский (К 70-летию со дня рождения) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

ИЗ ВЕСТ ИЯ НАЦ ИО НАЛЬ НОЙ АКА ДЕМИИ НАУК БЕ ЛА РУСИ 2013, 4

Сер ия физико-технических наук

На русском и бе ло русс ком язы ках

Тэх ніч ны рэ дак тар В . А . Т о ў с т а я Камп’ю тар ная вёрст ка Н . І . К а ш у б а

Зда дзе на ў на бор 27 .11 .2013 . Пад пі са на да друку 23 .12 .2013 . Выхад у свет 30 .12 .2013 . Фар мат 60×841/8 . Па пе ра аф сет ная . Друк лічбавы . Ум . друк . арк . 14,88 . Ул .-выд . арк . 16,4 . Ты раж 106 экз . За каз 265 .Кошт нумару: індывідуальная падпіска – 43 750 руб ., ведамасная падпіска – 106 698 руб .

Рэс пуб лі канс кае ўні тар нае прадп рыемст ва «Вы да вецкі дом «Бе ла рус кая на ву ка» . Пасведчанне аб дзяржаўнай рэгі-страцыі выдаўца, вытворцы, распаўсюджвальніка друкаваных выданняў 1/18 ад 02 .08 .2013 . Вул . Ф . Ска рыны, 40, 220141, г . Мінск . Пасведчанне аб рэгістрацыі часопіса 391 ад 18 .05 .2009 .

Надрукавана ў РУП «Выдавецкі дом «Беларуская навука» .© Вы да вецкі дом «Бе ла рус кая на ву ка»

Вес ці НАН Бе ла ру сі, се рыя фізіка-тэхнічных на вук, 2013



Беларуси

3

PROCEEDINGSOF THE NATIONAL ACADEMY OF

SCIENCES OF BELARUSPHYSICO-TECHNICAL SERIES 2013 N 4

FOUNDED BY THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF BELARUS

The Journal has been published since January 1956

Issued four times a year

CONTENTS

TO THE 85th ANNIVERSARY OF THE FOUNDATION OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF BELARUS

Gordienko A. I. The Physical-Techical Institute of NAS of Belarus − traditions, achievements, perspectives . . . . 5Marukovich E. I., Pumpur V. A. The Institute of Metal Technology of NAS of Belarus: from fundamental

research to innovative developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Migoun N. P., Novikov S. A. Development of non-destructive testing and technical diagnostics at the Institute of

Applied Physics of NAS of Belarus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

MATERIALS ENGINEERING, METALLURGY

Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Baranov K. N. Effect of cooling of hypereutectic silumin castings on their structure at vertical centrifugal casting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Esman R. I., Marukovich E. I. Calculation of heat transfer in the contact area of casting and mold . . . . . . . . . . . 32Fedosyuk V. M. Magnetic nanomaterials and nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Pobal I. L. Current state and trends of application of electron beam technologies in the industry of Republic

of Belarus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Shutova A. L. Prokopchuk N. R., Leschinskaja I. K., Vinglinskaya K. I. Influence of composition of undercoat

on electrochemical behaviour of metal-coating systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

MECHANICAL ENGINEERING AND MECHANICS

Bashtovoi V. G., Reks A. G., Al-Djaish Taha Malik Mansur. Topological instability of magnetic fluid semi-bounded drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Akulovich L. M., Sergeev L. E., Babich V. E., Senchurov E. V., Shabunia V. V. Technology features of magnetic abrasive machining of lampshade surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

POWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFER

Dneprovskaya N. M., Kasiuk D. M., Litskevich D. N., Rubin I. E. Neutronics calculation of VVER-type reactor by the method of diffusion coefficients correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Dneprovskaya N. M., Kasiuk D. M., Litskevich D. N., Rubin I. E., Tsiunel E.U. Method of macrodistribution values reconstruction and superposition of microdistribution and macrodistribution in a fuel assembly for VVER-1000 reactor (VVER-1200) with following visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Sorokin V. V. Calculation of thick rotating layer of particles in a vortex chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Pashynski V. A., Butko A. A., Molocovich E. M., Petrovskaya V. V. An impact of climatic changes on

consumption of thermal energy in Minsk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93



Беларуси

INFORMATION TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

Borodulya A. V., Soloviyov A. N., Naprasnikov V. V., Mirzavand M. A. Design of a set of finite elements models for making rational engineering solutions at repairing of offshore platforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

RADIOELECTRONICS AND INSTRUMENT-MAKING

Khatko V. V. Pd/Al2O3 and Pt/Al2O3 multilayer stacks in thermocatalytic gas sensors on silicon . . . . . . . . . . . . . . 108Erofeenko V. T., Bondarenko V. F. Numerical investigation of interaction of electromagnetic fields of electrical

and magnetic dipoles with composite screen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

SCIENTISTS OF BELARUS

Yury Mikhailovich Pleskachevsky (Оn his 70th birthday) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121



Беларуси

5

ВЕСЦІ НАЦЫЯНАЛЬНАЙ АКАДЭМІІ НАВУК БЕЛАРУСІ 4 2013СЕРЫЯ ФІЗІКА-ТЭХНІЧНЫХ НАВУК

К 85-ЛЕТИЮ СО ДНЯ ОСНОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ

УДК 620.1 + 621.7

А. И. ГОРДИЕНКО

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ НАН БЕЛАРУСИ – ТРАДИЦИИ, ДОСТИЖЕНИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ

Физико-технический институт НАН Беларуси

(Поступила в редакцию 05.11.2013)

В преддверии 85-летниего юбилея Национальной академии наук Беларуси подводит итоги и Физико-технический институт, созданный в 1931 г . и ставший первым в республике научно-исследовательским центром технического профиля . В дальнейшем из его состава выделились и продолжают успешно работать научные учреждения – Институт физики, Институт приклад-ной физики, Институт технической акустики, Институт технологии металлов .

Первым директором института был академик АН БССР Ц . Л . Бурстин (1931–1938 гг .) − из-вестный советский математик . В институте работали академики Н . С . Акулов, Г . А . Анисович, К . В . Горев (директор института в 1947−1948 гг .), С . И . Губкин (директор института в 1948–1955 гг .), А . И . Кайгородов, Е . Г . Коновалов, П . П . Прохоренко, В . П . Северденко (директор института в 1956–1970 гг .), А . Н . Севченко, Н . Н . Сирота, А . В . Степаненко, Б . И . Степанов, В . Н . Чачин (директор института в 1970–1983 гг .), П . И . Ящерицын, члены-корреспонденты М . Н . Бодяко, А . И . Вейник, Н . В . Румак, Э . И . Точицкий, Л . И . Гурский . Сегодня в институте работают акад . С . А . Астапчик (директор института в 1983–2002 гг .), акад . А . И . Гордиенко (директор института с 2002 г .), акад . В . В . Клубович, чл .-кор . А . В . Белый и А . П . Ласковнев .

В институте сформировались широко известные научные школы, сложились и активно рабо-тают творческие коллективы ученых, известных специалистов в области материаловедения и обработки материалов .

Систематические исследования в области прочности и пластичности материалов и обработ-ки металлов давлением начались с приходом в институт акад . АН БССР С . И . Губкина и акад . В . П . Северденко . Были проведены исследования процесса формообразования в очаге деформа-ции, выявлены закономерности и особенности пластической деформации в зависимости от усло-вий на контактной поверхности, изучены силовые параметры основных процессов обработки металлов давлением, физические закономерности образования рельефа и структуры поверх-ностных слоев, кинетики формирования дислокационной структуры металлов . На основе теоре-тических и экспериментальных исследований предложены новые способы обработки металлов с применением ультразвуковых и низкочастотных колебаний, разработаны высокоэффективные способы изготовления деталей машин и режущего инструмента пластическим деформировани-ем . Среди них горячее гидродинамическое выдавливание инструментальных сталей, прокатка листов из металлических порошков и гранул, получение волокнистых композиционных матери-алов и др .

Развитием деятельности Физико-технического института по этому направлению являются работы по совершенствованию существующих методов обработки металлов давлением и созда-



Беларуси

6

нию новых наукоемких технологических процессов, в том числе комбинированных, а также вы-сокопроизводительного современного оборудования для их реализации .

Научное направление поперечно-клиновой прокатки (ПКП) зародилось в ФТИ в 1969 г . Бело-русская школа исследователей и технологов метода ПКП по общепринятой оценке занимает одно из лидирующих мест в мире . Косвенным подтверждением этому служит обладание Физи-ко-техническим институтом тридцатью процентами изобретений в мире в данной области .

Нами разработана классическая теория ПКП, созданы технологии, оборудование и инстру-мент для деформирования при последовательном использовании различных схем напряженно-деформированного состояния . При этом максимально реализуется ресурс пластичности металла и обеспечивается получение изделия с улучшенной структурой, более высокими механически-ми свойствами за счет оптимизации корреляционных связей схемы напряженного состояния с реологическими свойствами деформируемого объекта .

Более 200 единиц оборудования для прокатки, созданных нами и нашими учениками, ра- ботают в 15 странах мира (рис . 1, а) . В последние годы под руководством канд . техн . наук В . Я . Щукина разработаны новые технологии горячей, теплой и холодной прокатки, комбиниро-ванные технологии, в том числе сварка давлением валов со слоями из однородных и разнород-ных металлов и сплавов [1] .

Под руководством акад . А . В . Степаненко получили развитие работы, связанные с созданием новых процессов обработки металлов давлением, в том числе и порошковых . К наиболее значи-мым следует отнести процесс получения малолистовых рессор, новизна которого заключается в стабильной продольной прокатке металлических полос переменного сечения с критическим рассогласованием окружных скоростей валков, при котором очаг деформации состоит из зон от-ставания и сдвига . Обеспечиваются снижение усилия давления до 40 % и значительное повыше-ние цикличной прочности полученных полос . При этом нагрев заготовки проводится один раз, что дает существенную экономию электроэнергии . Способ защищен авторскими свидетельства-ми и патентами в Республике Беларусь, Великобритании, США, Германии и находит примене-ние при создании новых технологий [2] .

Выполненные в ФТИ и получившие мировое признание пионерские работы д-ра техн . наук В . М . Сегала положили начало новому научному направлению в области интенсивного пласти-ческого формообразования . Изучение связи взаимного скольжения слоев металла в процессе деформирования с эффектом упрочнения привело к созданию нового метода деформирования металлов, получившего название равноканально-угловое прессование (РКУП) . Впервые теоре-тически и экспериментально обоснована возможность контролируемого получения ультрамел-козернистой структуры металлов и степени упрочнения, недостижимых другими методами, пу-тем многократного продавливания слитка металла через наклонные каналы с одинаковой пло-щадью поперечного сечения . В настоящее время научное направление по развитию метода, обладающего высокой эффективностью при получении объемных ультрамелкокристаллических полуфабрикатов и изделий с уникальным комплексом физико-механических и специальных

Рис . 1 . Гамма разработанного и производимого в Физико-техническом институте НАН Беларуси оборудования: а – комплекс поперечно-клиновой прокатки; б – оборудование для индукционного скоростного нагрева; в – магнитно-

импульсный пресс; г – установка ионно-плазменного азотирования



Беларуси

7

свойств, исследованию структуры, свойств и поиску новых приложений наноматериалов, полу-ченных путем РКУП, в институте успешно развивает канд . техн . наук В . И . Копылов совместно с коллегами из ведущих мировых научных центров [3] .

Успешно развиваются работы по совершенствованию и использованию метода безоблойной штамповки в закрытых штампах . В частности, на основе использования технологии высокоточ-ной штамповки организовано уникальное производство заготовок ответственных компонентов эндопротезов тазобедренных суставов и ревизионных эндопротезов (ножки, кольца чашек, фик-сирующих пластин, корпусов головок), которые поставляются ЗАО «Алтимед» – крупнейшему производителю медицинских имплантатов в Беларуси . Эта высокоэффективная разработка име-ет ряд неоспоримых преимуществ: увеличен коэффициент использования металла до 85%, улуч-шились механические свойства сплавов, достигнута высокая оперативность при освоении про-изводства новых видов и типоразмеров поковок . Кроме того, стоимость комплекта на 30–40% меньше, чем у зарубежных аналогов, что обеспечило импортозамещение на сумму более 3,0 млн € за последние два года .

Успешно развиваются работы в области металловедения, начало которым положено акад . К . В . Горевым . Созданы новые металлические материалы, способы их получения и термической обработки: исследованы фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах, определены ус-ловия получения высокопрочных чугунов, модифицированных графитизирующими и стаби- лизирующими элементами, разработаны новые эвтектические композиционные жаропрочные сплавы, литые композиционные материалы дисперсного типа, алюминиево-графитовые сплавы .

Теоретические исследования структурообразования в зависимости от компонентного соста-ва, условий выплавки и кристаллизации, тепловых и силовых воздействий позволили разрабо-тать в последние годы гамму жаропрочных, жаростойких, немагнитных, криогенных сплавов на железной основе, которые освоены в производстве ОАО «Белкард» (г . Гродно), Минского трак-торного завода, Бобруйского машиностроительного завода [4] .

Создано малотоннажное производство по металлургическому переделу высокочистых цветных металлов, в том числе в виде лома и отходов . Используя комплексную технологию, сочетающую ва-куумную плавку, направленную кристаллизацию, точное литье и пластическую деформацию, на опытном производстве ФТИ производятся и поставляются по прямым договорам распылительные катоды из алюминия, никеля, их сплавов, серебра, платины, полуфабрикаты из благородных метал-лов . С привлечением метода гидроударной штамповки изготавливаются сложнопрофильные плати-новые изделия: лабораторная посуда, элементы технологического оборудования и др .

Большое внимание уделяется созданию способов и технологий обработки материалов с ис-пользованием отходов и побочных продуктов действующих производств . Разработаны и внедре-ны на Минском моторном заводе комплексные процессы переработки стружки литейных алю-миниевых сплавов, шлака, образующихся в результате переплава алюминия и стружечных алю-миниевых отходов, широкая линейка огнеупорных покрытий, теплостойких футеровочных материалов, огнеупорных формовочных смесей и технологий их получения для индукционных печей, алюминиевые сплавы для поршней со вставкой усиления из легированного чугуна . Эко-номическая эффективность от внедрения технологий за последние пять лет превысила 3,2 млн дол . США . Одна из последних разработок – создание конструкции, поршневого материала на основе сплава АЛ25 и комплексной экспериментальной технологии получения отливки поршня двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с заданной структурой и галерейным охлаждением [5] . Использование разработки позволит создать более мощные форсированные двигатели, соответ-ствующие экологическим требованиям международных стандартов Евро-5, TIER 4, обеспечить импортозамещение поршней и расширить рынок сбыта ДВС . Созданы производственные участ-ки по переработке стружки объемом более 500 т в год и шлака объемом более 100 т в год, что обеспечило экономию энерго- и материальных ресурсов, сокращение объемов использования дорогостоящих покупных шихтовых материалов, снижение себестоимости отливок .

В начале 60-х годов под руководством чл .-кор . АН БССР М . Н . Бодяко положено начало ново-му направлению в физическом металловедении – термокинетике структурных и фазовых пре-вращений в металлах и сплавах в условиях высоких и сверхвысоких скоростей нагрева . Выпол-



Беларуси

8

нен комплекс теоретических и экспериментальных работ по изучению фазовых и структурных превращений, физико-механических свойств сверхпрочных мартенситно-стареющих сталей, дисперсионно-упрочняемых и жаропрочных сплавов на основе титана, нержавеющих, трансфор-маторных и автолистовых сталей . Исследуются структура, свойства и процессы разрушения вы-сокопрочных металлических и композиционных материалов при высокоскоростном термиче-ском и механическом воздействиях, в том числе материалов с градиентной структурой, включая броневые и металлокордовые материалы . С использованием процессов поверхностного электро-термического упрочнения разработаны титановые защитные элементы с градиентным распреде-лением свойств по сечению, которые используются при производстве средств индивидуальной бронезащиты (бронежилетов, щитов) .

В настоящее время в рамках Программы технического переоснащения и модернизации литей-ных, термических, гальванических и других энергоемких производств на 2010–2015 гг ., утверж-денной Советом Министров Республики Беларусь, ФТИ является головной организацией по науч-но-техническому сопровождению программы переоснащения промышленных предприятий, ис-пользующих индукционное оборудование . В институте создано современное сертифицированное серийное производство полупроводниковых генераторов на транзисторной основе и индукцион-ных установок для скоростной электротермической обработки и нагрева под пластическую дефор-мацию (рис . 1, б) . Осуществляется поставка данного оборудования на Минский автомобильный завод, Завод гидравлического машиностроения (г . Кобрин), завод «Бобруйскагромаш» . Начиная с 2014 г . в соответствии с графиком, утвержденным Минпромом Республики Беларусь, на пред-приятия отрасли будет ежегодно поставляться не менее 10 автоматизированных комплексов .

Важными научными направлениями деятельности института являются исследование и раз-работка высокоэффективных технологий финишной обработки материалов с использованием механической, магнитной, ультразвуковой и других видов энергии . Достижения в этой области базируются на ряде изобретений и открытий, сделанных сотрудниками научных школ, основан-ных акад . Е . Г . Коноваловым и П . И . Ящерицыным . Работы по развитию научных основ техноло-гического обеспечения и управления структурой и свойствами функциональных поверхностей, формируемых механической обработкой, стали основой для создания новых методов и техноло-гий финишной обработки – ротационного резания, поверхностно-пластического деформирова-ния, магнитоабразивной и алмазоабразивной обработки .

В настоящее время проводятся исследования механофизики и динамики процессов обработ-ки композиционных градиентных и гетерогенных материалов, изучаются закономерности кон-тактного взаимодействия и диспергирования различных композиционных материалов в про- цессах абразивной и лезвийной обработки алмазосодержащими композитами и поликристал- лическими сверхтвердыми материалами . Разработаны новые алмазоабразивные композиты и инструменты для обработки сверхтвердых материалов, твердых сплавов, закаленных сталей . Выполненные исследования, разработанные нормативно-методические документы и проведен-ное техническое оснащение позволили организовать в Физико-техническом институте НАН Бе-ларуси Испытательный центр оценки и сертификации инструментов по показателям безопасно-сти, аттестованный в Национальной системе аккредитации на компетентность и техническую независимость и входящий в Единый реестр органов по сертификации и испытательных лабора-торий (центров) Таможенного союза .

В Физико-техническом институте сформировано и по многим позициям занимает одно из ведущих мест в мире направление по созданию технологий и оборудования штамповки тонко-листовых материалов с использованием ударных нагрузок (рис . 1, в) . Для реализации техноло-гий разработано специализированное оборудование магнитно-импульсной штамповки, приме-нение которого обеспечивает снижение энергопотребления до 3 раз, затрат на штамповую ос-настку до 10 раз, сроков подготовки производства до 5 раз . Конструкции прессов, его отдельные узлы и технологические схемы штамповки защищены многочисленными (более 100) авторскими свидетельствами и патентами Беларуси и других стран . На крупных предприятиях Минпрома созданы участки, оснащенные произведенным в институте оборудованием магнитно-импульс-ной штамповки, осуществляются экспортные поставки прессов .



Беларуси

9

Обработка материалов концентрированными потоками энергии относится к приоритетным направлениям научно-технической деятельности Физико-технического института НАН Белару-си . Развиваются исследования в области физических основ лазерных технологий, обработки ма-териалов с использованием плазменных потоков, ионных и электронных пучков, токов высокой частоты .

Проводимые исследования и разработки в области вакуумных технологий направлены на создание тонкопленочных систем и наноструктурированных объектов c уникальными физиче-скими и механическими свойствами, способных обеспечить такие свойства композиции основа–покрытие, как высокая термическая и коррозионная стабильность, твердость и износостойкость, биологическая индифферентность и др .

В развитие работ по созданию вакуумно-плазменных технологий особый вклад внесен чл .-кор . Э . И . Точицким, чьи труды существенно углубили представления о физике и технологии тонких пленок и покрытий при их конденсации в вакууме . Разработанные под его руководством подходы, уникальные технологии, промышленное оборудование, ускорители импульсной катод-но-дуговой плазмы позволили в дальнейшем получать наноразмерные материалы и с высокой точностью наносить многослойные и многокомпонентные покрытия заданного состава и толщи-ны, а также синтезировать ранее неизвестные материалы, получить которые традиционными способами не представлялось возможным . Впервые экспериментально получены алмазные и ал-мазоподобные наноструктурированные углеродные пленки при пониженных температурах на различных материалах .

В последние годы уделяется большое внимание разработке нового комбинированного PVD-CVD-метода нанесения алмазоподобных углеродных покрытий (АПУ), имеющего ряд преиму-ществ по сравнению с традиционными физическими и химическими методами осаждения . Метод отличает гибкое управление структурой покрытий и типом химических связей между атомами углерода, высокая производительность процесса нанесения, многократное снижение внутренних напряжений, существенное улучшение трибологических свойств покрытий . Одновременное осаж-дение из импульсной катодной дуги и активируемого газа углеводородов позволяет получать все четыре типа АПУ-материалов, начиная от аморфного гидрогенизированннного углерода и закан-чивая особо твердым тетраэдрическим аморфным углеродом, находящих свое применение в зави-симости от конкретных задач и условий эксплуатации изделий c покрытиями [6] .

Разработанный метод нашел применение в технологии нанесения износостойких покрытий на микросверла и фрезы для обработки печатных плат, для восстановления плунжерных пар то-пливных насосов высокого давления и получения притирочных покрытий на поршнях дизель-ных двигателей, пассивации и упрочнения поверхности литейных форм для производства изде-лий из пластмасс, получения поглощающих покрытий на корпусных деталях фотоприемников с зарядовой связью для космических аппаратов, защитно-декоративных покрытий часов и дру-гих изделий . Большой интерес разработка вызвала в зарубежных странах . Выполнено несколько контрактов с Корейским институтом промышленных технологий по проведению исследований и поставке вакуумного оборудования . В настоящее время проводятся совместные исследования с крупной корейской корпорацией LG по возможности применения комбинированного метода получения покрытий в парах трения компрессоров нового поколения, ведутся переговоры о ком-мерциализации разработки на китайском рынке .

Проводится исследование процессов химико-термической обработки в плазме тлеющего раз-ряда . На основе выполненных фундаментальных и прикладных исследований в области моди-фицирования и инженерии поверхности создано оборудование (рис . 1, г) и начато серийное про-изводство установок ионно-плазменного азотирования (ИПА), технический уровень и стоимость которых позволяют успешно конкурировать, например, с такими известными фирмами, как PLATEG Gmbh и ELTRO Gmbh (Германия) . По сравнению с лучшими образцами производства Германии удельное энергопотребление созданного оборудования ИПА на 20% ниже . Поставки данного оборудования уже осуществлены на Минский автомобильный завод, ПО «Гомсельмаш», завод «Могилевлифтмаш» . Выполняется крупный заказ на поставку комплекса ИПА для ОАО «БелАЗ» .



Беларуси

10

Разработана теория неравновесного взаимодействия при самораспространяющемся высоко-температурном синтезе в системах Ti−C и Ni−Al, получен критерий смены механизмов взаимо-действия (от квазиравновесного диффузионно-контролируемого роста твердых фаз к неравно-весному, включающему кристаллизацию пересыщенного расплава) и построены диаграммы ме-ханизмов фазообразования [7]

Исследование и разработка механики накопления повреждений, моделей и критериев пре-дельного состояния конструкций (преимущественно тонкостенных цилиндрических оболочек) при различных видах нагружения, проведение прикладных исследований по определению оста-точной прочности стальных конструкций после длительной эксплуатации являются основой для развития работ по проведению независимых оперативных экспертиз, связанных с определением фактического состояния, прогнозированием остаточного ресурса и установлением причин и ха-рактера аварий на трубопроводах . Физико-технический институт НАН Беларуси аккредитован Госпромнадзором и Проматомнадзором Республики Беларусь и является головной организацией по магистральным газо-, нефте-, продуктопроводам, работающим под давлением, имеющей пра-во на решение проблемных технических вопросов (конструктивное исполнение, ремонт, рекон-струкция, техническая диагностика, определение остаточного ресурса) . На контрактных услови-ях выполняется большой объем указанных работ, в том числе на экспорт с такими крупными компаниями, как «Ээсти Гаас» (Эстония), «Латвияс Газе» (Латвия), SIA IKRB (Латвия), «Лиету-вос дуйос» (Литва), заводы «Павлоградхиммаш» и «Машзавод» (Украина), Rustek (Швейцария) .

В рамках Программы инновационного развития Республики Беларусь на 2011–2015 гг . вы-полняются работы по созданию беспилотных летательных аппаратов и беспилотных авиацион-ных комплексов (БАК) . Введено в строй производство отечественных многофункциональных беспилотных летательных аппаратов с расширенными возможностями с дальностью действия 20, 50 и 290 км . Физико-технический институт первым и пока единственным в Республике Бела-русь получен сертификат Департамента по авиации Министерства транспорта и коммуникаций Республики Беларусь на производство беспилотных авиационных комплексов . В институте из-готовлен и введен в эксплуатацию службами Министерства по чрезвычайным ситуациям БАК «Бусел М», разработанный под требования организаций Миноблисполкома . Изготовлен экспе-риментальный образец беспилотного летательного аппарата с дальностью действия до 290 км, а также БАК экологического мониторинга на базе дирижабля (рис . 2) .

В настоящее время Физико-технический институт НАН Беларуси – крупный научный центр, включающий в себя 4 отдела, 16 отдельных лабораторий и секторов, 4 специализированных цен-тра, опытное производство и выполняющий работы, востребованные в различных отраслях эко-номики Беларуси: машиностроении, инструментальной и оборонной промышленности, микроэ-лектронике, службах МЧС, здравоохранении, строительной индустрии и др . Ежегодно выполня-ется более 200 хозяйственных договоров и контрактов на поставку продукции и услуг, по собственным разработкам производится продукция более 100 наименований . Проводимые ак-тивные работы по всем направлениям (научная, научно-техническая, хоздоговорная, организа-ционная) позволяют обеспечить развитие наиболее перспективных направлений и тем самым

Рис . 2 . Беспилотные авиационные комплексы разработки Физико-технического института НАН Беларуси: а – БАК «Буревестник»; б – БАК «Бусел М»; в – БАК экологического мониторинга на базе дирижабля



Беларуси

сохранить институту статус одного из ведущих научных учреждений Беларуси в области мате-риаловедения и обработки материалов .

Литература

1 . Щукин В. Я., Петренко В. В., Кожевникова Г. В. // Теория и практика поперечно-клиновой прокатки: Между-нар . сб . науч .-техн . статей под ред . А . И . Гордиенко . Мн ., 2010 . С . 83–87 .

2 . Клубович В. В., Марусич В. И., Томило В. А // Литье и металлургия . 2011 . 3 (62) . С . 127–132 .3 . Segal V. M., Beyerlein I. J., Carlos N. T. et al..// Fundamentals and Engineering of Severe Plastic deformation . New

York, 2010 .4 . Дудецкая Л. Р. и др. // Литье и металлургия . 2010 . 1 (54) . С . 98–109 .5 . Волочко А. Т., Изобелло А. Ю. // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2009 . 2 . С . 63–68 .6 Chekan N. M. Chapter 1. In: Diamond-Like Carbon Films (Ed . by Y . S . Tanaka) . New York, 2013 .7 . Khina B. B. Combustion Synthesis of Advanced Materials . New York, 2010 .

A. I. GORDIENKO

THE PHYSICAL-TECHNICAL INSTITUTE OF NAS OF BELARUS – TRADITIONS, ACHIEVЕMENTS, PERSPECTIVES

Summary

The paper presents the results of works carried out at the Physical-Technical Institute over the last years concerning the basic investigation lines such as materials science, plastic metal forming and surface modification of materials under their exposure to high energies . The results of applied researches are shown and the main attention is paid to the developments implemented in the area of real economic sector .



Беларуси

12


УДК 621.74

Е. И. МАРУКОВИЧ, В. А. ПУМПУР

ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛОВ НАН БЕЛАРУСИ: ОТ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

К ИННОВАЦИОННЫМ РАЗРАБОТКАМ

Институт технологии металлов НАН Беларуси


Инновационная деятельность включает в себя выполнение работ по освоению новой или усо-вершенствованной технологии, производство продукции на ее основе, а также производство новой или усовершенствованной продукции (в соответствии со статьей 19 Закона Республики Беларусь «О государственной инновационной политике и инновационной деятельности в Респу-блике Беларусь») . Создание новой продукции и технологий основывается, как правило, на результатах фундаментальных исследований, направленных на выявление основных взаимосвя-зей, закономерностей и особенностей процесса или объекта . Важнейшими задачами фундамен-тальных и прикладных исследований в области литейного производства являются: изыскание методов, обеспечивающих управление структурой и свойствами, тепло- и массообменным, тер-модеформационным взаимодействием отливки и формы, гидродинамическими процессами литья; разработка принципиально новых малоотходных и безотходных технологий, обеспечи- вающих существенное повышение физико-механических и эксплуатационных свойств литого металла .

Деятельность Института технологии металлов НАН Беларуси с момента его создания на-правлена на получение инновационной продукции на основе разработки новых или усовершен-ствованных технологий с учетом критериев энерго- и ресурсосбережения, в частности, техноло-гий непрерывного литья металлов и сплавов, которые являются энерго- и ресурсосберегающими по сравнению с такими технологиями, как литье в песчаные формы, по выплавляемым моделям и др . При производстве одной и той же отливки при непрерывном литье энергозатраты значи-тельно меньше за счет использования литейного оборудования малой энергоемкости, а также за счет высокого процента выхода годного литья и высокой производительности .

В результате фундаментальных исследований ученых института создана теория формирова-ния отливок в условиях пристеночной кристаллизации [1], что позволило рассчитать параметры и режимы технологии литья, установить взаимосвязи свойств готового изделия и параметров процесса формирования отливки, в ходе которого важно организовать направленное затвердева-ние металла, что позволяет исключить большинство литейных дефектов, получать плотную мелкодисперсную структуру и высокие механические свойства . Создание принципиально ново-го метода литья и прорывной технологии получения полых цилиндрических заготовок из чугу-на, отличительной особенностью которых является направленное затвердевание без применения стержня, позволило кардинально повысить износостойкие и прочностные свойства изделий мас-сового производства, определяющие качество, надежность и долговечность машин . В итоге соз-даны качественно новые с наивысшей производительностью высокоэффективные технологиче-ские процессы литья различных типов чугунов, исключающие образование литейных дефектов в отливках, обеспечивающие получение высокодисперсной структуры с предельно достижимы-ми плотностью и твердостью, определяющие оптимальное расположение и морфологию фаз для противостояния износу при высоких ударно-динамических нагрузках и ограниченной смазке .



Беларуси

13

В Институте технологии металлов НАН Беларуси организовано производ-ство поршневых и других колец различ-ного назначения, гильз цилиндров для пневмокомпрессоров и двигателей вну-треннего сгорания (рис . 1) . В 2007 г . дан-ная технология внедрена на частном научно-производственном предприятии «Технолит», г . Могилев, где создано не имеющее аналогов инновационное энер-го- и ресурсосберегающее безотходное, экологически безопасное производство широкой гаммы (более 2 млн шт ., 1000 наименований) поршневых колец, гильз цилиндров, других высокоизносостой-ких изделий типа полых тел вращения (массой от 0,2 г до 15 кг) ответственного назначения для авто-, тракторо-, станко-строения, промышленности строительных материалов, подвижного железнодорожного состава, агропромышленного комплекса и других отраслей промышленности .

Радикальное улучшение свойств позволило основную часть производимой продукции из чугуна использовать взамен легированных сталей и антифрикционных бронз . При этом износо-стойкость и ресурс работы деталей до 30 раз превышают аналогичные показатели ранее приме- няемых материалов . Вся производимая продукция относится к импортозамещающей и экспорто-ориентированной, значительно дешевле зарубежных аналогов, имеет более высокие эксплуата-ционные свойства .

Новой продукцией обеспечиваются 100 %-ные потребности сборочных конвейеров Минско-го тракторного и автомобильного заводов, Белорусского автозавода, Гомельского завода пуско-вых двигателей, Борисовского завода агрегатов, Минского завода колесных тягачей, Белкарда, Бобруйсксельмаша, других заводов и ремонтных предприятий страны (более 70) . Для подвижно-го состава Белорусской железной дороги освоено свыше 160 наименований изделий, при исполь-зовании которых на 10–15 % увеличилась мощность дизелей, на 7 % снизился расход масла .

Более 50 % выпускаемой продукции поставляется на экспорт 80 предприятиям, в том числе Петербургскому тракторному заводу – 96 наименований на комплектацию тракторов «Кировец», из них 90 % – взамен сталей и бронз . Кольца из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, впервые изготовленные вместо традиционных колец из серого чугуна, получили высокую оценку фирмы Husqvarna (Швеция), мирового лидера в производстве двухтактных двигателей внутренне-го сгорания . Уникальные технологические возможности производства и система менеджмента ка-чества высоко оценены техническим аудитом компании Volkswagen (Германия), по результатам которого предприятие «Технолит» включено в реестр потенциальных поставщиков .

Экономический эффект получается в результате сокращения материальных и энергетиче-ских затрат, производственных площадей, количества производственных операций; замены до-рогостоящих легированных сталей и бронз на чугуны; отказа от импорта; снижения себестои-мости продукции; повышения производительности, ресурса работы машин и механизмов; уве-личения экспорта и составляет около одного рубля на рубль произведенной продукции или более 6 млрд руб . в год .

Коллективу ученых института за создание и промышленную реализацию принципиально нового метода непрерывно-циклического литья намораживанием высокоизносостойких дета- лей техники присуждена Государственная премия Республики Беларусь 2010 г . в области науки и техники .

Результаты фундаментальных и прикладных исследований процесса непрерывного горизон-тального литья отливок из цветных металлов и сплавов являются значительным вкладом в тео-

Рис . 1 . Установка непрерывно-циклического литья наморажива-нием заготовок гильз цилиндров



Беларуси

14

рию формирования отливки, на их основе созданы новые технологии литья и ли-тейные материалы со специальными свойствами [2, 3] . Технологии непрерыв-ного горизонтального литья заготовок деталей транспортного машиностроения из разных марок бронз, латуней и чугу-нов позволяют получать отливки с высо-кими эксплуатационными свойствами; экономить материальные ресурсы за счет использования при литье вторичных материалов; повысить производитель-ность труда; расширить номенклатуру выпускаемых профилей за счет быстрой переналадки оборудования с одного раз-мера на другой (рис . 2) . Технологии и оборудование поставлены многим предприятиям республики и за ее преде-

лы, в частности, предприятиям «Цветмет», г . Жодино, «Литейный завод», г . Молодечно, заводу «Могилевлифтмаш», Гомельскому литейному заводу «Центролит», Новороссийскому и Волго-градскому заводам цветных металлов, Каунасскому заводу «Центролит», Литва, Бакинскому опытно-механическому литейному заводу им . В . И . Воровского, Азербайджан, предприятиям «Укркристаллмет», г . Луцк, Украина, «Эгида Рус», г . Саранск, Россия, Московскому государ-ственному институту стали и сплавов, Корейскому институту промышленных технологий, фир-мам Wonie Co . Ltd и Sam Chang Foundry Co ., Ltd, Республика Корея . Всего организовано более 10 цехов и литейных участков .

Новые процессы литья позволили повысить выход годного до 90–92 %, увеличить прочность, износостойкость, гидроплотность изделий в 1,5–2 раза, уменьшить капитальные затраты, произ-водственные площади, себестоимость продукции в 2–4 раза . Использование технологии непре-рывного горизонтального литья на Гомельском литейном заводе «Центролит» позволило пред-приятию осуществлять экспортные поставки литых изделий .

На основе разработанных технологических процессов непрерывного горизонтального литья в Институте технологии металлов организован выпуск продукции (из латуней, бронз, алюми-ния, меди и т . д .) для предприятий республики и на экспорт, в частности, заводов «Могилевлиф-тмаш» и «Могилевхимволокно», Борисовского завода агрегатов, станкозавода «Красный борец», г . Орша, Калинковичского ремонтно-механического завода, предприятий «Битек», г . Екатерин-бург, «Детали машин», Пермский край, Россия, и др .

С 2008 г . непрерывно-литые заготовки втулок с повышенными механическими свойствами из антифрикционных бронз поставляются на экспорт для комплектации погружных насосов предприятий нефтедобывающей промышленности России . За разработку и внедрение способа непрерывного горизонтального литья на Гомельском литейном заводе «Центролит» сотрудники института удостоены звания лауреатов Государственной премии БССР . В рамках Государствен-ной программы освоения в производстве новых и высоких технологий на 2011–2015 гг . институт разрабатывает к внедрению на «Центролите» прогрессивную энергоэффективную установку не-прерывной разливки чугуна .

Учеными института созданы теплофизические основы формирования отливок при непре-рывном литье в роторные кристаллизаторы, метод непрерывного литья лент из легкоплавких металлов и солей в валковый кристаллизатор с ребордами при подаче расплава в зев валков из распределителя струями . На основе данного метода разработана новая технология непрерывно-го литья в валковый кристаллизатор с ребордами армированной хлористо-медной электродной ленты толщиной 0,5–0,9 мм и шириной 430 мм для водоактивируемых химических источников тока [4] . Армирующий материал (медная сетка) вводится в ванну с расплавом для устойчивого

Рис . 2 . Технологическая линия непрерывного горизонтального литья заготовок деталей транспортного машиностроения



Беларуси

15

формирования отливки (рис . 3) . Такая лента заменила прокат из хлористого се-ребра в активируемых морской водой химических источниках тока, что позво-лило получить огромный экономиче-ский эффект, так как стоимость катодно-го материала на основе CuCl в 30–40 раз ниже, чем из AgCl .

Технологические линии для изготов-ления армированной ленты из хлори-стой меди поставлены в Россию (заво- ду «Уралэлемент», г . Верхний Уфалей), Индию (компании Naval Science Techno-logical) и Китай (Tianjin Institute of Power Sources) . Хлористо-медные ленточные заготовки (пластины) до 2009 г . постав-лялись в Россию (предприятию «Мор-ские спасательные средства», г . Санкт-Петербург) для производства активируемых морской во-дой батарей, используемых в специальных спасательных средствах . В настоящее время на кон-трактной основе осуществляется модернизация технологической линии, поставленной ранее в Россию . В 2008 г . технология удостоена золотой медали в номинации «Успешный выход на ры-нок» в рамках конкурса инновационных разработок XIV Международной выставки-конгресса «Высокие технологии . Инновации . Инвестиции», г . Санкт-Петербург .

Созданы теоретические и технологические основы получения силуминов с высокодисперс-ной и инвертированной микроструктурой для деталей машиностроения взамен аналогичных де-талей из бронзы . Разработаны кристаллизаторы со струйной системой охлаждения для ускорения процесса кристаллизации алюминийкремниевых сплавов, а также устройства затоплено-струй-ного вторичного охлаждения отливок [5] . Разработаны новая технология и оборудование для по-лучения заготовок из антифрикционного силумина с высокодисперсной и инвертированной ми-кроструктурой [1] (рис . 4) . Литые заготовки имели высокую износостойкость в условиях трения и успешно прошли заводские испытания . К примеру, червячное колесо, изготовленное из анти-фрикционного силумина АК18М2 для редуктора шлифовально-полировального станка 6ШП-100 на заводе «Оптик», г . Лида, показало ресурс работы в 4 раза выше, чем аналогичное колесо из антифрикционной бронзы БрАЖ9-4 . Изделия из антифрикционного силумина могут с успехом заменять в узлах трения импортные детали машиностроения . Стоимость силуминовой заготовки

в среднем в 3 раза ниже, чем аналогич-ной заготовки из бронзы БрАЖ9-4, а из-носостойкость в 4–6 раз выше . В 2008 г . в рамках конкурса инновационных про-ектов технология удостоена золотой медали VIII Московского международ-ного салона инноваций и инвестиций . В рамках Государственной программы освоения в производстве новых и высо-ких технологий на 2011–2015 гг . в инсти-туте создается производство по изготов-лению заготовок деталей машинострое-ния из силуминов с повышенными механическими и антифрикционными свойствами, не уступающими бронзе .

Исследования процесса электрошла-кового литья позволили повысить эф-

Рис . 3 . Получение армированной хлористо-медной катодной ленты

Рис . 4 . Установка для получения заготовок из антифрикционного силумина



Беларуси

16

фективность и расширить область его применения [6] . Типичными заготовками, получаемыми мето-дом электрошлакового литья, являются заготовки штампового и режущего инструмента, крупногаба-ритных шестерен, колец, шкивов, зубчатых колес, различного вида вилки, проушины, корпуса, цапфы, биметаллические заготовки типа червячных колес, прокатных роликов и т . д . На заводе «Могилев- лифтмаш» используются разработанная учеными института установка электрошлакового переплава и технология изготовления биметаллических чер-вячных колес для комплектации лифтов (рис . 5) . Технология позволяет снизить в 1,5 раза припуски на механическую обработку, на 13% металлоем-кость, в 2 раза брак по литью и повысить произво-дительность процесса в 1,3 раза . Внедренные на за-воде технология и оборудование повысили конку-рентоспособность лифтов на внутреннем и внешнем рынках за счет увеличения надежности и долговеч-ности главного привода, основным слабым узлом которого ранее было червячное колесо .

В результате выполнения фундаментальных и прикладных исследований созданы новые сложно-легированные износостойкие чугуны, которые ис-пользуются для изготовления деталей дробильно-размольного оборудования с повышенным ресурсом работы на основе разработанных в институте техно-

логий [7, 8] . Стойкость деталей к износу возросла в 1,3–1,5 раза, что увеличило срок их эксплуа-тации в центробежных дробилках и мельницах, поставляемых за рубеж, на 30–50% . В рамках выполнения региональной научно-технической программы «Инновационное развитие Могилев-ской области» разработаны технологические процессы литья чугунов в кокиль и комбинирован-ные формы, создано и успешно осваивается производство таких деталей . В 2012–2013 гг . пред-приятиям республики (УП «НПО «Центр», ОДО «Ламел-777», г . Минск, ОАО «Полоцк-Стекло-волокно», ОАО «Гомельский ГОК») и в Россию (ЗАО «Урал-Омега», г . Магнитогорск) поставлены партии деталей на сумму около 3 млрд руб .

Опытно-промышленное производство с использованием разработанной в институте энерго- и ресурсосберегающей технологии и оборудования для изготовления импортозамещающей про-дукции (цинковых анодов) до недавнего времени обеспечивало более 50% потребности республи-ки в цинковых анодах и их поставку на экспорт . Исследования, проведенные учеными института, позволили создать цинковый материал такой микроструктуры, которая обеспечивает раствори-мость анодов в гальванических ваннах более 90% [9], а также разработать технологию получения точно размерных заготовок цинковых анодов литьем в кокиль . Основной особенностью техноло-гии является возможность изготовления анодов, используемых для латунирования металлокорда на Белорусском металлургическом заводе (г . Жлобин), из отходов гальванического производства .

С целью ресурсосбережения создана передовая производственная технология литья и про-катки свинцовых материалов из вторичных ресурсов для изготовления элементов радиационной защиты – конкурентоспособной импортозамещающей продукции для радиационной защиты персонала, оборудования и приборов [10] . На площадях Института технологии металлов создано импортозамещающее производство комплектующих деталей для средств радиационной защи-ты, что позволяет значительно сократить импорт свинца в республику . C 2011 г . предприятиям республики (ОДО «Тисса», г . Молодечно, УП «Атомтех», г . Минск, и др .) поставлено свинцовых изделий, изготовленных из лома свинца, на сумму свыше 3,5 млрд руб .

Рис . 5 . Установка для получения биметаллических заготовок методом электрошлакового переплава



Беларуси

Разработаны экологически чистая ресурсосберегающая технология и оборудование для по-лучения отливок из железоуглеродистых сплавов по газифицируемым моделям, которые внедре-ны на ООО «Спецлит», г . Могилев . Применение литья по газифицируемым моделям позволяет сократить расход дорогостоящих формовочных материалов до 10 раз, электроэнергии – в 2–3 ра за и трудоемкость – в 3–4 раза . Себестоимость отливок в 1,5–2 раза меньше . В результате внедре-ния технологии в 2012 г . на предприятии освоен выпуск новой продукции и произведено отливок из железоуглеродистых сплавов в объеме около 2 млрд руб .

Разработки ученых института привели к формированию новых отраслей национальной эко-номики на основе рециклинга отходов цветных металлов и сплавов; производства заготовок для изготовления гильз цилиндров и уплотнительных колец компрессоров и ДВС автомобилей и тракторов различных модификаций; производства непрерывно-литых заготовок из цветных металлов и сплавов; изготовления литейного оборудования для непрерывных процессов литья .

На основе использования результатов исследований и разработок только за последние 5 лет институтом выпущено импортозамещающей продукции на сумму свыше 20 млрд руб . Условная экономия валютных средств составила около 2,5 млн дол . США . Высокий уровень научно-тех-нических достижений ученых института отмечен двумя золотыми, серебряной и бронзовой ме-далями Московского международного салона инноваций и инвестиций, тремя золотыми и че-тырьмя серебряными медалями ежегодной выставки-конгресса «Высокие технологии . Иннова-ции . Инвестиции» (г . Санкт-Петербург), золотой медалью «Европейское качество» .

В ближайших планах Института технологии металлов НАН Беларуси выполнение крупных проектов: по модернизации участка стального и чугунного литья литейного цеха завода «Лег-маш», г . Орша; по разработке и внедрению прогрессивной ресурсосберегающей технологии и специального энергоэффективного оборудования для получения непрерывно-литых заготовок из чугуна, применяемых при изготовлении грузов лифтов, на заводе «Могилевлифтмаш» .


1 . Толочко Н. К. и др . Современные литейные технологии . Мн ., 2009 . 2 . Демченко Е. Б., Марукович Е. И. Непрерывное литье заготовок из чугуна для машино- и станкостроения: мо-

нография . Мн ., 2006 . 3 . Марукович Е. И., Демченко Е. Б. Тепловые явления при формировании непрерывной отливки . Мн ., 2012 . 4 . Перспективные материалы и технологии / Под общей ред . В . В . Клубовича . Витебск, 2008 . С . 143–170 . 5 . Борухов В. Т., Заяц Г. М., Стеценко В. Ю., Коновалов Р. В. // Инженерно-физический журн . 2012 . Т . 85, 1 .

С . 181–187 .6 . Земцов В. А., Мешков А. Д., Сазоненко И. О. // Металлургия машиностроения . М ., 2011 . 2 . С . 6–9 .7 . Перспективные материалы и технологии / Под ред . В . В . Клубовича . Витебск, 2013 . С . 9–35 .8 . Барановский Э. Ф., Пумпур В. А., Ильюшенко В. М., Барановский К. Э. // Литейное производство . 2011 . 2 .

С . 19–23 .9 . Актуальные проблемы прочности / Под ред . В . В . Клубовича . Витебск, 2010 . С . 62–89 .10 . Пумпур В. А., Ильюшенко В. М., Короткин Г. П. // Литье и металлургия . 2013 . 3 . С . 51–55 .

Е. I. MARUKOVICH, V. А. PUMPUR

THE INSTITUTE OF METAL TECHNOLOGY OF NAS OF BELARUS: FROM FUNDAMENTAL RESEARCH TO INNOVATIVE DEVELOPMENTS

Summary

A brief description of scientific research results, of state-of-the-art casting technologies and appropriate engineering processes developed at the Institute of Metal Technology of National Academy of Sciences of Belarus for the purpose of their adoption in our country and abroad is given . The examples and results of the most effective cooperation with enterprises of machine-building complex of the republic are presented .



Беларуси

18


УДК 620.179.111

Н. П. МИГУН, С. А. НОВИКОВ

РАЗВИТИЕ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ В ИНСТИТУТЕ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ НАН БЕЛАРУСИ

Институт прикладной физики НАН Беларуси


Техническая диагностика (ТД) и неразрушающий контроль (НК) – интенсивно развиваемые в настоящее время в мире области науки и техники . Научные исследования в этой области – это прежде всего установление, анализ и использование (в том числе с применением современных информационных технологий) новых физических закономерностей с целью разработки новых методов и средств для решения двух основных задач . Первая – это выявление поверхностных и внутренних дефектов, контроль толщин покрытий, структуры и свойств материалов и изделий без их разрушения (качество), вторая – обеспечение надежности и прогноз остаточного ресурса деталей машин ответственного назначения и других технических объектов, в первую очередь, потенциально опасных для жизни, здоровья людей и окружающей среды (безопасность) . Полу-чение новых результатов фундаментальных и прикладных научных исследований и разработка на их основе современных высокоэффективных приборов и методик НК и ТД в значительной степени способствуют повышению как качества и конкурентоспособности выпускаемой продук-ции, так и безопасности промышленных, транспортных, энергетических, строительных объектов .

Уровень развития передовых стран мира на современном этапе характеризуется не столько высоким объемом производства и ассортиментом выпускаемой продукции, сколько показателя-ми качества, надежности и безопасности . Поэтому в высокоразвитых странах затраты на кон-троль качества составляют значительную часть от стоимости выпускаемой продукции . В усло-виях рыночных отношений качество продукции является одним из ключевых требований для обеспечения ее конкурентоспособности . Например, острейшая сегодня проблема экспорта на-ших МАЗов, БелАЗов, тракторов, сельскохозяйственной и другой техники в значительной степе-ни связана с их качеством, которое существенно зависит от степени и эффективности примене-ния в процессе производства современных методов и средств НК и ТД . Поскольку у нас в стране высок процент изношенности основных средств, трудно переоценить роль научно-ис-следовательских работ, имеющих целью разработку современных, высокоэффективных методов и средств НК и ТД . Ведь своевременное выявление нештатных рабочих режимов потенциально опасных, сложных технических объектов позволяет избежать не только колоссальных матери-альных потерь, но и гибели людей . В Беларуси по данным Госпромнадзора МЧС РБ отработали сроки службы более 56% котлов, около 60% сосудов под давлением, более 80% грузоподъемных кранов и 34 % лифтов . А с годами проблема остаточного ресурса усугубляется .

Появление современных крупномасштабных объектов – атомных электростанций, крупных химических комбинатов и нефтеперерабатывающих производств, уникальных высотных и боль-шепролетных строительных конструкций – приводит к огромным негативным последствиям в случае возможных аварийных ситуаций . Минимизировать вероятность аварий и катастроф, вызванных техническими причинами, можно путем разработки и применения эффективных ме-тодов и средств НК и ТД . При этом традиционные методы уже не всегда эффективны, все боль-шее распространение получает использование нескольких независимых физических методов контроля и диагностики, что позволяет получить принципиально новые данные о состоянии объекта исследования, а также повысить достоверность результатов контроля .



Беларуси

19

Таким образом, получение новых результатов фундаментальных и прикладных научных ис-следований и разработка на их основе современных высокоэффективных приборов и методик НК и ТД – одна из главных необходимых составляющих качества и конкурентоспособности вы-пускаемой национальной продукции, повышающая также безопасность промышленных, транс-портных, энергетических, строительных объектов .

В Беларуси важнейшую роль в решении актуальных задач НК и ТД, стоящих перед предпри-НК и ТД, стоящих перед предпри- и ТД, стоящих перед предпри-ятиями и организациями различных отраслей промышленности, играет подпрограмма научных исследований «Техническая диагностика» государственной программы научных исследований «Механика, техническая диагностика, металлургия» (2011–2015 гг .), которая направлена на ре-шение конкретных практических задач в области НК и ТД . Головной организацией-исполните-лем по этой программе является Институт прикладной физики НАН Беларуси, представляющий собой известный в мире и наиболее крупный сегодня в республике научный центр, занимаю-щийся проблемами физики НК . Основное научное направление института – исследование взаи-модействия различных физических полей с материалами, изделиями и элементами конструкций и разработка на основе полученных результатов новых методов, средств и информационных тех-нологий НК и ТД, обеспечивающих повышение качества промышленной продукции и безопас-ности эксплуатации сложных технических объектов . Создание новых конкурентоспособных ме-тодов, средств и информационных технологий НК и ТД соответствует важнейшим приоритет-ным направлениям научной и научно-технической деятельности Беларуси .

В институте развиваются магнитные, вихретоковые, термоэлектрические, акустические, ка-пиллярные, радиоволновые, контактно-динамические, рентгено-томографические и другие ме-тоды НК . Неразрушающий контроль как приоритетное востребованное научно-техническое на-правление традиционно носит многоотраслевой характер, поэтому Институт прикладной физи-ки НАН Беларуси, как и все мировые центры НК (НПО «СПЕКТР» (Россия), Фраунгоферовский институт НК (Германия) и др .), ориентирован на потребности самого широкого круга отраслей: машиностроение, энергетика, металлургия, строительство, железнодорожный и трубопровод-ный транспорт, авиастроение и космическая техника, нефтехимия, микроэлектроника, медицин-ская диагностика и др .

Важнейшие решаемые институтом прикладные задачи: контроль дефектов сплошности ма-териалов и элементов конструкций (трещины, раковины, включения и т . п .); контроль структуры и физико-механических свойств материалов (размер зерна, анизотропия структуры, твердость, прочность, трещиностойкость, влажность, магнитные свойства и др .); контроль толщин покры-тий, упрочненных слоев, стенок строительных конструкций, других геометрических параме-тров; контроль напряженно-деформированного состояния деталей и элементов конструкций; томографическая визуализация внутреннего строения объектов; диагностика и мониторинг тех-нического состояния потенциально опасных объектов промышленности, энергетики, строитель-ства, прогнозирование их остаточного ресурса .

В институте сложилась известная как в республике, так и за рубежом научная школа по фи-зике НК . В ее рамках в настоящее время развиваются следующие научные направления .

Формирование магнитных полей заданной величины и пространственного распределения, магнитная толщинометрия. Научное направление развивается под руководством д-ра техн . наук А . А. Лухвича . В последние годы предложен и успешно развивается новый магнитодинами-ческий метод применительно к магнитной толщинометрии защитных покрытий [1] . Разработа-ны физические модели, алгоритмы и программное обеспечение для расчетов влияния свойств материалов и изделий на величину и распределение вторичных магнитных полей – основного информативного параметра при магнитном НК и толщинометрии .

Наиболее значимые инновационные разработки последних лет: гамма модификаций магни-тодинамических толщиномеров немагнитных и никелевых покрытий на магнитном и немагнит-ном основаниях практически для всех применяемых на практике диапазонов толщин, а также комплекты разработанных и аттестованных мер покрытий, в том числе многослойных, позво-лившие полностью решить вопросы метрологического обеспечения толщиномеров (рис . 1); двухкольцевые магнитные системы для очистных поршней магистральных газопроводов боль-



Беларуси

20

шого диаметра, которые по эффективности очистки газопроводов от ферромагнитных загрязне-ний в несколько раз превосходят известные зарубежные аналоги; оригинальные измерители магнитных полей и остаточной намагниченности; Национальный эталон магнитной индукции слабого постоянного магнитного поля .

Сотни толщиномеров магнитодинамического принципа действия внедрены на большинстве машиностроительных предприятий страны, в строительной отрасли, на ремонтных и других предприятиях . Это позволило решить важную задачу импортозамещения при оснащении про-мышленных предприятий приборами для измерения толщины покрытий .

Магнитодинамический метод и приборы позволяют также решать ряд специфических задач контроля толщины толстослойных никелевых, двухслойных хромоникелевых покрытий камер сгорания жидкостных ракетных двигателей . Новейшие экспортно-ориентированные модифика-ции приборов разрабатываются и внедряются в настоящее время для контроля качества специ-альных защитных покрытий на ответственных элементах двигателей аэрокосмической техники России .

Вихретоковая, магнитная дефектоскопия и структуроскопия ферромагнитных изделий. Научное направление развивается чл .-кор . Н . Н . Зацепиным, канд . техн . наук А . В . Чернышевым и д-ром техн . наук А . П . Гусевым . Разработана теория нелинейных процессов перемагничивания ферромагнетиков с учетом магнитного гистерезиса и вихревых токов [2] . Установлены законо-мерности перемагничивания ферромагнитных сталей полем накладных и проходных преобразо-вателей при наличии дефектов сплошности и локальных структурных неоднородностей матери-ала применительно к решению задач дефектоскопии и структуроскопии . Развита теория фор- мирования магнитного поля групповых дефектов и включений ферромагнитных материалов с учетом их магнитного взаимодействия .

Наиболее значимые разработки: электромагнитные приборы, основанные на методе высших гармонических составляющих, для контроля твердости поверхностно упрочненных слоев; гам-ма вихретоковых дефектоскопов для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов в ферромагнитных изделиях . Разработанные вихретоковые дефектоскопы позволяют осущест-влять контроль дефектов в труднодоступных зонах, при высокой шероховатости поверхности, под слоем краски, покрытия, в том числе в бесконтактном варианте . Примером является разра-ботанная и внедренная на Минском моторном заводе автоматизированная вихретоковая аппара-тура, обеспечивающая в потоке производства 100%-ный НК дефектов сплошности гильз (до 1000 гильз в смену) всех дизельных двигателей, выпускаемых предприятием .

Импульсный магнитный метод неразрушающего контроля структуры и механических свойств ферромагнитных материалов и изделий. Научное направление основано д-ром техн . наук М . А . Мельгуем и в настоящее время развивается под руководством д-ра техн . наук В . Ф . Матю-ка . Разработан импульсный магнитный метод НК стальных деталей и заготовок широкой но-менклатуры химического состава и свойств . Установлены взаимосвязи между магнитными свой-ствами, структурой и механическими свойствами широкой номенклатуры сталей после различ-ных видов термообработки [3], выявлены закономерности распределения поля остаточной намагниченности при разных режимах локального импульсного намагничивания, магнитных

Рис . 1 . Широкодиапазонный магнитный толщиномер покрытий типа МТЦ-3 (а) и меры толщины однослойных нике-левых и двухслойных хромоникелевых покрытий (б)



Беларуси

21

свойствах материала, размерах и форме изделий . Разработаны эффективные способы многопараметрового контроля качества закалки и отпуска изделий из инструментальных углеродистых сталей по результатам измерения нескольких магнитных параме-тров в процессе перемагничивания .

Наиболее значимые разработки: гамма импульсных магнит-ных анализаторов серии ИМА для контроля физико-механиче-ских свойств и структуры стальных деталей и заготовок (рис . 2); импульсные магнитные поточные контролеры типа ИМПОК для контроля физико-механических свойств стального проката, движущегося в технологическом потоке производства; коэрци-тиметр типа КИФП для контроля физико-механических свойств и структуры стальных деталей и заготовок; установка типа УИМХ для измерений магнитных свойств магнитомягких ма-териалов в квазистатическом режиме; Национальный эталон магнитной индукции, обеспечива-ющий передачу единицы индукции в диапазоне 0,05–2 Тл . Разработанные приборы импульсно-го магнитного метода отличаются широкими функциональными возможностями, успешно рабо-тают на всех крупнейших металлургических комбинатах стран СНГ (ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ОАО «Северсталь» (г . Череповец), ОАО «Новолипецкий метал-лургический комбинат», ОАО «Мариупольский металлургический комбинат»), на одном из крупнейших в Европе металлургическом комбинате в г . Айзенхюттенштадт (Германия) .

Неразрушающий контроль методами проникающих жидкостей. Научное направление осно-вано акад . П . П . Прохоренко и развивается под руководством д-ра физ .-мат . наук Н . П . Мигуна . Обнаружен и теоретически описан ряд новых физических явлений, влияющих на процессы ми-грации жидкостей в капиллярах и пористых средах: размерный эффект вязкости пенетрантов, двустороннее заполнение жидкостью тупиковых дефектов, ряд факторов диффузионного впиты-вания, пленочный механизм стадии проявления дефектов и др . Это впервые позволило объяс-нить целый ряд противоречий в практике НК проникающими жидкостями, разработать и вне-дрить высокоэффективные методики и средства капиллярной дефектоскопии . В последние годы установлены новые закономерности влияния основных свойств дефектоскопических материалов и температуры окружающей среды на производительность и чувствительность капиллярной де-фектоскопии, позволяющие соответствующим выбором этих свойств и режимов нагрева объек-та контроля существенно повысить эффективность дефектоскопии [4] . Установлены параметры режимов механической и электрохимической обработок поверхностей объектов контроля, при которых становится возможной капиллярная дефектоскопия поверхностей с высокой шерохова-тостью (например, сварных швов) .

Наиболее значимые разработки, внедренные на предприятиях нефтехимии: методика капил-лярного контроля дефектов сварных соединений трубопроводов и другого технологического оборудования нефтеперерабатывающих производств; технология и средства повышения тепло-выми воздействиями чувствительности и производительности капиллярной дефектоскопии; технологические процессы электрохимической обработки и подготовки контролируемых по-верхностей объектов к контролю, обеспечивающие существенное повышение чувствительности и достоверности контроля; не имеющие аналогов по функциональным возможностям алгоритмы обработки изображений индикаторных следов дефектов и программное обеспечение для коли-чественной оценки чувствительности наборов дефектоскопических материалов, а также ком-плекты контрольных образцов для капиллярной и магнитопорошковой дефектоскопии .

Физика электромагнитных потерь и диагностика электрических машин. Научное направле-ние развивается под руководством д-ра техн . наук И . И . Брановицкого . Исследованы вихретоко-вые потери в текстурованной электротехнической стали как диссипативная составляющая дина-мического цикла перемагничивания (вихретоковый гистерезис) в функции параметров домен-ной структуры, характера напряженного состояния, электрофизических свойств материала, режимов перемагничивания . Получены общие аналитические выражения, характеризующие ве-

Рис . 2 . Анализатор импульсный маг-нитный ИМА-6 для НК качества тер-мообработки, механических свойств и структуры деталей и заготовок из низкоуглеродистых, слаболегирован-ных и среднеуглеродистых сталей



Беларуси

22

личину и погрешности контроля элек-тромагнитных потерь в условиях реаль-ного (неоднородного) распределения маг- нитной индукции в ферромагнитном материале элементов магнитопроводов . Теоретически и экспериментально ис-следовано влияние дефектов обмоток и качества материала магнитопроводов на электромагнитные процессы и пара-метры систем трансформации и преоб-разования электрической энергии [5] . Разработаны методы и средства диагно-стики технического состояния силовых электрических машин и оборудования .

Наиболее значимые разработки: приборы для диагностики параметров силовых трансформа-торов, позволяющие проводить их оперативные испытания в условиях эксплуатации; приборы для бесконтактного измерения малых токов, в том числе токов утечки в высоковольтном обору-довании; приборы для диагностики обмоток электрооборудования, предназначенные для обна-ружения межвитковых замыканий, замыканий на корпус, обрывов; установки для измерения электромагнитных потерь и магнитной индукции, других магнитных характеристик электро-технической стали на стандартных образцах и листах, позволяющие осуществлять выходной контроль на предприятиях-изготовителях и входной контроль (в том числе арбитражный) на предприятиях-потребителях электротехнической стали (рис . 3) . Приборы широко внедрены на предприятиях Белорусской железной дороги и Минпрома .

Аналитические методы обработки информации применительно к томографии нестацио-нарных объектов и реконструкции изображений при априорной статистической неопределен-ности их характеристик. Под руководством чл .-кор . В . М . Артемьева созданы и развиваются теория и методология реконструкции динамических изображений внутренней структуры неста-ционарных объектов с приложениями для промышленной и медицинской томографии [6] . Пред-ложен ряд эффективных методов и алгоритмов реконструкции, основанных на развитии матема-тического аппарата теории случайных полей и статистических методов оценивания . Проводятся исследования в области радиотомографии ионосферы по данным высокоорбитальных навигаци-онных спутников систем ГЛОНАСС и GPS, результаты которых позволят повысить надежность коротковолновой радиосвязи . Решаются задачи обнаружения, сопровождения и распознавания объектов на видеоизображениях земной поверхности, воздушного пространства, микрострук-тур и др . Результаты по обработке видеоизображений в оптико-электронных системах обзора воздушного пространства используются в ОАО «КБ Радар» и ОАО «Пеленг» . Разработаны алго-ритмы и программное обеспечение для обработки изображений микроструктур и движущихся биологических клеток с выходов микроскопов высокого разрешения . В настоящее время прово-дятся научные исследования по обработке изображений земной поверхности с белорусского спутника дистанционного зондирования Земли, включая задачу сверхразрешения .

Контроль физико-механических свойств материалов и изделий по параметрам динамиче-ского индентирования. Научное направление развивается под руководством д-ра техн . наук В . А . Рудницкого [7] . Разработаны и реализованы новые подходы к контролю конструкционных материалов методами ударного и квазистатического индентирования, позволяющие учесть ком-плексное влияние температурно-временных и энергетических параметров индентирования на процесс локального контактного деформирования . Впервые получены зависимости, связываю-щие условный предел текучести и предел прочности низко- и среднеуглеродистых, низколегиро-ванных сталей с параметрами динамического индентирования . Разработаны теоретические ос-новы определения твердости и толщины поверхностных слоев (хромовых, металлокерамических и др .) двухслойных структур с толщиной покрытия от 5 до 200 мкм методом динамического вы-сокоскоростного индентирования . Разработана методика определения модуля упругости бето-

Рис . 3 . Установка для контроля магнитных потерь и индукции в листах электротехнической стали



Беларуси

23

нов, позволяющая в рамках одного метода контроля выявить сни-жение модуля упругости, не сопровождающееся снижением проч-ности .

В рамках этого направления д-ром техн . наук А П . Кренем раз-работаны теоретические положения механики локального контакт-ного деформирования, позволившие создать обобщенный алгоритм выбора оптимальных аналитических моделей деформирования не-металлических материалов с учетом влияния длительности ме- ханического воздействия, температуры и скорости деформации . Установлены корреляционные связи между параметрами процесса нагружения и свойствами углеродных материалов, резин, пласт-масс, композитов, биоматериалов . Разработаны оригинальные ме-тодики оценки трещиностойкости хрупких и упругопластических материалов, позволяющие производить оценку свойств материа- лов не только на специальных образцах, но и непосредственно на изделиях .

Наиболее значимые разработки: портативные приборы типа ТПЦ для контроля твердости металлических материалов и типа ИПМ для контроля прочности бетонов, асфальтобетонов; компьютеризованные приборы для не-разрушающего экспресс-контроля комплекса механических характеристик сталей и алюминие-вых сплавов, а также низкомодульных полимеров (резин, полиуретанов, пластиков и др .); аппа-ратура для контроля физико-механических свойств (твердости, модуля упругости) и характери-стик разрушения (ударной вязкости, трещиностойкости) углеродных материалов, включая композиционные и армированные; электронные пондеромоторные толщиномеры покрытий для контроля в труднодоступных зонах (рис . 4) .

Многочастотные микроволновые методы визуализации сред, контроля неметаллических материалов и покрытий. Научное направление развивается под руководством д-ра техн . наук В . А . Михнева . Разработан метод визуализации в подповерхностной радиолокации, основанный на решении обратной электродинамической задачи [8] . Предложен метод распознавания объек-тов, основанный на оценке сдвига фазы волны в момент ее отражения от объекта . Разработан безэталонный резонансный метод толщинометрии неметаллических покрытий металлов, позво-ляющий осуществлять контроль толщины неметаллических покрытий любых металлов и их сплавов . Разрабатываются метод и соответствующие средства для зондовой микроволновой ми-кроскопии с пространственной разрешающей способностью 20–50 нм, чувствительные к диэ-лектрическим свойствам контролируемого материала (керамика, стекло, композиционные мате-риалы), концентрации носителей в полупроводниках, свойствам биологических мембран .

Наиболее значимые разработки: портативный радиолокатор для обнаружения инородных включений в строительных конструкциях (стенах) (рис . 5); экспериментальный образец микро-волнового влагомера бетонов; портативный толщиномер неметаллических покрытий металлов; переносной прибор для контроля радиопрозрачности антенных обтекателей самолетных радио-

Рис . 4 . Пондеромоторный тол-щиномер покрытий для контро-ля объектов в труднодоступных

зонах

Рис . 5 . Экспериментальные образцы подповерхностного радара для контроля строительных конструкций из бетона



Беларуси

24

локационных станций; сверхширокополосные антенны, конструктивно оптимизированные для работы в контакте с исследуемыми средами .

Ультразвуковая дефектоскопия и структуроскопия. Научные исследования проводились под руководством акад . П . П . Прохоренко, в настоящее время научное на-правление развивается его учениками . Выявлены новые закономерности распространения неоднородных упругих волн (поверхностных, головных, волн Стоунли и т . д .) в твердых телах сложной формы после различных техно-логических воздействий (сварка, химико-термическая об-работка, протяжка, штамповка и т . д .) . В рамках общей тео рии сплошных сред разработаны физические основы формирования магнитожидкостных звукопроводов, выяв-лены закономерности развития топологии жидких объе-мов в магнитном и акустическом полях . Структуроскопия

чугунов, измерение глубины упрочненных слоев (ТВЧ-закалка, закалка после цементации и др .), контроль дефектов адгезионных соединений (теплозащитных покрытий с материалом корпуса, поршней двигателей внутреннего сгорания с нирезистовой вставкой и др .), контроль сварных со-единений полимерных трубопроводов, различных типов сварных соединений металлов, тензо-метрия – далеко не полный перечень решаемых задач [9] . Разработаны новые типы ультразвуко-вых преобразователей: малоапертурные преобразователи для высокоточных временных измере-ний, преобразователи с магнитным удержанием контактной жидкости .

Наиболее значимые разработки: автоматизированные установки для ультразвукового кон-троля дефектов поршней двигателей внутреннего сгорания (рис . 6); специальные типы ультра-звуковых преобразователей (малоапертурные преобразователи, преобразователи с магнитной жидкостью, отличающиеся высокой стабильностью акустического контакта); индикаторы струк-туры чугунных отливок; аппаратура для измерения глубины поверхностно упрочненных слоев после закалки ТВЧ, цементации; методики и аппаратура ультразвукового контроля дефектов стыковых и нахлесточных сварных соединений полимерных трубопроводов . Разработанная ап-паратура нашла широкое применение на промышленных, энергетических и транспортных пред-приятиях Беларуси и России (МАЗ, Амкодор, БелЖД, Камский моторный завод, Ярославский моторный завод и др .) .

Магнитошумовая структуроскопия ферромагнитных материалов; методы реконструкции изображений в рентгеновской томографии; методы комплексной технической диагностики сложных технических объектов. Под руководством д-ра техн . наук В . Л . Венгриновича создана статистическая марковская теория перемагничивания ферромагнетиков и скачкообразных про-цессов смещения доменных границ . Сформулированы основные закономерности взаимосвязи между параметрами магнитного шума и вкладом отдельных структурных составляющих, что послужило основой создания средств магнитошумовой структуроскопии и измерения упругих напряжений в ферромагнитных сталях .

Разработана теория восстановления внутренней структуры и напряженного состояния объ-ектов с использованием методов решения обратных некорректных задач с априорными условия-ми и обучающих алгоритмов . Эта теория легла в основу разработки таких методов реконструк-ции, как малоракурсная, малопроекционная и низкоэнергетическая рентгеновская томография . Разработаны математические методы реконструкции изображений из существенно ограничен-ных и зашумленных рентгеновских данных применительно к томографии сложных технических и биологических объектов [10] .

Разрабатываются вероятностные методы прогнозирования остаточного ресурса сложных технических объектов, принципы построения систем непрерывного мониторинга конструкций по данным многосенсорной информации, а также основанные на них новые технические сред-

Рис . 6 . Аппаратура для ультразвукового контроля дефектов поршней дизельных

двигателей



Беларуси

25

ства диагностирования и мониторинга технического состояния несущих конструкций уникаль-ных строительных объектов .

Наиболее значимые разработки: магнитошумовая аппаратура, позволяющая осуществлять контроль остаточных и приложенных напряжений в стальных конструкциях, свойств поверх-ностно упрочненных и обезуглероженных слоев, качества термообработки, шлифовочных при-жогов и др .; новые алгоритмы и программное обеспечение для решения задач томографической визуализации, пакеты прикладных программ для малопроекционной малоракурсной рентгенов-ской томографии; системы мониторинга технического состояния несущих конструкций уни-кальных строительных объектов республики (культурно-спортивный комплекс «Минск-Арена», строящиеся спортивный комплекс «Фристайл-Центр», культурно-спортивный комплекс «Чи-жовка-Арена», высотное здание «Парус» Бизнес-Центра в Минске и др .) (рис . 7) .

Наиболее перспективными в настоящее время являются исследования в области физики НК, ориентированные на решение практических задач с учетом их востребованности отраслями на-родного хозяйства .

Для машиностроительной отрасли – разработка методов и средств контроля:дефектов сплошности литья и несущих литосварных металлоконструкций (в том числе боль-

шегрузных автомобилей) . Перспективны как развитие акустических методов и средств контроля, так и разработка отечественного промышленного рентгеновского томографа для трехмерной визуа-лизации отливок, дефектоскопии и размерометрии сложнопрофилированных изделий;

дефектов сварных соединений как сложных по геометрии (фланцы картера заднего моста автомобилей, рамные конструкции кузовов дорожных машин и др .), так и выполненных специ-альными способами сварки (диффузионной, электрошлаковой, электронно-лучевой и др .);

Рис . 7 . Системы мониторинга технического состояния несущих конструкций строящихся объектов: а – несущая ме-таллоконструкция спортивного комплекса «Фристайл-Центр» (г . Минск); б – установленный датчик деформаций на элементе металлоконструкции; в – несущая металлоконструкция культурно-спортивного комплекса «Чижовка-Аре-

на» (г . Минск); г – установленный датчик деформаций на элементе металлоконструкции



Беларуси

26

структуры чугунов в условиях производства с целью их разбраковки по маркам (серый, высо-копрочный и др.);

дефектов адгезионного соединения разнородных материалов (например, дефектов наплавок баббитовых подшипников и др.);

глубины и твердости поверхностно упрочненных слоев (после закалки ТВЧ, цементации, азо-тирования и других видов химико-термической обработки);

внутренних механических напряжений (в том числе усилий затяжки резьбовых соединений) на базе методов акустической тензометрии;

деградации физико-механических свойств металлов на базе развиваемых контактно-дина-мического, магнитошумового методов и др.

Для строительной отрасли:развитие физических принципов, математических алгоритмов, программного обеспечения,

разработка датчиков, средств передачи, обработки и отображения многосенсорной информации для систем мониторинга технического состояния несущих строительных конструкций высот-ных и большепролетных зданий и сооружений;

развитие метода динамического индентирования применительно к контролю трещиностой-кости и ударной вязкости строительных материалов (бетонов, асфальтобетонов и др.), разработ-ка методики оценки характеристик разрушения материалов по параметрам микроударного де-формирования, аппаратуры для контроля трещиностойкости материалов.

Для электроэнергетики:разработка и внедрение новых методов и средств диагностики технического состояния сило-

вого электрооборудования (трансформаторов, генераторов, двигателей, высоковольтных линий и др.) и электротехнических сталей;

Для атомно-силовой и оптической микроскопии биологических объектов: разработка методик моделирования видеоизображений с выходов оптических и атомно-си-

ловых микроскопов в целях диагностики новых материалов и биологических объектов, алгорит-мов обнаружения и фильтрации объектов, оценки их параметров; построение траекторий выде-ленных объектов с оценкой параметров их движения; классификация объектов по заданным признакам.

Для микроэлектроники:создание сканирующего микроволнового микроскопа для локального контроля электрофизи-

ческих свойств полупроводниковых материалов интегральных микросхем, совмещающего функции как атомно-силовой, так и СВЧ-микроскопии (совместно с Институтом тепло- и массо-обмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, КБТМ-ИТЦ, УП «Белмикросистемы»).

Для аэрокосмической отрасли:разработка и внедрение новых модификаций магнитодинамических и электронных пондеро-

моторных толщиномеров специальных защитных покрытий (многослойных покрытий, покры-тий из слабомагнитной металлокерамики и др.) элементов жидкостно-реактивных двигателей, в том числе в труднодоступных зонах;

разработка термоэлектрического толщиномера защитных никелевых покрытий на подлож-ках из нержавеющих сталей ферритного класса;

разработка аппаратуры для контактно-динамического контроля комплекса физико-механи-ческих свойств специальных материалов (фторопластов, углепластиков и др.);

разработка новых методов, алгоритмов для реконструкции в реальном времени полей кон-центрации электронов в ионосфере над территорией Республики Беларусь с использованием данных от высокоорбитальных (ГЛОНАСС/GPS) навигационных спутниковых систем (монито-ринг состояния ионосферы позволит повысить устойчивость радиосвязи, достоверность прогно-зирования природных явлений).

Для медицинской диагностики:разработка методик реконструкции трехмерных изображений для рентгеновского томографа

с целью получения высококачественных изображений в условиях пониженной лучевой нагрузки.



Беларуси

Развитие эталонной базы:разработка эталона переменных магнитных полей в диапазоне 10–4–20 мТл с частотами 20–

1000 Гц, что позволит завершить создание эталонов в широком диапазоне магнитных полей с учетом разработанных ранее в институте двух Национальных эталонов магнитной индукции соответственно на диапазоны 50 мТл – 2 Тл и 0–50 мТл (создание эталонов обеспечит возмож-ность метрологической аттестации в республике средств магнитных измерений, магнитного НК, источников магнитных полей);

разработка эталонной установки и стандартных образцов для воспроизведения, хранения и передачи размера единиц удельных магнитных потерь и магнитной индукции в электротехни-ческой стали.

Перспективы дальнейшего развития в республике физики НК как приоритетного направления научной и научно-технической деятельности связаны с расширением исследований, ориентиро-ванных как на решение перспективных и актуальных задач для различных отраслей народного хозяйства, так и на создание наукоемких экспортно ориентированных инновационных разработок с высокой добавленной стоимостью. Для решения этих задач весьма важна координация усилий различных научных коллективов в институтах НАН Беларуси, университетах, отраслевых НИИ, которые в той или иной мере развивают отдельные методы НК. В этом смысле трудно переоценить деятельность Института прикладной физики НАН Беларуси как головной организации в стране по координации фундаментальных и прикладных научных исследований в рамках подпрограммы «Техническая диагностика» государственной программы научных исследований «Механика, тех-ническая диагностика, металлургия» (2011–2015 гг.).

15 октября 2013 г. Институту прикладной физики НАН Беларуси исполнилось 50 лет. Свой юбилей институт встречает в обстановке проводимых в стране преобразований, направленных на усиление инновационного развития экономики, повышение качества и конкурентоспособно-сти продукции, модернизации всех сфер народного хозяйства. Не вызывает сомнения, что акту-альность научных исследований и инновационных разработок института в области физики не-разрушающего контроля и технической диагностики как важнейшего приоритетного направле-ния научной и научно-технической деятельности в этих условиях будет неуклонно возрастать.


1. Макаров Ю. Н., Лухвич А. А., Шипша В. Г. и др. Актуальные проблемы неразрушающего контроля качества космической техники. Санкт-Петербург, 2008.

2. Чернышев А. В. // Докл. НАН Беларуси. 2006. Т.50, 4. С. 40–45.3. Матюк В. Ф., Бурак В. А., Короткевич З. М., Осипов А. А. // Неразрушающий контроль и диагностика. 2012.

1. С. 25–49. 4. Мигун Н. П., Волович И. В. // Неразрушающий контроль и диагностика. 2012. 1. С. 50–65.5. Брановицкий И. И., Размыслович Г. И., Мацкевич П. Д. // Энергетика. Известия высших учебных заведений

и энергетических объединений СНГ. 2007. 2. С. 5–11.6. Артемьев В. М., Наумов А. О., Йениш Г.-Р. Реконструкция динамических изображений в томографии процес-

сов. Мн., 2004.7. Рудницкий В. А., Крень А. П. Испытание эластомерных материалов методом индентирования. Мн., 2007.8. Михнев В. А. Реконструктивная микроволновая структуроскопия многослойных диэлектрических сред. Мн.,

2002. 9. Баев А. Р., Майоров А. Л., Асадчая М. В., Коновалов Г. Е. // Достижения физики неразрушающего контроля: Сб.

науч. тр. Мн., 2011. С. 13–18.10. Венгринович В. Л., Золотарев C. А. Итерационные методы томографии. Мн., 2009.

N. P. MIGOUN, S. A. NOVIKOV

DEVELOPMENT OF NON-DESTRUCTIVE TESTING AND TECHNICAL DIAGNOSTICS AT THE INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS OF NAS OF BELARUS

Summary

The results of last basic and applied researches obtained at the Institute of Applied Physics of NAS of Belarus in the field non-destructive testing are presented in the paper. Brief information concerning major practical works in this field is presented as well.



Беларуси

28


МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 621.74:669.714

Е. И. МАРУКОВИЧ, В. Ю. СТЕЦЕНКО, К. Н. БАРАНОВ

ВЛИЯНИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ЗАЭВТЕКТИЧЕСКОГО СИЛУМИНА НА ИХ СТРУКТУРУ ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ ЦЕНТРОБЕЖНОМ ЛИТЬЕ

Институт технологии металлов НАН Беларуси


Введение . Заэвтектический силумин является новым перспективным материалом для про-мышленности . Относительно низкий коэффициент линейного расширения и высокие антифрик-ционные свойства позволяют с успехом использовать детали из заэвтектического силумина в узлах трения машин, станков и механизмов вместо аналогичных деталей из бронз [1–3] .

Обычно содержание кремния в заготовках из заэвтектического силумина составляет от 14 до 18 % . Основная трудность получения отливок с необходимыми механическими и антифрикци-онными свойствами – измельчение алюминиево-кремниевой эвтектики и первичных кристаллов кремния . Для этого обычно используют фосфористую медь и натрийсодержащий флюс . При этом первый модификатор измельчает только первичные кристаллы кремния, а второй – только алюминиево-кремниевую эвтектику . Фосфористая медь и натрийсодержащий флюс нейтрализу-ют друг друга, что создает значительные технологические трудности получения полностью мо-дифицированной структуры в отливках из заэвтектического силумина . Это сдерживает массо-вое применение данного перспективного материала в промышленности . Известно, что охлажде-ние литых заготовок является универсальным средством модифицирования их структуры . Поэтому при вертикальном центробежном литье использовали охлаждение изложницы и вну-тренней поверхности отливки .

Цель данной работы – исследование влияния интенсивности охлаждения изложницы и вну-тренней поверхности отливки из заэвтектического силумина при вертикальном центробежном литье для получения заготовок с полностью модифицированной микроструктурой .

Материал и методика исследования. В качестве материала исследования выбран заэвтек-тический силумин АК15М3, содержащий в среднем 15 и 3 мас . % кремния и меди . Расплав гото-вили в термической печи Snol-1300 . Модификаторы не применяли . Разливку жидкого металла осуществляли при температуре 850 ºС на опытной установке вертикального центробежного ли-тья . При исследовании влияния интенсивности охлаждения изложницы на структуру отливок использовали стальную литейную форму с внутренним диаметром 135 мм, длиной 150 мм и тол-щиной стенки 7 мм . Для увеличения площади охлаждаемой поверхности она была выполнена профилированной: на наружной поверхности изложницы наносились поперечные пазы глуби-ной 2 мм, шириной 7 мм и шагом 10 мм . Гравитационный коэффициент равен 130 при скорости вращения литейной формы 1660 об/мин . Использовали спрейерное охлаждение наружной по-верхности изложницы водой с расходом от 0,32 до 0,42 м3/ч .

При исследовании влияния интенсивности охлаждения внутренней поверхности отливки на ее структуру применяли стальную литейную форму с внутренним диаметром 90 мм, длиной 150 мм и толщиной стенки 5 мм . Гравитационный коэффициент равен 130 при скорости враще-



Беларуси

29

ния литейной формы 1800 об/мин . Использовали спрейерное охлаждение ее наружной поверх-ности водой с расходом 0,42 м3/ч . Объем охладителя (воды) внутренней поверхности отливки составлял до 5·10–4 м3 . Если количество охлаждающей воды было более 5·10–4 м3, то она полно-стью не испарялась, что нарушало технологичность и безопасность процесса литья .

Из средних частей отливок вырезались поперечные кольцевые образцы . После их шлифовки, полировки и химического травления раствором плавиковой кислоты шлифы анализировали ме-тодом металлографического анализа с помощью аппаратно-программного комплекса на базе микроскопа Carl Zeiss «Axiotech vario» .

Результаты и обсуждение. Структура отливок. В экспериментах по исследованию влия-ния интенсивности охлаждения изложницы на структуру получали полые отливки со средней толщиной стенки 14 мм . Структура кольцевых образцов в радиальном направлении состояла из двух зон: наружной (основной) эвтектической и внутренней заэвтектической . При охлаждении изложницы водой с расходом 0,32 м3/ч микроструктура основной зоны отливки была представ-лена пластинчатыми кристаллами эвтектического кремния длиной 8–9 мкм, которые равномерно распределялись в алюминиевой α-фазе (рис . 1, а) . При этом ширина внутренней зоны составляла 1,5 мм . В ней кристаллы первичного кремния имели среднюю дисперсность 45 мкм, а пластин-чатого эвтектического кремния – среднюю дисперсность 15 мкм . При охлаждении изложницы водой с расходом 0,35–0,38 м3/ч микроструктура основной зоны отливки была представлена пла-стинчатыми и компактными кристаллами эвтектического кремния и алюминиевой α-фазой . Дисперсность пластинчатого кремния составляла 7–8 мкм, а компактного эвтектического крем-ния – 3,5–4,5 мкм . Ширина внутренней зоны 1–1,5 мкм, где кристаллы первичного кремния име-ли дисперсность 35–40 мкм . Эвтектический кремний представлен пластинчатыми кристаллами со средней дисперсностью 8 мкм и компактными кристаллами со средней дисперсностью 5 мкм . При охлаждении изложницы водой с расходом 0,42 м3/ч микроструктура основной зоны отливки была представлена компактными (модифицированными) кристаллами кремния (средняя микро-структура 3,1 мкм), которые равномерно распределялись в алюминиевой α-фазе (рис . 1, б) . При этом ширина внутренней зоны составляла 0,5–1 мм . В ней кристаллы первичного кремния име-ли среднюю дисперсность 30 мкм . Эвтектический кремний представлен пластинчатыми и ком-пактными кристаллами со средним размером 8 и 4,5 мкм соответственно . Поскольку во вну-тренних зонах исследуемых отливок наблюдалась усадочная пористость, то эти двухфазные зоны составляли припуск на механическую обработку . Заготовки с полностью компактными кристаллами кремния получались при охлаждении изложницы водой с расходом 0,42 м3/ч .

В экспериментах по исследованию влияния интенсивности охлаждения внутренней поверх-ности отливки на ее структуру получали полые заготовки со средней толщиной стенки 12 мм . Структура кольцевых образцов в радиальном направлении также состояла из двух зон: наруж-

Рис . 1 . Микроструктура основной зоны отливок диаметром 135 мм из силумина АК15МЗ при водоспрейерном ох-лаждении изложницы с расходом охладителя 0,32 м3/ч (а) и 0,42 м3/ч (б), ×500



Беларуси

30

ной эвтектической и внутренней заэвтектиче-ской . В отсутствии водяного охлаждения вну-тренней поверхности отливки микроструктура ее наружной зоны представлена компактными кристаллами кремния со средним размером 3,8 мкм, которые равномерно распределены в алюминие-вой α-фазе (рис . 2) . При этом ширина внутренней зоны составляла 1–2 мм . В ней кристаллы пер-вичного кремния имели среднюю дисперсность 25 мкм, а компактного эвтектического кремния – среднюю дисперсность 5,6 мкм . Ширина пори-стой зоны составляла до 2 мм, поэтому без зоны припуска на механическую обработку заготовки имели эвтектическую микроструктуру . При ох-лаждении внутренней поверхности отливки охла-дителем в количестве 5·10–4 м3 микроструктура ее наружной зоны была представлена компактными

кристаллами кремния со средним размером 3 мкм, которые равномерно распределены в алюми-ниевой α-фазе (рис . 3, а) . При этом ширина внутренней заэвтектической зоны составляла 6–7 мм . В ней кристаллы первичного кремния имели среднюю дисперсность 18 мкм, а компактного эвтек-тического кремния – среднюю дисперсность 4,2 мкм (рис . 3, б) . Ширина пористой зоны до 1 мм . Поэтому полученные заготовки являются биметаллическими: наружный слой до половины тол-щины стенки является эвтектическим силумином, а внутренний слой – заэвтектическим силу-мином . Отливки имеют полностью модифицированную структуру . Биметаллические отливки получались в основном при охлаждении их внутренних поверхностей водой в количестве 2,5·10–4–5·10–4 м3 . При этом с повышением массы охладителя ширина двухфазной зоны увеличи-валась от 4 до 7 мм . Дисперсность кристаллов первичного и эвтектического кремния практиче-ски не изменилась . Ширина пористой зоны достигала 1,5 мм .

Заключение. Установлено, что охлаждение водой изложницы и внутренней поверхности от-ливки из силумина АК15М3 при вертикальном центробежном литье оказывает существенное влияние на ее структуру . При спрейерном охлаждении профилированной стальной изложницы с внутренним диаметром 135 мм и толщиной стенки 7 мм водой с расходом 0,32–0,42 м3/ч ми-кроструктура отливок с толщиной стенки 14 мм из заэвтектического силумина АК15М3 эвтек-тическая . Полые заготовки с компактными (модифицированными) кристаллами кремния будут получаться при расходе охладителя не менее 0,42 м3/ч . При охлаждениях стальной изложницы

Рис . 2 . Микроструктура наружной зоны отливок диа-метром 90 мм из силумина АК15МЗ, полученных без применения принудительного охлаждения внутрен-

ней поверхности: ×500

Рис . 3 . Микроструктура отливок диаметром 90 мм из силумина АК15МЗ, полученных при объеме охладителя 5·10–4м3: а – наружная зона (×500); б – внутренняя зона (×100)



Беларуси

с внутренним диаметром 90 мм, толщиной стенки 5 мм водой с расходом 0,42 м3/ч и внутренней поверхности отливки с толщиной стенки 12 мм из силумина АК15М3 водой в количестве 2,5·10–4–5·10–4 м3 получаются биметаллические заготовки . Их наружные слои состоят из эвтек-тического силумина с компактными кристаллами кремния, а внутренние слои – из заэвтектиче-ского силумина с кристаллами высокодисперсного первичного и компактного эвтектического кремния . Такая микроструктура значительно повышает антифрикционные свойства силумина АК15М3 и позволяет использовать его в качестве материала для подшипников скольжения вза-мен аналогичных подшипников из антифрикционных бронз .

Таким образом, охлаждение изложницы и внутренней поверхности отливки из заэвтектиче-ского силумина АК15М3 водой позволяет получать отливки с полностью модифицированной микроструктурой без применения модификаторов .


1 . Марукович Е. И., Стеценко В. Ю. Модифицирование сплавов . Мн ., 2009 . 2 . Стеценко В. Ю. // Техника, экономика, организация . 2009 . 3 . С . 21–23 .3 . Марукович Е. И., Стеценко В. Ю. // Технологии литья и металлургии: Сб . науч . тр . к 40-летию Института тех-

нологии металлов НАН Беларуси . Мн ., 2010 . С . 67–72 .

E. I. MARUKOVICH, V. Yu. STETSENKO, K. N. BARANOV

EFFECT OF COOLING OF HYPEREUTECTIC SILUMIN CASTINGS ON THEIR STRUCTURE AT VERTICAL CENTRIFUGAL CASTING

Summary

The influence of cooling intensity of steel molds with internal diameters of 135 mm and 90 mm, wall thickness of 7 mm and 5 mm and silumin AK15M3 casting, at vertical centrifugal casting, on their structure is investigated . It’s found that water cooling of mold at a rate of 0 .42 m / h, and water cooling of inner surfaces of castings with a wall thickness of 12–14 mm at a rate of 2 .5 .10–4 –5 .10–4 m3 can produce a fully modified microstructure without modifiers .



Беларуси

32


УДК 621.1

Р. И. ЕСЬМАН, Е. И. МАРУКОВИЧ

РАСЧЕТ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В КОНТАКТНОЙ ЗОНЕ ОТЛИВКИ И ФОРМЫ

Белорусский национальный технический университет


Введение. В работе исследуется сложный теплообмен в системе сопряженных тел отливка – газовоздушный зазор – теплоизоляционное покрытие – металлическая форма – окружающая среда . Разработана методика расчета температурных напряжений и деформаций литых загото-вок прямоугольного и цилиндрического сечений на стадиях затвердевания и охлаждения отли-вок из высокопрочных алюминиевых сплавов . Проведен анализ оптимальных параметров полу-чения высокопрочных отливок в специальных технологиях литья .

Математическая модель. Математическая модель процессов затвердевания и охлаждения отливки в литейной форме включает в себя: систему дифференциальных уравнений, описываю-щих температурное поле в отливке и форме, и краевые условия, состоящие из начальных усло-вий (распределение температуры по сечению тел в начальный момент времени), граничных ус-ловий, выражающих закон теплового взаимодействия системы сопряженных тел многослойной стенки, геометрических условий и теплофизических свойств взаимодействующих тел .

В результате исследований установлено [1], что на контактной границе отливка – металличе-ская форма возникает температурный градиент, который объясняется наличием между отливкой и формой контактной поверхности, состоящей из слоев теплоизоляционного покрытия (краски) и газового зазора, толщина которого изменяется во времени и в пространстве . Краска и газовая прослойка (продукты сублимации, выгорания и разложения кокильных красок, газовыделений из отливки и формы и т . п .) оказывают значительное термическое сопротивление, существенно влияющее на процесс формирования отливки . При разработке математической модели следует учитывать термодеформационное взаимодействие полей температур, температурных напряже-ний и деформаций, а также их взаимное влияние в процессах затвердевания и охлаждения от-ливок в условиях нестационарного теплообмена .

Располагаем системой сопряженных тел (форма, отливка, покрытие), одно из которых (отлив-ка) в процессе охлаждения изменяет агрегатное состояние . В данной работе анализ тепломассо-переноса проводится с учетом фазовых превращений и зависимостей теплофизических характе-ристик сопряженных тел от температуры .

Рассмотрим теплофизические особенности процессов затвердевания и охлаждения прямоу-гольной и цилиндрической отливок в металлической форме . С внутренней поверхности форма покрыта слоем краски толщиной крδ . В процессе охлаждения в нестационарном температурном поле возникают температурные напряжения и металлическая форма деформируется за счет на-гревания . В результате взаимодействия полей температур и напряжений после образования в отливке твердой корки в контактной зоне возникает газовый зазор, изменяющийся во времени . В общем случае охлаждение отливки с наружной поверхности происходит за счет теплопереда-чи через газовоздушный слой, покрытие, металлическую форму в окружающую среду .

Расчет заготовки прямоугольного сечения. Найдем распределение температуры в системе сопряженных тел для каждого момента времени . В этих условиях температурное поле много-слойной стенки описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений переноса те-плоты (ввиду нелинейности потоков теплоты и граничных условий) с соответствующими крае-



Беларуси

33

выми условиями [2] . Изменение температуры по сечению (вдоль координаты х) в любой момент времени для каждого слоя многослойной стенки определяется из решения системы дифференци-альных уравнений теплопроводности:

1 1

1 1 1 1 1 1( , , ) ( , , )( ) ( ) ( )Т х у t T x у tс Т Т T

t x x∂ ∂∂ ρ = λ + ∂ ∂ ∂

11 1

( , , )( ) ;Т х у tТу у ∂∂λ ∂ ∂

,

(1*)

где i – индекс, определяющий принадлежность уравнения и параметров к различным слоям мно-гослойной стенки; ( )i iс T – удельная теплоемкость i-го слоя как функция температуры; ( )i iTρ – плотность материала i-го слоя как функция температуры; ( )i iTλ – коэффициент теплопроводно-сти i-го слоя как функция температуры; х – координата, направленная по нормали к поверхности стенки .

Поле температур в отливке (i = 1) и форме (i = 2) описывается дифференциальными уравне-ниями:

1 1

1 1 1 1 1 1( , , ) ( , , )( ) ( ) ( )Т х у t T x у tс Т Т T

t x x∂ ∂∂ ρ = λ + ∂ ∂ ∂

( ) 11 1

( , , ) ;Т х у tТу у ∂∂λ ∂ ∂

(1)

2 2

2 2 2 2 2 2( , , ) ( , , )( ) ( ) ( )Т х у t T x у tс Т Т T

t x x∂ ∂∂ ρ = λ ∂ ∂ ∂

( ) 22 2

( , , ) ,Т х у tТу у ∂∂

+ λ ∂ ∂ (2)

где 1 1 1 1, , ,с Тρ λ и 2 2 2 2, , ,с Тρ λ – теплофизические характеристики и температуры отливки и фор-мы соответственно .

Сформулируем граничные и контактные условия . Контактные условия ставятся на общей границе отливки и формы исходя из условий сопряжений .

Рассматривая теплоотдачу от отливки к форме через двухслойную стенку (воздух + покры-тие), граничные условия можно записать в виде

–

покрв1 2

покр1 21 2

покр в

покр

[ ( , ) ( , )] ( , )( , )

( , )( , )

л

л

Т у t T у t у tу tТ Т

х х у tу t

λ λ− + α δ δ∂ ∂ λ = −λ =λ λ∂ ∂

+ + αδ δ

при ; 0 ;о ох а у b= ≤ ≤ (3)

–

покрв1 2 л

покр1 21 2

покр в

покр

[ ( , ) ( , )] ( , )( , )

( , )( , ) л

Т х t T х t х tх tТ Т

у у х tх t

λ λ− + α δ δ∂ ∂ λ = −λ =λ λ∂ ∂

+ + αδ δ

при ; 0 ,о оу b х а= ≤ ≤ (4)

где покр в,λ λ – теплопроводность покрытия и воздуха; ( , )х tδ – зазор в контакте oу b= в момент времени t; ( , )у tδ – зазор в контакте ox a= в момент времени t;

2 2л 1/ 2 1 покр 1 покр( )( ),Т Т Т Тα = ε σ + + (5)

где покрТ – температура поверхности покрытия, смежной с отливкой, определяется так:

покр в2 1 л

покрпокр

покр вл

покр

.Т Т

Т

λ λ + + α δ δ =

λ λ+ + α

δ δ

(6)

Значения 1 2,Т Т и δ берутся в соответствующей точке контактной поверхности, в которой определяются покрТ и лα . При записи условий (3) и (4) учитывали только процесс теплопрово-

л

л

л



Беларуси

34

дности через покрытие, слой воздуха и процесс теплового излучения в газовоздушном зазоре . Процессом конвекции в зазоре пренебрегаем .

Продолжим формулировку граничных условий . На осях симметрии можно записать

1 2 0Т Т

х х∂ ∂

= =∂ ∂

при 0;у =

1 2 0Т Ту у

∂ ∂= =

∂ ∂ при 0 .х =

Предполагая, что теплообмен с наружной поверхности формы можно представить по закону Ньютона, будем иметь

2

2 2( )Т Т Тх ∞

∂−λ = α −

∂ при х = а;

2

2 2( )Т Т Тх ∞

∂−λ = α −

∂ при у = b,

где ∞Т – температура внешней среды; α – коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности

формы .Предполагаем, что газовоздушный зазор δ изменяется по параболическому закону:

2max1

2 2

2 11 ;jj

M N

+ δ = δ − +

2max2

1 1

2 11 ,ii

M N

+ δ = δ − +

где max1δ и max

2δ – деформации формы в точках: 2 10; ; ; 0i j M i M j= = = = соответственно .Получаем

[ ]

2max 1 1 12 3

2 2 2

mom (2 )3 ;2 ( )

M hN M h E

δ = −−

[ ]

2max 2 2 21 3

1 1 1

mom (2 )3 ,2 ( )

M hN M h E

δ = −−

где mom1 и mom2 – максимальные моменты изгиба в продольной и поперечной балках формы, определяются таким образом:

2

2

2 21mom ,

2

N

j jj M

M NL j=

+ = ε − σ

∑

где 2 21 при или ;21в остальных случаях;

jj M j N = =ε =

1

1

1 12mom ,

2

N

i ii M

M NL i=

+ = ε − σ

∑

где 1 11 при или ;21в остальных случаях .

ii M i N = =ε =

Напряжения в сечениях стенок формы по осям:



Беларуси

35

0

,0 , 10 21

2i i

i i E T T− υ + υ σ = −β + − +

1

0

1

,0 , 10 2

1 1

1 1 ,2

Ni i

i ii M

E T TN M

−

=

υ + υ ε β + − −

∑

0

0, 1,0 21

2j j

j j E T T− υ + υ σ = −β + − +

2

0

2

0, 1,0 2

2 2

1 1 ,2

Nj j

j jj M

E T TN M

−

=

υ + υ ε β + − −

∑

где iβ и jβ – коэффициенты температурного расширения материала; iε – относительная дефор-мация .

Расчет заготовки цилиндрического сечения. Найдем решение температурного поля для многослойного цилиндрического тела с переменными теплофизическими характеристиками каждого слоя . Дифференциальное уравнение теплопроводности для каждого из слоев в цилин-дрических координатах имеет вид

. (7)

Здесь j – индекс, определяющий принадлежность уравнения к различным слоям составного тела, представляющего систему набора коаксиальных труб; сj (Тj) – теплоемкость j-го слоя как функ-ция температуры; r – цилиндрическая координата (радиус); λj (Тj) – коэффициент теплопрово-дности j-го слоя как функция температуры .

Уравнение для покрытия введено с целью получения идентичных условий теплового сопря-жения на границе слоев, которые могут быть записаны в виде

1

1

1

( ) ( ) при ;j jj j j j j

j j

Т TТ = Т r = R

r rT = T ,

−− −

−

∂ ∂λ λ

∂ ∂

1 (8)

где Rj – радиус сопряжения j-го и ( j–1)-го слоев .Для расчета температурных напряжений в металлической форме рассмотрим бесконечно

длинный полый цилиндр с внутренним а0 и наружным а радиусами, в котором температура рас-пределена по поперечному сечению неравномерно . При этом возникают напряжения двух родов: радиальные σr и тангенциальные σΘ . Относительная деформация в радиальном направлении рассчитывается по формуле

[ ]1 ( ) (1 )r r r z ТvЕ Θ

+ νε = σ − ν σ −σ − νε + +β , (9)

где ν – коэффициент Пуассона; β – коэффициент термического расширения; Е – модуль упруго-сти; εz – постоянная деформация вдоль оси z; σr, σΘ – радиальные и тангенциальные напряжения, определяемые по формулам соответственно:

[ ] [ ]0 0

202

0 02 2 20

1 1( ) ( ) ;1

a r

ra a

aE r r T r T dr r T r Т dr

a a r

− σ = β − − β −

− ν −

∫ ∫ (10)

[ ] [ ] [ ]0 0

02

0 0 02 2 20

1 1( ) ( ) ( ) .1

b r

a a

aЕ r r T r T dr r T r Т dr Т r Т

a a rΘ

+ σ = β − + β − −β −

− ν −

∫ ∫

(11)

Постоянная деформация вдоль оси z вычисляется из условия

0

0,a

za

r drσ =∫

где ( ) ( ) .z z rE T Θσ = ε −β + ν σ + σ



Беларуси

Используя выражение для σr и σΘ, находим величину постоянной деформации вдоль оси z:

0

02 20

2 [ ( ) ] .a

za

r T r T dra a

ε = β −− ∫ (12)

Реализация решения задачи сложного теплопереноса осуществлена численными методами по разработанным алгоритмам [1] .

Заключение. Разработана математическая модель и приведено численное решение сложного теплообмена в контактной зоне отливки и металлической формы с учетом температурных де-формаций металлической формы и усадки материала отливки в процессах затвердевания и ох-лаждения .

Результаты численного эксперимента позволяют определить характер распределения темпе-ратуры, динамику температурных напряжений и деформаций в условиях изменяющегося во вре-мени газовоздушного зазора между отливкой и покрытием формы .

Представленное решение задачи теплопереноса в системе сопряженных тел может быть ис-пользовано для определения оптимальных режимных параметров получения высококачествен-ных отливок сложной геометрии из высокопрочных алюминиевых сплавов .


1 . Есьман Р. И., Жмакин Н. П., Шуб Л. И. Расчеты процессов литья . Мн ., 1977 .2 . Есьман Р. И., Марукович Е. И. // Весцi НАН Беларусi . Сер .-фiз . тэхн . навук . 2012 . 3 . С . 5–9 .

R. I. ESMAN, E. I. MARUKOVICH

CALCULATION OF HEAT TRANSFER IN THE CONTACT AREA OF CASTING AND MOLD

Summary

A mathematical model for calculation of heat fields, thermal stresses and strains in castings having rectangular and circu-lar sections is presented . It can be used for calculation of solidification and cooling of high-strength castings . The solution is realized by numeric methods according developed algorithms .



Беларуси

37


УДК 537.622:538.216.2

В. М. ФЕДОСЮК

МАГНИТНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОСТРУКТУРЫ

Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению


Существующие в настоящее время магнитные наноматериалы и наноструктуры можно раз-делить на шесть больших групп [1–3] (рис . 1) . Это пленки со столбчатым типом кристаллической структуры, аморфные и нанокристаллические, многослойные структуры, гранулированные, или так называемые пленки неоднородных сплавов, квазиоднородные сплавы и спиновые стекла и, наконец, нанопроволоки . Следует отметить, что нет четкой границы между этими типами на-норазмерных материалов: например, многослойные структуры с очень тонкими чередующимися слоями ведут себя подобно гранулированным покрытиям; нанопроволоки могут быть получены как однородные, так и многослойные и гранулированные и т . д .

Все вышеприведенные типы наноразмерных материалов могут быть получены посредством электролитического осаждения, а некоторые из них (например, нанопроволоки) – исключитель-но только электрохимически . Такие преимущества метода электролитического осаждения, как низкая себестоимость, высокая производительность и легкость автоматизации процесса делают его весьма привлекательным и с практической точки зрения . Все указанные выше типы пленоч-ных наноструктур (рис . 1) получаются и исследуются в Лаборатории физики магнитных пленок (ЛФМП) ИФТТП НАН Беларуси . В настоящей работе рассматриваются лишь наноматериалы ти-пов I, II, III и YI (рис . 1) . Аморфные и нанокристаллические образцы, а также частный вид нано- 1) . Аморфные и нанокристаллические образцы, а также частный вид нано-1) . Аморфные и нанокристаллические образцы, а также частный вид нано-проволок в пористом анодированном алюминии обсуждаются в отдельных работах сотрудника-ми ЛФМП [4, 5] .

Рис . 1 . Типы магнитных наноматериалов



Беларуси

38

Пленки со столбчатым типом кристаллической структуры. Одним из путей повышения плотности магнитной записи в устройствах хранения и обработки информации является верти-кальный способ записи . Емкость запоминающего устройства, использующего такой тип записи, может быть повышена более чем на порядок по сравнению с системами, полученными обычным традиционным продольным способом записи информации . Для этой цели необходимы магнит-ные носители с высокой перпендикулярной анизотропией . Кристаллографическая магнитная анизотропия сплавов металлов на основе кобальта (т . е . [001] текстура ГПУ-Со) недостаточна для получения требуемых магнитных характеристик свойств из-за того, что энергия размагничива-ющих полей Edm∼ MS

2 ∼ 107 эрг/см3 больше энергии кристаллографической магнитной анизотро-пии EA∼4,2·106 эрг/см3 . Имеется возможность превысить энергию размагничивания, стремящую-ся расположить вектор намагниченности в плоскости пленок, либо уменьшением намагничен-ности материала (это не самый лучший вариант, так как будет уменьшаться и считываемый сигнал), либо добавлением к кристаллографической энергии некой дополнительной составляю-щей . Это может быть, например, энергия анизотропии формы столбчатых кристаллитов . Можно создать такую микроструктуру пленок, когда наноразмерные (примерно 10 нм), иглообразные зерна-столбики простираются по всей толщине пленки (рис . 2) . В этом случае величина суммы кристаллографической магнитной энергии и энергии анизотропии формы столбчатых гранул может превысить значение энергии размагничивающих полей .

В зависимости от условий получения (как состав электролита, так и режимы электроосажде-ния: кислотность электролита рН, катодная плотность тока осаждения iк и температура электро-лита T, °C) можно регулировать не только тип кристаллической микроструктуры, но и варьиро-вать в широком диапазоне диаметр столбчатых зерен, а также расстояние между ними . В резуль-тате магнитные свойства пленок, включая перпендикулярную и плоскостную анизотропии, могут задаваться в широком интервале величин . Достигнутые нами магнитные параметры, та-кие как остаточная намагниченность в направлении, перпендикулярном плоскости пленки Mr⊥, и коэрцитивная сила в том же направлении HC⊥, составляют соответственно 0,1–0,3 (Mr⊥ > MrII в 2–3 раза) и 1000–2000 Э (HC⊥ > HCII) . Приведенные характеристики электроосажденных магни-тожестких пленок Co, CoW и CoNiW с перпендикулярной анизотропией и столбчатым ти пом кристаллической структуры открывают перспективы их практического применения в устройствах хранения информации с вертикальным способом записи .

Многослойные пленки. Импульсное электроосаждение из одного электролита является од-ним из технологически простых методов получения многослойных структур . Такие ферромаг-нитные металлы, как кобальт, железо и никель или их сплавы, и металлы из группы благо- родных элементов (медь, серебро, золото, палладий) могут быть использованы соответственно в качестве магнитных и немагнитных слоев . Получение многослойных структур методом элек-тролитического осаждения из одного и того же электролита основывается на том, что равновес-ный потенциал восстановления ферромагнитных и немагнитных ионов отличается более чем на 400 мВ . Поэтому при малых потенциалах осаждения будут восстанавливаться только такие ме-таллы, как например, медь, серебро или их сплавы, при более высоких потенциалах осаждения – и медь, и например, кобальт, никель, железо или их сплавы . Если выбрать концентрацию ионов меди в электролите, намного меньшую, чем концентрация переходных металлов, то из-за диф-

Рис . 2 . Поперечный излом пленок толщиной 1 мкм со столбчатым типом кристаллической структуры



Беларуси

39

фузионных затруднений переноса ионов меди к катоду скорость осаждения меди будет ограничена независи-мо от величины прикладываемого потенциала . Таким образом, меди в осадке будет намного меньше по срав-нению с элементами группы переходных металлов . Если потенциал осаждения выбрать ϕ = −0,3–0,5 В, плот-ность тока осаждения меди составит iк ∼ 0,4–0,5 мА/см2, что намного меньше минимальной плотности тока осаж-дения кобальта, составляющей примерно 5 мА/см2 (для этого необходимо ϕ ∼ 0,8–0,9 В) . Поэтому при потенци-алах осаждения, меньших примерно −0,8–0,9 В, будет осаждаться только медь, а при более высоких потенци-алах будут осаждаться как медь, так и кобальт . Плотность тока, используемая для осаждения маг-нитного слоя, составляла iк ∼ 100 мА/см2 . Следовательно, скорость осаждения ферромагнитного металла примерно на два порядка превосходит соответствующую скорость осаждения меди . По-этому доля меди в слоях кобальта не превышает нескольких процентов . Таким образом, исполь-зуя единственный (тот же самый) раствор, можно получать многослойную структуру (например, Co/Cu, рис . 3), и толщина слоев будет определяться только величиной и длительностью прикла-дываемых импульсов напряжения .

Гранулированные сплавы. Многослойные пленки, получаемые при приложении очень ко-ротких импульсов тока, в действительности являются многослойными пленками «островково-го» типа, их поведение типично для гранулированных сплавов .

Принимая во внимание полную взаимную нерастворимость кобальта и меди при нормаль-ных условиях, мы попытались получить гранулированные пленки CuCo не в импульсном режи-ме, а при постоянной плотности тока . Использовался следующий состав электролита в г/л: CuSO4 ⋅ 5H2O – 30, CoCl2 ⋅ 6H2O – 3,3, H3BO3 – 6,6, MgSO4 ⋅ 7H2O – 23,3, CoSO4 ⋅ 7H2O – 10–30 . Со-став исследованных образцов задавался изменением концентрации CoSO4 ⋅ 7H2O в электролите . Осаждение велось при pH= 6,0, температуре 20 оC и iк = 5 мА/см2 .

Магнитные измерения проводились на квантовом СКВИД-магнитометре в диапазоне темпе-ратур от 300 до 5 К . На рис . 4 приведены типичные кривые перемагничивания для гранулиро-ванных пленок состава Co11Cu89 . Наличие гистерезиса при низких температурах и его отсут-ствие при высоких температурах, а также отсутствие насыщения намагниченности при высоких полях позволяют предположить, что имеет место смесь ферро- и суперпарамагнитного поведе-ния системы при низких температурах (рис . 4, а) и только суперпарамагнитное поведение систе-мы имеет место при высоких температурах (рис . 4, б) .

Зависимость остаточной намагниченности гранулированных пленок разных составов от температуры показана на рис . 5 . Все кривые, за исключением зависимости для состава Co20Cu80, имеют прогиб, что свидетельствует о наличии некоторой области температур блоки-рования и соответствующего ей диапазона размеров гранул кобальта в матрице меди, который можно варьировать изменением условий и режимов осаждения пленок . Линейное изменение остаточной намагниченности для состава Co20Cu80 предполагает примерно одинаковые разме-

Рис . 3 . Многослойные Co/Cu-пленки . Толщина слоев 5 нм

Рис . 4 . Кривые перемагничивания гранулированных пле нок Co11Cu89: а – при 5 K; б – при 300 K



Беларуси

40

ры кобальтовых частиц в этой пленке . Экс-траполируя значения остаточной намагни-ченности к ну лю, можно оценить макси-мальную температуру блокирования, воз- ра стающую с уве личением концентрации кобальта в пленках .

Для оценки среднего размера частиц ко-бальта можно использовать известное соот-ношение: KAV = 25 kB TB, где KA – константа магнитной анизотропии ферромагнитного включения, V – средний объем частицы, TB – температура блокирования, kB – постоянная Больцмана . Для оценки мы брали значения KA, соответствующие ГЦК-решетке . Резуль-таты суммированы в таблицу .

Нанопроволоки. Одна из главных целей исследования нанопроволок (в первую оче-редь, многослойных) заключалась в реализа-ции эффекта гигантского магнитосопротив-ления (ГМС) в так называемой CPP-геометрии (электрический ток перпендикулярен грани-цам раздела слоев в многослойной структуре) . В этом случае ожидалось, что эффект ГМС будет намного больше, чем в CIP-геометрии (ток в плоскости слоев) . Некоторые исследо-вательские группы (в основном из Бристоля (Великобритания) и Лозанны (Швейцария)) получили ряд многослойных нанопроволок

и подтвердили высказывавшееся предположение . Мы же первыми получили и исследовали на-нопроволоки из неоднородных сплавов, а также многослойные нанопроволоки со сложным пе-риодом спин-клапанного типа . Такие нанопроволоки также обладают ГМС-эффектом, величина которого повышается при отжиге .

Гранулированные нанопроволоки. Нанопроволоки неоднородных сплавов Co–Cu длиной в несколько десятков микрометров и диаметром до 20 нм осаждались в поры стандартных про-мышленных мембран из анодированного алюминия . В отличие от поликарбонатных мембран

эти мембраны могут быть использованы для изуче-ния влияния процессов отжига .

На рис . 6 приведен электронно-микроскопиче-ский снимок нанопроволок неоднородного сплава Co–Cu . Они поликристалличные и имеют величину магнитосопротивления при комнатной температуре примерно 0,5 % . Хотя абсолютная величина измене-ния магнитосопротивления меньше 1 %, но она отри-цательна во всех взаимных ориентациях поля и элек-трического тока (рис . 7), что и должно быть для неод-нородных сплавов Co−Cu . Имеются симметричные «плечи» по обе стороны от центрального пика на обе-их кривых магнитосопротивления (рис . 7) за счет осо-бенностей механизма перемагничивания пленок .

Возрастание величины ГМС при отжиге сплош-ных пленок неоднородных сплавов Co–Cu, полу-ченных различными методами, обусловлено фазо-

Рис . 5 . Температурная зависимость остаточной намагни-ченности гранулированных пленок CuCo различного со-става (величины нормированы к намагниченности при H = 3 Tл и T = 5 K): 1 – Co20Cu80, 2 – Co11Cu89, 3 – Co8Cu92, 4 –

Co6Cu94

Температура блокирования и средний диаметр кластеров кобальта в матрице меди гранулированных

пленок CuCo различного состава. Значения, приведенные для концентрации кобальта,

являются усредненными по данным химического и рентгеновского анализа

Состав TB, K Диаметр гранул, нм

Co6Cu94 55 ± 5 7,6Co8Cu92 80 ± 10 8,7Co11Cu89 210 ± 20 12,0Co20Cu80 260 ± 25 12,8

Рис . 6 . Электронная микрофотография на просвет нанопроволок неоднородного сплава Co–Cu, элек-троосажденных в поры поликарбонатных мем-бран с диаметром пор 10 нм и плотностью пор

6·108см−2



Беларуси

41

вым расслоением, которое приводит к увели-чению числа и размеров частиц, обогащенных кобальтом . По этой причине мы исследовали влияние отжига на величину ГМС наших электроосажденных нанопроволок . Для умень-шения риска окисления отжиг проводился в течение 30 мин при температуре 200 и 400 °C в вакууме 10–15 торр . Во всех случаях обна-ружено существенное увеличение величины ГМС при комнатной температуре . После от-жига при 400 °C величина эффекта магнито-сопротивления в продольной и поперечной конфигурации для одного и того же образца более чем удвоилась . Отличительная особен-ность рис . 7 заключается в том, что формы кривых магнитосопротивления в магнитном поле, параллельном (а) и перпендикулярном (б) к длинной оси нанопроволок, существенно различаются . Данный факт под твер ждает зна-чительное влияние геометрии нанопроволок на их магнитные свойства . С одной стороны, это может быть обусловлено тем, что некото-рые обогащенные кобальтом частицы по свое-му диаметру приближаются к поперечным размерам нанопроволок (20 нм) или потому, что даже если диаметр нанопроволоки намного превышает размеры частиц, он все же может оказаться меньше характерного для магнитных взаимодействий расстояния . С другой стороны, во время электроосаждения с последующим от-жигом геометрия нанопроволоки могла влиять на формы и распределения магнитных частиц, обогащенных кобальтом, или привести к анизотропии, созданной напряжениями в этих частицах .

Многослойные нанопроволоки спин-клапанного типа. Исследование явления ГМС, а так-же попытки разработчиков различных устройств магнитной микроэлектроники повысить вели-чину изменения электросопротивления на единицу магнитного поля привели к появлению ново-го, более сложного семейства многослойных пленочных структур так называемого спин-клапанного типа . Они представляют собой уже периодическое чередование не двух, а трех и более слоев с различными магнитными параметрами . В этом случае процесс их перемагничи-вания анизотропен . При изменении прилагаемого внешнего магнитного поля по направлению вектора намагниченности предварительно намагниченного до насыщения магнитожесткого слоя в диапазоне, меньшем его коэрцитивной силы, магнитомягкий слой будет перемагничиваться в данном направлении в поле, меньшее его коэрцитивной силы . В противоположном направле-нии он будет перемагничиваться в поле, большее его коэрцитивной силы . Эта разница в полях перемагничивания низко- и высококоэрцитивных слоев в многослойной структуре в противопо-ложных направлениях и есть суть клапанного эффекта . Состояние многослойной структуры, когда магнитные моменты магнитомягких и магнитожестких слоев антипараллельны, является неустойчивым . Малое поле противоположной направленности приводит к скачкообразному пе-ремагничиванию низкокоэрцитивных слоев . Поэтому может быть достигнута высокая чувстви-тельность магниторезистивного элемента . Следует отметить, что уже имеется достаточно боль-шое количество работ по многослойным структурам спин-клапанного типа, большинство которых получено различными методами вакуумного нанесения покрытий .

Еще одним вариантом повышения величины магниторезистивного эффекта является изго-товление многослойной структуры в виде нанопроволок, что достигается исключительно мето-

Рис . 7 . Изменение магнитосопротивления отожженных при 400 оC в течение 30 мин нанопроволок неоднородного сплава Co–Cu, электроосажденных в поры мембран из анодированного алюминия с диаметром пор 200 нм и плот-ностью пор 109 см−2 при комнатной температуре в маг-нитном поле, параллельном (a) и перпендикулярном (б)

длинной оси нанопроволок



Беларуси

дом импульсного электролитического осаждения в поры наномембран . Для нанопроволок легко реа-лизуется геометрия магниторезистивного эффекта, когда электрический ток перпендикулярен грани-цам раздела слоев в многослойной структуре, что невозможно для обычных многослойных пленок с плоской геометрией . В этом случае все электроны проводимости пересекают магнитные слои с перио-дически антипараллельной направленностью их маг-нитных моментов . Следовательно, эффект их рассея-ния будет бóльшим по сравнению с обычными мно-гослойными структурами .

Ранее [1, 2] была предложена идея получения многослойных структур спин-клапанного типа ме-

тодом электролитического осаждения . Основная трудность заключалась в том, что при варьиро-вании потенциала осаждения ϕ (либо катодной плотности тока Dк) необходимо подобрать такие условия осаждения (прежде всего, состав электролита и режимы осаждения), когда только од-ним изменением ϕ (или Dк) будет достигаться достаточно большая разница в составе и кристал-лической структуре магнитных слоев и, следовательно, будет существенно различаться величи-на их коэрцитивной силы . Этим условиям могут удовлетворять исследованные нами пленки CoFeP и CoW, в которых содержание фосфора и вольфрама является функцией плотности тока . Например, при малой плотности тока (Dк ∼ 10–20 мА/см2) содержание фосфора достигает при-мерно 20–25 ат .% . При этом пленки CoFeP25 являются аморфными магнитомягкими, а при со-держании фосфора примерно 5–10 ат % (Dк ≥ 70 мА/см2) они поликристаллические и соответ-ственно магнитожесткие, что справедливо и для системы Co–W .

Мы впервые попытались соединить преимущества вышеуказанных двух подходов и полу-чить многослойные структуры спин-клапанного типа в виде нанопроволок методом импульсно-го электролитического осаждения из одного электролита .

Многослойные спин-клапанные структуры осаждались двух типов:(CoFePx) d1 /Cu dCu /(CoFePx) d2 / Cu dCun и (CoFePx) d1 /Cu dCu /(CoFePx) d1 /(CoFePy) d3 /Cu dCun, где x = 25 ат .% P, y= 5 ат .% P, d1 = от 2 до 250 нм, d2 = от 2 до 250 нм, d3 = 5–500 нм, dCu= от 2 до 50 нм . Таким образом, для первой системы структур их период составлял четыре слоя, коэрцитивная сила магнитных слоев изменя-лась варьированием их толщины (рис . 8) . Для второго семейства пленок их период состоял из пяти слоев, причем различие в коэрцитивной силе достигалось изменением состава слоев .

В заключение следует заметить, что Лаборатория физики магнитных пленок не единствен-ная лаборатория в институте, занимающаяся вопросами магнитных наноматериалов . В первую очередь надо отметить лаборатории физики магнитных материалов и неметаллических ферро-магнетиков . Занимаются подобными вопросами также и в других институтах НАН Беларуси (ИПМ, ФТИ, ИФОХ и др .) .

Литература1 . Федосюк В. М., Точицкий Т. А. Электролитически осажденные пленки и наноструктуры . Мн, 2011 .2 . Федосюк В. М. Наноструктурные пленки и нанопроволоки . Мн ., 2006 .3 . Федосюк В. М. Многослойные магнитные структуры . Мн ., 2000 .4 . Грабчиков С. С. Аморфные электролитически осажденные металлические сплавы . Мн ., 2006 .5 . Шадров В. Г. Межкристальное магнитное взаимодействие и свойства магнитных наноструктур . Мн ., 2010 .

V. M. FEDOSYUK

MAGNETIC NANOMATERIALS AND NANOSTRUCTURES

SummaryThe review of currently existing nanostructured magnetic materials is given . It is shown that usе of the method of pulse

electrodeposition from one electrolyte allows to obtain nanostructured materials with a wide range of magnetic characteristics . Magnetic properties of granular films with superparamagnetic state as well as nanowires as basic model object for study of magnetoresistive properties are described in more detail . The multilayered nanowires of spin-valve type allow to reach high values of sensitivity of a magnetoresistive element .

Рис . 8 . Электронно-микроскопическое изображе-ние многослойных нанопроволок с периодом в че-

тыре слоя



Беларуси

43


УДК 621.791

И. Л. ПОБОЛЬ

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В ПРОМЫШЛЕННОСТИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Физико-технический институт НАН Беларуси


Введение. Существующий мировой рынок электронно-лучевых (ЭЛ) технологий составляет многие сотни миллиардов долларов и продолжает расти . Суть всех ЭЛ технологий – улучшение, иногда значительное, свойств обработанных материалов или изделий в результате воздействия на них потока электронов . В некоторых случаях требуемое свойство либо качество конечного продукта может быть получено только благодаря использованию ЭЛ-воздействия .

Начало активного использования ЭЛ-технологий относится к концу 1950-х годов . Оно нача--технологий относится к концу 1950-х годов . Оно нача-технологий относится к концу 1950-х годов . Оно нача-лось практически одновременно в Великобритании, ГДР, СССР, США, Франции, ФРГ, Японии, а затем и ряде других стран для выплавки особо чистых материалов, получения соединений в ответственных изделиях, нанесения (испарением и осаждением) покрытий на детали, прецизи-онной обработки материалов (резки, сверления и фрезерования) [1] . Лидером в СССР по разра-ботке ЭЛ-технологий и оборудования был Институт электросварки им . Е . О . Патона НАН Укра--технологий и оборудования был Институт электросварки им . Е . О . Патона НАН Укра-технологий и оборудования был Институт электросварки им . Е . О . Патона НАН Укра-ины . В Физико-техническом институте НАН Беларуси исследования процессов взаимодействия потоков электронов с веществом проводятся с начала 1970-х годов .

Характеристика процессов взаимодействия электронов с твердым телом. Для понима-ния процессов ЭЛ-обработки материалов необходимо знать механизм взаимодействия потока электронов с веществом . При столкновении электронов с твердым телом происходят их погло-щение и отражение от поверхности . При поглощении электронов их энергия преобразуется в тепло и энергию рентгеновского излучения, на которое затрачивается не более 0,5% мощности пучка . Вследствие взаимодействия с атомами траектория движения электрона отклоняется от первоначального направления на определенный угол . Если этот угол превышает 90°, то элек-трон может отразиться, унося с собой еще не растраченную энергию . Разогретая до высоких температур поверхность сама испускает термоэлектроны . По энергии вторичные электроны можно разделить на три группы: истинно вторичные (E < 50 эВ), неупругоотраженные с потерей энергии (E от 50 эВ до энергии первичных электронов) и упругоотраженные без потерь энергии .

Коэффициент отражения электронов по току η равен отношению тока Ioтp упруго- и неупру-гоотраженных электронов к току первичных электронов, т . е .

η = Ioтр/I . (1)Аналогично определяется коэффициент отражения электронов по энергии:

K = Qoтp/Q, (2)

где Qoтp и Q – мощность отраженных и падающих электронов . Для характеристики степени использования кинетической энергии применяется КПД нагре-

ва æ. При взаимодействии с металлом потери энергии связаны в основном с отраженными элек-тронами и его можно записать в видe

æ = 1−Кη . (3)



Беларуси

44

Энергия отраженных электронов того же порядка, что и энергия первичных электронов, и потери, обусловленные отражением, составляют часть подводимой к металлу мощности . Зна-чения æ максимальны для легких элементов (до 98% для С) и снижаются для тяжелых (80% для W) элементов .

Для реализации разнообразных ЭЛ-технологий применяются пучки электронов с широким спектром энергий – от 5–10 кэВ до 10–20 МэВ, т . е . нерелятивистские (с энергией < 500 кэВ) и релятивистские (табл . 1) . Скорость электронов с энергией 30 кэВ составляет 33% скорости све-та, с энергиями выше 500 кэВ она приближается к скорости света . Первая группа процессов ис-пользует кинетическую энергию электронов, которая при торможении внутри материала пре-вращается в тепловую энергию . Этот процесс характеризуется высоким КПД, достигающим 90% . Вторая группа процессов использует термические и радиационные эффекты .

Т а б л и ц а 1 . Оcновные группы электронно-лучевых технологий и области их применения в мире и в Беларуси

Разделение по энергии

Нерелятивистские электроны (<500 кэВ)

Релятивистские электроны (≥500 кэВ)

Группы технологий

Переплав металлов и сплавов

Расплавление с осаждением

покрытий

Получение соединений

Поверхностное упрочнение

Радиационные технологии

Области применения

в мире

Производство высококачест-

венных рафини-рованных метал-

лов, сплавов и изделий, в том числе из лома и

отходов

Получение покрытий с рекордно высокими

скоростями нанесения

Cварка одно- и разнородных

металлов толщиной

0,1–400 мм . Пайка разнородных

материалов (керамики с металлом)

Локальная закалка сталей и чугунов

на глубину 0,1–5 мм до твер-дости 60–65 HRC; комбинированные методы, компози-

ционные покрытия

Стерилизацияизделий и про-

дуктов, упаковки, легирование

полупроводни-ков, сшивка/де-

струкция полиме-ров

Области применения

в организаци-ях Беларуси

ФТИ – изготовление ка-тодов-мишеней для установок ионно-плаз-

менного распы- ления

СЗОС – установки;

ООО «Изовак» –установки и тех-нологии нанесе-ния покрытий на оптические

детали

МТЗ – ЭЛС шестерен;

ФТИ – ЭЛС стан-дартных и перспек-

тивных изделий,пайка инструмента, оснащенного сверх-твердыми материа-

лами (СТМ)

ФТИ – закалка изделий,нанесение покры-тий комбиниро-

ванными методами из металлических и керамических

материалов на ста-лях, сплавах тита-

на, алюминия

ОИЭЯИ –стерилизациямедицинских

изделий, продук-тов, упаковки,

НПЦМ –легирование по-лупроводников

П р и м е ч а н и е . ФТИ – Физико-технический институт НАН Беларуси, СЗОС – ОАО «Сморгонский завод оп-тического станкостроения», МТЗ – ПО «Минский тракторный завод», НПЦМ – НПЦ НАН Беларуси по материалове-дению, ОИЭЯИ – Объединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны НАН Беларуси .

Глубина пробега электронов в материале – важнейшая характеристика с точки зрения моди-фицирования металлов . При использовании пучков со значениями энергии в несколько килоэ-лектронвольт кинетическая энергия выделяется в слое толщиной от долей до десятков микроме-тров, для потоков с энергией в единицы–десятки мегаэлектронвольт глубина проникновения до-стигает нескольких сантиметров . При взаимодействии электронов с веществом происходит рассеяние пучка . С увеличением порядкового номера Z глубина проникновения электронов уменьшается . Таким образом, тип воздействия электронов на материал может изменяться от по-верхностного до объемного . Глубина проникновения электронов в первом случае много меньше характерного теплового масштаба, для релятивистских электронов она превышает размеры тра-диционной области обработки .

Достигаемые значения плотности энергии при ЭЛ-воздействии составляют 102–1012 Вт/см2 . Характер воздействия с материалом потока электронов с удельной мощностью, превышающей



Беларуси

45

105 Вт/см2, имеет особенности . Возможность формирования зоны глубокого, «кинжального» проплавления лежит в основе процессов электронно-лучевой сварки (ЭЛС) .

Оборудование для электронно-лучевой обработки. В зависимости от назначения ЭЛ-обо-ру дование должно обеспечивать либо большую мощность луча при длительном нагреве матери-ала, либо высокую энергию электронов для глубокого их проникновения в металл, либо кратко-временное импульсное воздействие на поверхность, либо сочетание этих параметров .

В состав ЭЛ-установок входят вакуумная рабочая камера, вакуумная система с насосами, электронная пушка с блоками питания, фокусировки, управления лучом, вспомогательные цепи и контрольно-измерительная аппаратура .

Широко применяемые в металлургии и машиностроении энергетические комплексы для ЭЛ-обработки изделий и заготовок делятся на низковольтные (U < 30 кВ), со средними (30–60 кВ) и высокими (100–600 кВ) ускоряющими напряжениями . Для проведения процессов плавки и ис-парения материалов используются электронные пушки большой мощности (105–106 Вт) с ускоря-ющими напряжениями 20–50 кВ . Сварка проводится на оборудовании мощностью 103–105 Вт и ускоряющим напряжением 5–600 кВ . Для прецизионной размерной обработки материалов применяют установки с ускоряющим напряжением 80–150 кВ, мощностью до 1 кВт и удельной мощностью до 5·108 Вт/см2 . Ускорители, формирующие релятивистские потоки электронов, ши-роко применяются, с одной стороны, для биодеструкции и, с другой, для придания материалам новых свойств, в том числе для радиационно-термического модифицирования поверхности ме-таллов и синтеза нанопорошков .

Для ЭЛ-поверхностной обработки с целью изменения свойств поверхности материалов ис-пользуются источники импульсного воздействия с длительностью импульса порядка 10–9–10–4 с, сварочное оборудование с ускоряющими напряжениями 5–600 кВ, а также ускорители электро-нов с напряжениями 0,1–20 МВ мощностью до нескольких десятков и сотен киловатт . В обору-довании для сварки формируется луч диаметром 0,1–1 мм, отличающийся высокой стабильно-стью параметров .

Размеры рабочих камер определяются характером решаемых задач, габаритами обрабатыва-емых изделий, их объем может составлять от нескольких кубических дециметров до 200–1500 м3 . Внутри камеры размещаются устройства и механизмы перемещения обрабатываемой детали или электронной пушки . Производительность работы оборудования определяется временем ва-куумирования и зависит от объема откачиваемого пространства, типом вакуумных насосов, на-личием систем ступенчатого снижения давления . Для технологического оборудования время от-качки до достижения рабочего давления может быть как сверхнизким (1–12 с), так и достигать десятков минут .

В настоящее время ЭЛ-установки снабжаются микропроцессорами и компьютерами, кото-рые управляют работой всех систем: обеспечивают контроль и регулировку пространственно-энергетических параметров пучка, ускоряющего напряжения, управляют работой фокусирую-щей и отклоняющих систем, траекторией и скоростью перемещения луча по обрабатываемой поверхности, действиями манипуляторов, осуществляющих введение обрабатываемых деталей в вакуумную камеру, в зону обработки и удаление изделий из рабочей камеры .

Основная часть ЭЛ-оборудования – энергетический комплекс, включающий в себя аппарату-ру для формирования сфокусированного пучка электронов, управления его параметрами и тра-екторией перемещения луча по обрабатываемому изделию . Электронно-оптическая система (электронная пушка) включает эмиттер электронов, системы формирования и ускорения (управ-ляющий электрод, анод), системы юстировки, фокусировки и отклонения луча . Изготавливают-ся пушки с термокатодом и плазменным катодом, а также пушки с использованием высоковольт-ного тлеющего разряда с холодным катодом . Поток электронов формируется в пучок полем управляющего электрода и сжимается с помощью электромагнитного поля системы фокусиров-ки для получения максимальной плотности энергии в фокальном пятне луча . Для направления луча на требующий обработки участок поверхности применяется система отклонения . Значение тока луча регулируется подачей отрицательного потенциала на управляющий электрод, измене-нием либо ускоряющего напряжения, либо тока накала катода .



Беларуси

46

Разработка электронно-лучевого оборудования в Беларуси. В ФТИ НАН Беларуси создан уникальный для Беларуси комплекс ЭЛ-оборудования [2]. Установка имеет следующие габариты вакуумной камеры: диаметр 1300 мм, длина 2500 мм, объем 3,5 м3, мощность луча до 15 кВт (рис. 1).

Отечественные прототипы ЭЛ-оборудования (пушки с плазменным источником электронов) разрабатываются в Полоцком государственном университете (ПГУ) (рис. 2, табл. 2).

Т а б л и ц а 2. Характеристики пушек ПГУ с плазменным источником электронов [3]Параметр Номинальная величина

Напряжение горения разряда, В 350Ток разряда, А до 1Ток электронного пучка, А до 0,5Диаметр пучка, мм 0,8–50Ускоряющее напряжение, кВ 5–30Рабочее давление в технологической камере, не выше, Па 8·10–2

Рабочая скорость напуска плазмообразующего газа, атм·см3/ч 40–120Максимальная мощность, потребляемая пушкой с системой электропитания и управления, не более, кВт 15

Масса пушки, кг 20

Рис. 1. Комплекс ЭЛ-оборудования ФТИ НАН Беларуси

Рис. 2. Электронно-лучевая пушка ПГУ с плазменным эмиттером (а), сфокусированный (б) и широкий пучки (в) [3]



Беларуси

47

Технологические особенности и преимущества использования ЭЛ-воздействия. Вид реа-лизуемого ЭЛ-физико-технологического процесса, интенсивность нагрева и охлаждения изделий и в конечном итоге свойства материала после обработки определяются следующими факторами .

Ускоряющее напряжение U (кВ), влияет на глубину проникновения электронов и характер энерговыделения .

Мощность Р (Вт), определяет масштабный фактор протекания процессов .Удельная мощность q (Вт/см2) в области воздействия луча на материал (q = Р / F, где F – пло-

щадь сечения потока) . Возрастание q ведет к повышению интенсивности нагрева материала . Режим развертки электронного пучка влияет главным образом на распределение мощности

и температуры по поверхности нагреваемой детали . Время воздействия t (с) луча на обрабатываемое изделие или скорость перемещения V (мм/с)

зоны нагрева . Время выдержки в жидком состоянии при переплаве металлов определяет степень очистки, при пайке и нанесении покрытий – завершенность процессов диффузии, при сварке – параметры шва . При упрочнении выбор оптимального времени воздействия определяется требу-емой температурой .

Температура материала имеет решающее значение при рафинировании жидкой ванны для характера структуры, интенсивности испарения металла, при поверхностном упрочнении – для прохождения диффузионных процессов и фазовых превращений . Температура материала опре-деляется комбинацией удельной мощности, времени и режима развертки электронного луча .

Для осуществления конкретного метода обработки затрачивается некоторое количество энергии, передаваемой заготовке лучом, что определяется энерговложением Q (Дж). Для радиа-ционных технологий важна величина поглощенной дозы D (Гр) . В табл . 3 представлены основ-ные группы технологий, которые расположены в порядке возрастания характерных значений энерговложения Q для обработки одного изделия .

Т а б л и ц а 3 . Основные группы ЭЛ-технологий

Группа технологий Параметр ЭЛ-воздействия Область применения

Закалкаповерхности

U = 10 кВ – 1,3 МэВ; q ∼ 102 – 104 Вт/cм2;

t ∼ 1–10 с; Q ∼ 1–10 кДж

Машиностроение, инструментальное производство

Пайка U = 10–60 кВ; q ∼ 100–200 Вт/cм2;

t ∼ 10–120 с; Q ∼ 10–20 кДж

Машиностроение, нструментальное производство

Сварка U = 60 кВ; q ∼ 104–5⋅109 Вт/cм2;

V ∼ 1–100 мм/c; Q ∼ 20–500 кДж

Машиностроение

Наплавка, нанесение покрытий

U = 10 кВ–1,3 МэВ; q ∼ 103–5⋅104 Вт/cм2;

t ∼ 1–10 с; Q ∼ 50–500 кДж

Формирование износо- и коррозионно-стойких слоев

Оплавление,переплав

U = 10–60 кВ; q ∼ 200–2500 Вт/cм2;

t ∼ 10–1000 с; Q ∼ 50–3000 кДж

Рафинирование металлов, получение сплавов

Радиационные технологии

U = 0,5–10 МВ; D ∼ 10–107 Гр

Стерилизация медицинских изделий и препаратов, пищевых продуктов, упаковки, легиро-вание полупроводников, сшивка / деструкция поли-

меров, производство мембран, очистка воды и др .

Методы ЭЛ-обработки обладают следующими основными технологическими преимуще-ствами перед другими вариантами плавки, сварки, размерной обработки и поверхностного упрочнения:

прецизионная пространственно-временная мобильность подачи энергии при высокой вос-производимости процесса;



Беларуси

48

возможность низкой интенсивности теплового воздействия на изделие, минимального коро-бления изделия при сварке;

отсутствие окисления, обезуглероживания, сохранение исходной поверхности детали;не зависящий от изделия характер подвода энергии;возможность управления процессом с помощью ЭВМ и устройств ЧПУ, встраивание устано-

вок в автоматические производственные линии;отсутствие горючих и закаливающих сред;низкие затраты энергии;независимость степени поглощения энергии от оптических свойств и шероховатости поверх-

ности, отсутствие необходимости нанесения покрытия на поверхность для повышения ее погло-щающей способности;

формирование зоны одновременного нагрева с площадью до сотен квадратных сантиметров и любым требуемым распределением плотности энергии по поверхности, высокая надежность электромагнитной системы сканирования;

возможность использования одного оборудования для проведения различных технологиче-ских процессов – сварки, поверхностной закалки, плавления;

экологическая чистота .Особенностью ЭЛ-нагрева является то, что движущиеся с высокими скоростями электроны

активируют материалы . Поверхностному слою передается энергия, обеспечивающая обрыв свя-зей между атомами твердого тела и окружающей среды и повышение энергии атомов поверхно-сти до уровня энергетического барьера схватывания, когда вероятно существование связей меж-ду материалами . Тем самым изменяется физическое состояние поверхностей, что важно при по-лучении покрытий и соединений разнородных материалов .

Сравнение энергетических и экономических аспектов применения ЭЛ-технологий. При использовании ЭЛ-сварочного оборудования процесс осуществляется как в вакууме, так и на воздухе . Во втором случае применяют установки для вневакуумной обработки с выпуском луча в атмосферу (используется автомобильными фирмами США, Франции, Германии), что дает зна-чительные экономические преимущества перед другими технологиями сварки .

Для устранения непроизводительных потерь времени на получение требуемого остаточного давления в серийном производстве для ЭЛ-обработки применяются такт-машины с камерой, со-ответствующей размерам детали, проходные установки непрерывного действия, а также обору-дование с использованием принципов локального и мобильного вакуумирования участка на крупногабаритном изделии (например, при сварке магистрального трубопровода), роботов, ма-нипуляторов с магазином, вращающимся столом, зажимами для фиксации свариваемых дета-лей . Размещение очередного изделия и съем готового осуществляются во время обработки пре-

дыдущей детали . Доля чистого времени обработки лучом в процессах упрочнения доходит до 85% всего периода работы оборудования . Вы-сокая эффективность таких технологических приемов подтверждается рядом примеров промышленного использования ЭЛ-сварки и модифи-цирования изделий . Например, создано оборудование по ЭЛ-упроч-нению автомобильных рычагов с производительностью 1200 деталей в час .

Гистограмма затрат энергии, требуемой для упрочнения одной де-тали (автомобильного рычага клапана) (рис . 3) путем цементации, ла-зерной, индукционной и электронно-лучевой закалки, показывает, что последний вид обработки энергетически наиболее эффективен .

В ряде публикаций выполнена оценка энергетических и финансо-вых затрат на поверхностное ЭЛ-упрочнение изделий из сталей и чу-гунов . При обработке на универсальном оборудовании (предназначен-ном и для электронно-лучевой сварки (ЭЛС) и для упрочнения) стои-мость закалки 1 дм2 поверхности детали находится в пределах 0,1–1 дол . США, а при использовании специализированных установок и неболь-

Рис . 3 . Затраты энергии для упрочнения одной детали с ис-пользованием цементации (1), лазерной (2), индукционной (3) и электронно-лучевой (4)

закалки [4]



Беларуси

49

шой глубине упрочнения она может быть снижена . Энергозатраты на процесс оплавления по-крытий на глубину 1 мм составляют 1000 кВт·ч/м2 в случае обработки лазером мощностью 10 кВт и 10–12 кВт·ч/м2 при обработке ускорителем электронов Института ядерной физики СО РАН . Производительность процессов соответственно 0,2 и 2 м2/ч [5] .

Рассмотрим группы применяемых в мире ЭЛ-технологий и уровень их использования в Бе-ларуси .

Электронно-лучевая плавка металлов и сплавов. ЭЛ-плавка – эффективный способ повы-шения качества тугоплавких металлов, специальных сталей и сплавов на основе никеля и желе-за, получения особо чистых ниобия, титана и многих сплавов на их основе . Рафинирующий пе-реплав в Беларуси в промышленных масштабах не применяется, в ФТИ НАН Беларуси отрабо-таны методы изготовления новых и регенерации изношенных катодов-мишеней для магнетронных и дуговых систем вакуумного распыления из Ti, Zr, Hf, сплавов Ti и Zr с Cr, Al, B, Mo и др ., в том числе из лома и стружки . Катоды-мишени используются для получения методом конденсации с ионной бомбардировкой новых высокоэффективных покрытий . Катоды применя-ются для собственных потребностей и в установках, поставляемых ФТИ НАН Беларуси пред-приятиям [6] . ЭЛ-переплав позволяет вводить в повторный оборот отходы дорогостоящих спла-вов, например, Co–Cr–Mo . Наиболее рациональным оборудованием для этого являются источ-ники с плазменным катодом [7] .

Нанесение покрытий осаждением из паровой фазы. ЭЛ-технология нанесения покрытий, получившая применение в ряде областей техники, позволяет многократно повышать эксплуата-ционный ресурс многих изделий, в частности, лопаток газовых турбин . Существующие в мире системы ЭЛ-нанесения покрытий имеют установленную мощность до нескольких мегаватт . Ско-рость осаждения металлов в таких системах может достигать 50 мкм/c, что является рекордным показателем для всех способов нанесения покрытий . ЭЛ-гибридная нанотехнология нанесения слоев способна заполнить нишу между «тонкопленочными» и традиционными технологиями изготовления материалов и изделий . Главной особенностью этого метода является возможность осуществления твердотельного синтеза заранее заданной последовательности структур, вся со-вокупность которых представит новое изделие . С помощью электронно-лучевого испарения мо-гут быть получены нанокристаллические и кристаллические материалы, однофазные (чистые металлы, оксиды, бориды, сульфиды, твердые растворы и др .), многофазные (композиционные) – дисперсно-упрочненные, многослойные, пористые в форме тонких (порядка 10–2 мм) и толстых покрытий (до 10 мм), в виде фольги, ленты, листа, порошка [8] .

Разработанные в ОАО «Сморгонский завод оптического станкостроения» установки с мощ-ностью ЭЛ-испарителей до 10 кВт предназначены для нанесения в вакууме покрытий на оптиче-ские детали методом электронно-лучевого и резистивного испарения диэлектриков, полупрово-дниковых материалов и металлов . Сегодня ООО «Изовак» является одним из лидеров в СНГ по производству таких установок и разработке технологий, в том числе комбинированных методов нанесения покрытий с использованием ЭЛ-испарения и ионного ассистирования .

Электронно-лучевая сварка. Источник нагрева в виде пучка электронов мощностью от 1 до 120 кВт может быть сосредоточен на малом пятне диаметром в десятые доли миллиметра . ЭЛС обладает широкими технологическими возможностями и преимуществами, позволяя сое-динять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм . Плотность энергии в луче (до 109 Вт/см2) превышает плотность энергии электрической сварочной дуги на два–пять поряд-ков . Такая концентрация энергии делает возможным сварку с недостижимым для электродуго-вых методов отношением глубины к ширине проплавления (до 50 : 1) . Следствием являются малое термическое воздействие, минимальные линейные и угловые деформации и остаточные напряжения, высокие механические и прочностные характеристики сварных соединений (прак-тически на уровне свойств основного металла) . ЭЛС намного более производительная, чем тра-диционная дуговая сварка, и более экономичная (нет расходных материалов, заготовки имеют меньшую массу) .

В мире ЭЛС применяется при изготовлении деталей в большинстве отраслей промышленно-сти (в автомобилестроении, где работает наибольшее количество установок, тракторо- и сель-



Беларуси

50

хозмашиностроении; тяжелом, легком и машиностроении для транспорта, добычи полезных ископаемых; энергомашиностроении; авиационной, космической, химической, медицинской, инструментальной промышленности; судостроении; металлургии; точной механике; приборо-строении; электротехнике; электронике и других отраслях) . На некоторых крупных машино-строительных фирмах до 40% объема сварочного производства выполняется с помощью ЭЛС .

ЭЛС оказалась эффективной для соединения деталей из любых металлических материалов, особенно сплавов на основе химически активных металлов (алюминий, титан и тугоплавкие элементы) . Максимальная пластичность и вязкость сварных соединений, минимальные свароч-ные деформации позволяют также успешно использовать ЭЛС при изготовлении изделий после завершающей механической обработки . Роторные конструкции современных газотурбинных двигателей для авиации, газоперекачивающих станций и судов из высоколегированных титано-вых сплавов изготавливаются только благодаря применению ЭЛС [9, 10] .

В ФТИ НАН Беларуси исследовано влияние основных параметров, изучены закономерности и оптимизированы условия формирования ванны расплава в стали при воздействии в режиме глубокого проплавления . Размеры, конфигурация и качество формирования швов при ЭЛС опре-деляются устойчивостью, формой и размерами парового канала сварочной ванны, которые в свою очередь зависят от мощности, эффективного радиуса, угла сходимости луча, положе-ния фокального пятна луча, пространственного положения стыка, теплофизических свойств металла и скорости сварки . Применительно к характерным изделиям машиностроения Бела- руси (прежде всего, шестерням и валам) решена задача получения сварного шва глубиной 5–15 мм . Установлено существенное влияние на глубину ванны положения активной зоны электронного луча относительно поверхности заготовки, для получения максимального про-плавления положение плоскости фокального пятна должно соответствовать 0,5–0,75 этой глу-бины . Совместно с крупными предприятиями (МАЗ, МЗШ, Амкодор, БЗА, СтанкоГомель и др .) разрабатываются конструкции новых узлов, в том числе из разноименных и ограничен-но сваривающихся материалов . Изготовление валов и шестерен станков, задних мостов, узлов коробок передач из сталей по разработанным технологическим процессам снижает материало-емкость узлов до 50 % [10] .

В ФТИ НАН Беларуси разработан сплав Ni–Cr–Al–Nb–Ti с плотностью, меньшей, чем у им-портного сплава INCO 713 C . На Борисовском заводе агрегатов проведены испытания узла (ро-тора турбокомпрессора с колесом из указанных сплавов и валом из стали 40), полученного по технологии ЭЛС . Обеспечены высокая прочность соединения, надежность и повторяемость про-цесса . Кроме сварки на этом изделии возможны проведение лучом операций послесварочного отпуска и закалки поверхности посадочного места под подшипник .

Совместно со специалистами МАЗ показано, что в случае замены технологии дуговой свар-ки на ЭЛС масса оси и полуоси прицепов может быть снижена на 40–50 кг . На примере детали поворотный кулак – суппорт (из сталей 40Х и 10ХСНД), применяемой в автобусном производ-стве МАЗ, в результате ЭЛС прочностные и особенно пластические характеристики металла сварного шва значительно превышают свойства металла, полученного с использованием дуго-вой сварки (деформация при растяжении повышена в 2 раза) .

В Беларуси в промышленных масштабах ЭЛС применяется только на МТЗ, где имеются две установки для сварки около десяти типов шестерен . При этом используемое оборудование имеет высокую степень износа .

Однако при наличии в Беларуси большого числа машиностроительных предприятий о широ-ком применении технологий ЭЛС говорить нельзя . Сотрудничество ФТИ НАН Беларуси и ПГУ с заводами часто приостанавливается: руководители предприятия заинтересованы в приобрете-нии оборудования ЭЛС, но не в состоянии это сделать ввиду его достаточно высокой стоимости .

Получение неразъемных соединений пайкой. Для качественной лезвийной обработки вы-сокотвердых материалов вместо шлифования может успешно применяться лезвийная обработка инструментом из сверхтвердых материалов (СТМ), полученным методом пайки . В ФТИ НАН Беларуси выполнены исследования по проведению ЭЛ-пайки кубического нитрида бора (КНБ) и поликристаллического алмаза (ПКА) и использованию такого инструмента .



Беларуси

51

Основным условием получения соединений СТМ с металлами является смачивание материа-лов припоем, для этого в его состав должен быть введен адгезионно-активный элемент, напри-мер Ti. Построена математическая модель, в которой учитывается смачиваемость поверхности расплавом. Задача решена численно, показано влияние неидеальности контакта на характер рас-пределения концентрации активного элемента в соединяемых материалах и припое. Построена также компьютерная модель процессов формирования переходных слоев в зоне соединения СТМ – припой – сталь [11].

Пайка с нагревом лучом небольшой интенсивности дает возможность применения адгезион-но-активных припоев на основе Cu и Ag при содержании до 5 мас.% Ti, обеспечивающих смачи-вание соединяемых материалов, снижает опасность графитизации СТМ и обеспечивает его вы-сокопрочное соединение с основой. В случае соединения КНБ – припой 72,5 мас.% Ag–19,5 мас.% Cu – 5 мас.% In – 3 мас.% Ti – твердый сплав ВК8 припой имеет двухфазное строение, матрица – фаза на основе Ag светло-серого цвета, более темные включения соответствуют фазе системы Cu–Ti. Происходит взаимная диффузия элементов, входящих в состав КНБ, припоя и основы, в результате в КНБ формируется переходной слой толщиной от 4–6 до 10–14 мкм, состоящий из соединений TiN, TiB2, Ti3B4, Ti2B5.

Вследствие существенного различия физических свойств соединяемых материалов, образо-вания химических соединений и выделения фаз, появления в диффузионной зоне дефектов структуры в СТМ возникают значительные напряжения. Поэтому важен вопрос их снижения в соединении СТМ – припой – основа и предотвращения образования трещин в СТМ.

Исходные образцы КНБ характеризуются напряжениями сжатия (в среднем 200 МПа), воз-никающими в процессе синтеза СТМ. В припаянном элементе КНБ обнаружены напряжения растяжения в направлении, перпендикулярном торцевой поверхности σ⊥, и сжимающие напря-жения σϕ в направлении, параллельном плоскости торца. Для разных припоев значения σ⊥ соста-вили 350–500 МПа, а σϕ – 400–700 МПа. Исследована прочность на разрыв и на сдвиг паяных узлов СТМ – основа. Разрушение соединений происходит в КНБ по поверхности на расстоянии около 0,5 мм от границы раздела КНБ – припой, в соединениях ПКА / твердый сплав – припой – сталь – по припою. Cреднее значение прочности на разрыв составляет 68 МПа, максимальное достигает 124 МПа. Величина прочности соединения на сдвиг соединений КНБ – основа дости-гает 300 МПа.

Разработаны новые конструкции инструмента (рис. 4), оснащенного КНБ и ПКА, с повышен-ной прочностью удержания СТМ, что существенно улучшает производительность и качество обработки деталей [12]. Это обусловлено высокой скоростью резания, сокращением времени на переналадку оборудования и возможностью получения низкой шероховатости поверхности. Ин-струмент с КНБ наиболее эффективен для обработки сталей и чугунов с твердостью до 60–70 HRC, инструмент с ПКА эффективен для обработки сплавов цветных металлов (в частности, Al – 12–22 мас.% Si), а также керамик. По сравнению с твердосплавным инструментом стойкость инструмента из ПКА больше до 50 раз (при точении сплава АЛ25). Изделия после лезвийной об-работки инструментами, оснащенными СТМ, имеют шероховатость поверхности до 0,05–0,63 мкм, сравнимую с поверхностью после шлифовки. Инструмент с элементами из ПКА использован на ММЗ для расточки отверстий под пальцы в поршнях из сплавов Al−Si, в ОКБ «Академическое» и ЗАО «Гидродинамика» – для обработки точением деталей пар трения (из силицированных

Рис. 4. Некоторые типы изготавливаемых инструментов, оснащенных ПКА и КНБ



Беларуси

52

графитов СГ-Т и СГ-П и карбида кремния SiC) насосов для перекачивания агрессивных жид- костей .

Поверхностное упрочнение в режиме закалки. Выполнено теоретическое и эксперимен-тальное моделирование процессов скоростного ЭЛ-нагрева поверхности изделий из инструмен-тальных сталей, чугунов и титановых сплавов . Такая обработка приводит к дифференцирован-ному упрочнению материала, формированию в поверхностном слое новых структурных состоя-ний . Особенностью закалки является применение высоких скоростей нагрева (103–105 °С/с), что обеспечивает высокие скорости самоохлаждения материала . Толщина модифицированного слоя при упрочнении в режиме закалки из твердого состояния изделий составляет 0,1–2 мм . На струк-туру и свойства, глубину закалки, качество поверхности изделия большое влияние оказывают технологические параметры нагрева и исходное структурное состояние материала . Степень упрочнения составляет 3,6–3,7 для исходно-отожженных сталей и 1,5–1,7 для предварительно объемно-закаленных сталей . Твердость конструкционных, инструментальных и подшипнико-вых сталей достигает 65–68 НRC, микротвердость – 10–11 ГПа .

Комбинированные и совмещенные методы инженерии поверхности связаны с изменени-ем химического состава материала методами ЭЛ-наплавки на основу износо-, коррозионно-стой-кого и / или антифрикционного материала, нанесения покрытий, позволяющих значительно по-высить эксплутационные характеристики изделий, в том числе твердофазного синтеза покрытий [13] . Применение комбинированного ЭЛ-воздействия обеспечивает получение комплекса харак-теристик упрочненного изделия, которые невозможно получить с использованием традицион-ных методов упрочнения . В ФТИ НАН Беларуси проведены приоритетные исследования по тео-ретическому и экспериментальному моделированию методов нанесения многофункциональных слоев на основу из сталей и титановых сплавов, изучению структурно-фазовых превращений в них [14] . Используются различные методы предварительного осаждения традиционных по-крытий, в исходном состоянии им присущи высокая пористость, малые прочность самого слоя, его адгезия к основе и износостойкость . ЭЛ-обработка таких покрытий приводит к благоприят-ным структурным и фазовым превращениям в покрытии и в основе, изменениям в свойствах осажденных слоев, релаксационным процессам в дефектном материале покрытия, формирова-нию переходной диффузионной зоны . При оплавлении покрытия происходит перекристаллиза-ция ма териала, устраняются поры, дефекты структуры, уменьшается шероховатость, происхо-дит «скругление» выступающих микронеровностей . В результате повышаются прочность сце-пления и плотность покрытий, что обусловливает увеличение износо-, жаростойкости и других характеристик .

Путем ЭЛ-наплавки решены проблемы нанесения на стали и титановые сплавы износостой-ких материалов толщиной от долей миллиметра до 5 мм, а в сочетании с последующей ЭЛ-закалкой материала твердость наплавленного слоя повышается до 63–65 HRC .

ЭЛ-обработка предварительно нанесенных на титановые сплавы плазменных TiO2- и Ni–Ti-, электролитических Cr- и Ni-, детонационных WC–Ni- и WC–Co-покрытий приводит к образова-нию между основой и покрытием диффузионной зоны, повышению твердости, адгезионной прочности до 210–220 МПа, предела выносливости и износостойкости поверхностных слоев по сравнению как со сплавами без покрытий, так и со слоями без ЭЛ-обработки .

После ЭЛ-обработки однослойных (Cr и Ni) и двухслойных (Cu-Cr и Ni-Cr) электролитиче-ских покрытий толщиной 10–20 мкм на титановых сплавах ВТ3-1 и ВТ20 коэффициент трения для системы Cr – ВТ3-1 (со сталью 45) после ЭЛ-обработки снижен до 0,07 по сравнению с 0,18–0,20 у исходного слоя Cr . Рост адгезионной прочности покрытий позволяет увеличить нагрузки в 3–5 раз (до 20 МПа при испытаниях на износ со смазкой) .

ЭЛ-нагрев сталей, предварительно подвергнутых ХТО, существенно повышает твердость и увеличивает толщину упрочненного слоя в 1,5–2,5 раза . В ФТИ НАН Беларуси выполняется комплекс работ по разработке технологий и созданию оборудования ионно-плазменного азоти-рования (ИПА) в тлеющем разряде [15] . Обеспечивается значительное (в 2–3 раза по сравнению с газовым азотированием) снижение энергозатрат (по этому параметру отечественное оборудо-вание ИПА на 10–20% более энергосбергающее, чем установки производства фирм ФРГ) и об-



Беларуси

53

щей стоимости упрочнения. Оборудование ИПА постав-лено на ряд крупных предприятий Беларуси и России. Твердость поверхности стали 40Х после ИПА с ЭЛ-нагре- вом повышается от 4,5 до 8–6,5 ГПа (рис. 5). Комбиниро-ванная технология упрочнения (ИПА + ЭЛ-закалка) мо-жет обеспечить значительное повышение износостойко-сти [16].

Таким образом, применение комбинированных мето-дов ЭЛ-упрочнения обеспечивает создание композицион-ных материалов с градиентом свойств по сечению от по-верхности к основе. Достигаемое значительное повышение эксплуатационных характеристик изделий немонотонно зависит от интенсивности потоков электронов. Это позво-ляет предположить, что в некоторых областях параметров луча в композиционных материалах формируются специ-фические упорядоченные системы – диссипативные струк-туры. Результаты применения таких вариантов целесоо-бразно связывать с синергетическими эффектами различных механизмов упрочнения.

Радиационная электронно-лучевая обработка релятивистскими пучками. Существен-ным преимуществом потока электронов является возможность легко регулировать дозу радиа-ции, создаваемую электронным пучком. Области применения радиационной обработки можно разделить на те, которые основаны на биодеструкции (стерилизация, обработка продуктов пита-ния, контроль численности вредителей), и те, в которых наблюдается возникновение новых потребительских свойств (сшивка полимеров, модификация полупроводников, окрашивание драгоценных камней, cинтез новых материалов). В случае двух основных используемых направ-лений (сшивка полимеров и стерилизация) процесс облучения является ключевым производ-ственным этапом, который формирует у продукта целевые качества и уже сегодня обеспечивает продажи на миллиарды долларов в год. По данным МАГАТЭ, в настоящее время в мире суще-ствует свыше 350 подобных производств.

Радиационная полимеризация широко применяется в мире для улучшения физико-химиче-ских свойств полимеров, а также как отдельная стадия технологического процесса производства полимерных изделий. Традиционно радиационная сшивка использовалась для улучшения свойств продукции массового производства, например, полиэтиленовой изоляции проводов, ка-белей или изделий с эффектом памяти. Существующий мировой рынок радиационно сшитых продуктов составляет около 100 млрд дол. США.

Разрабатываются новые области применения, особенно в таких рыночных нишах, как обра-ботка полупроводников для создания примесных носителей заряда, образующихся в результате ядерных реакций, либо для управления сроком их службы. Такие работы ведутся в НПЦ НАН Беларуси по материаловедению с использованием ускорителей «Электроника ЭЛУ-4» и «Элек-троника У-003». В ОИЭЯИ – Сосны НАН Беларуси проводится стерилизация медицинской и ле-карственной продукции, которая снижает или устраняет ее микробную обсемененность.

Проблемы и перспективы освоения новых технологий. Широкое внедрение ЭЛ- и род-ственных технологий является важным фактором повышения конкурентоспособности про- дукции на внешних рынках. Эти методы относятся к 5-му и частично к 6-му технологическим укладам (в частности, по критериям экотехнологии плавки металлов, инженерии поверхности, нанесения наноструктурированных покрытий, сварки, системы «безлюдного» производства, разработки конструкционных материалов с заранее заданными свойствами). Существенное рас-ширение промышленного использования этих технологий в Беларуси связано с возможностью повышения эффективности производства и конкурентоспособности тракторов, автомобильного, карьерного транспорта, дорожных машин, сельскохозяйственной техники.

С помощью ЭЛС возможно изготовление изделий из конструкционных металлов и сплавов больших толщин: сосудов высокого давления, корпусов химических и ядерных реакторов, кон-

Расстояние от поверхности, мкм

Рис. 5. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя стали 40Х: 1 –после ИПА, 2– после ЭЛ-закалки, 3 – после

ИПА и ЭЛ-закалки



Беларуси

54

тейнеров для отработавшего ядерного топлива [17] . Это особенно актуально в связи со строи-тельством АЭС в Беларуси . То, что ЭЛС может быть финишной операцией при сварке металлов толщиной до 80 мм, также определяет перспективы ее применения .

Оборудование для ЭЛС имеет достаточно высокую стоимость, подготовительные операции к сварке трудоемкие и длительные . Однако мировой опыт эксплуатации установок показывает, что срок их окупаемости обычно не превышает 2 лет . При этом оборудование для массового сва-рочного производства может окупаться еще быстрее .

Одним из направлений повышения качества и снижения металлоемкости изделий является ис-пользование новых материалов с заданным комплексом свойств и эффективных технологий их об-работки . Одним из способов удешевления материалов является переход к комбинированным кон-струкциям из разнородных сталей и сплавов . Соединение разнородных металлов рационально в тех случаях, когда это необходимо по конструктивным требованиям, а также для снижения массы изде-лий . Таким образом, в машиностроении имеется немало изделий, при изготовлении которых ЭЛС является наилучшим или единственным технологическим процессом соединения деталей .

Созданы развитые системы управления, контроля и диагностики функциональных комплек-сов, высоковольтные инверторные источники питания . Снабжение установок системами про-граммного управления позволяет обеспечить полную воспроизводимость процесса ЭЛ-обра-ботки, документирование и быструю разработку новых технологий .

Экспериментальные исследования при разработке ЭЛ-технологий дорогостоящие, поэтому большое значение приобретает математическое моделирование . Оно включает в себя построение физико-математических моделей, адекватных условиям эксперимента; проведение аналитиче-ских оценок и выявление определяющих параметров; оценку значений параметров или их экс-периментальное определение; разработку численных алгоритмов и подробное параметрическое исследование сформулированных моделей или вычислительный эксперимент . Только совмест-ная работа экспериментаторов, теоретиков и технологов позволяет осуществлять предваритель-ный анализ технологического процесса и исследовать его отдельные стадии . С использованием численного моделирования появляется возможность управления детальностью анализа, что осо-бенно важно для объектов малых размеров .

Ускорители релятивистских потоков электронов – сложное оборудование, требующее высо-ких капитальных затрат . При этом чрезвычайно перспективным является их широкомасштабное применение для уменьшения микробной обсемененности пищевых продуктов, ингредиентов, специй и добавок; дезинсекции зерна, уничтожения патогенных микроорганизмов и паразитов, которые могут вызвать различные заболевания у потребителей; увеличения срока хранения про-дуктов питания за счет уничтожения микроорганизмов, вызывающих преждевременную порчу продукции; обработки сельскохозяйственной продукции с целью задержки прорастания, повы-шения всхожести; обработки семенного материала для получения полезных мутаций при селек-ции растений; обработки кормов для животных . С экономической точки зрения с помощью ра-диационного воздействия выгодно одновременно обрабатывать большие объемы продукции . Радиационная ЭЛ-обработка рекомендована Всемирной организацией здравоохранения, она мо-жет обеспечить массовый рынок обработки пищевых продуктов .

Перспективны также радиационная обработка сточных вод, обеззараживание медицинских отходов, радиационно-термический синтез сложных соединений . В частности, могут быть полу-чены компактные и однородные по составу наночастицы, а также более сложные образования, например наночастицы металлов в оболочке из кремния и оксида кремния, углеродные нано-трубки и нанохорны (закрытые нанотрубки с увеличеной адсорбционной емкостью и потенци-альным их использованием в медицине, катализе и при создании новых высокоэнергетических материалов) . Для масштабного освоения этих технологий требуются капитальные вложения, создание специализированных производств .

Заключение. За последние годы в Республике Беларусь заложены научно-технологические основы промышленного применения электронно-лучевых, в том числе радиационных, техноло-гий . Разрабатываются технологии, относящиеся к 5-му и частично к 6-му технологическим укладам .



Беларуси

55

В ФТИ НАН Беларуси на основании теоретических и экспериментальных исследований установлены закономерности влияния параметров ЭЛ-воздействия на характер температурного поля в материале и проведен анализ технологических процессов . Создана концепция управления ими формированием требуемого температурного поля в заготовках путем варьирования параме-трами потока электронов .

Показано, что обработка металлов и сплавов в режимах переплава, поверхностного упрочне-ния, нанесения покрытий, совмещенных способов воздействия приводит к рафинированию, формированию новых структурно-фазовых состояний, упрочнению материалов и обеспечивает придание деталям из сталей и сплавов титана таких сочетаний свойств, которые сложно или не-возможно получить иными методами металлургии, объемного и поверхностного упрочнения . ЭЛ-нагрев позволяет изготавливать высокопрочные неразъемные соединения однородных (ме-талл–металл) и разнородных (керамика–металл) материалов .

Радиационное воздействие (стерилизация, обработка продуктов питания, контроль числен-ности вредителей, сшивка полимеров) является ключевым производственным этапом, который формирует у продукта новые целевые качества .

В настоящее время указанные методы электронно-лучевой и комбинированной обработки обеспечивают продажи на сотни миллиардов долларов в год в виде оборудования, технологий и конечных продуктов в промышленно развитых странах .

В ФТИ НАН Беларуси и Полоцком государственном университете создается и используется отечественное ЭЛ-оборудование, сформированы научные школы по ЭЛ-обработке материалов . Имеется возможность поставки потребителям отечественных промышленных ЭЛ-комплексов с мощностью луча до 10 кВт .

Электронно-лучевую сварку в Беларуси можно использовать с большой эффективностью практически на всех предприятиях машиностроительного профиля . Широкое ее освоение явля-ется важным фактором повышения конкурентоспособности продукции на внешних рынках . Од-нако специалисты и руководители промышленных предприятий недостаточно осведомлены о достижениях в этой области техники . В целом в Беларуси этим направлениям уделяется недо-статочное внимание . При наличии большой доли машиностроительных предприятий в промыш-ленности только Минский тракторный завод серийно применяет ЭЛ-сварку . При этом оборудо-вание имеет достаточно высокую степень морального и физического износа .

В ФТИ НАН Беларуси совместно с крупными предприятиями (МТЗ, МАЗ, МЗШ, Амкодор, БЗА, СтанкоГомель) разрабатываются новые конструкции узлов, изготавливаемых из сталей, чугунов, сплавов цветных металлов с использованием ЭЛ-обработки, что снижает энергозатра-ты при изготовлении соединений и материалоемкость изделий до 50% . Отработаны методы из-готовления и ремонта валов, шестерен, зубчатых колес металлообрабатывающих станков, за-дних мостов, узлов коробок передач погрузчиков и автомобилей, разрабатываются новые техно-логии . При изготовлении деталей автомобилестроения сложной конфигурации использование ЭЛС позволяет их выполнять из нескольких заготовок вместо получения изделий из одной по-ковки, что значительно уменьшает расход металла, высвобождает металлорежущее оборудова-ние и снижает затраты на металлорежущий инструмент . Технология ЭЛС может быть использо-вана для получения высоконадежных соединений узлов стеллажей и контейнеров для хранения отработавшего ядерного топлива .

Запланированы исследования в новых перспективных направлениях ЭЛ-обработки: участие в решении проблемы обращения с отработавшим ядерным топливом по изготовлению шести-гранных труб из высокобористых сталей, разработка энергосберегающих комбинированных технологий упрочнения .


1 . Шиллер 3., Гайзиг У., Панцер В. Электронно-лучевая технология . М ., 1980 . 2 . Поболь И. Л. // Главный энергетик . 2009 . 12 . C . 43–49 .3 . Достанко А. П., Залеский В. Г., Русецкий С. В. и др. Технологические процессы и системы в микроэлектронике /

Под общей ред . А . П . Достанко . Мн ., 2009 .



Беларуси

4 . Drеgеr D. R. // Масhinе Dеsign . 1978 . Vоl . 50, N 24 . Р . 89–93 .5 . Краев Г. В., Полетика И. М., Мейта В. П. и др. // Изв . СО АН СССР . Сер . техн . наук . 1989 . Вып . 4 . С . 119–125 . 6 . Поболь И. Л., Селифанов С. О., Станкевич Е. В., Райчик Я. // 10-я Междунар . конференция «Пленки и покры-

тия-2011», 31 мая – 3 июня 2011 г . Санкт-Петербург, 2011 . C . 302–304 .7 . Гордиенко А. И., Поболь И. Л., Залесский В. Г. // Плазменная эмиссионная электроника . III Междунар . крейнде-

левский семинар, 23–30 июня 2009 г . Улан-Удэ, 2009 . C . 145–150 .8 . Гречанюк Н. И. (http:// archive . nbuv . gov . ua/portal/natural/Teke/2010/10gnipkm . pdf)9 . Кайдалов А. А., Гейкин В. А., Поболь И. Л. и др. // Сварщик в Белоруссии . 2007 . 5 . C . 34–41 .10 . Гордиенко А. И., Поболь И. Л., Вегера И. И., Ивашко В. В. Электронно-лучевая сварка титановых сплавов . Гла-

ва 5 / Перспективные материалы и технологии / Под ред . В . В . Клубовича . Витебск, 2013 . С . 95–115 .11 . Князева А. Г., Поболь И. Л., Гордиенко А. И. и др. // Физическая мезомеханика . 2007 . Т . 10, 5 . С . 105–119 .12 . Поболь И. Л., Юшкевич Д. В. // Главный энергетик . 2011 . 8 . С . 14–22 .13 . Сорокова С. Н., Князева А. Г., Поболь И. Л. // IV Междунар . науч .-техн . конф . «Современные проблемы маши-

ностроения», Томск, 26–28 ноября 2008 г . Томск, 2009 . С . 87–92 . 14 . Гордиенко А. И., Поболь И. Л., Ивашко В. В., Вегера И. И. // Тi-2009 в СНГ . 2009 . С . 234–242 .15 . Босяков М. Н., Жук Д. В., Назарова О. И., Поболь И. Л. // Сварщик в России . 2011 . 6 . C . 30–35 .16 . Олешук И. Г., Поболь И. Л., Юревич С. В. // VII Междунар . науч .-техн . конф . «Современные методы и техноло-

гии создания и обработки материалов» . Минск, 19–21 сент . 2012 г . Кн . 2 . Мн ., 2012 . С . 370–374 .17 . Гордиенко А. И., Поболь И. Л. // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2011 . 2 . С . 108–115 .

I. L. POBAL

CURRENT STATE AND TRENDS OF APPLICATION OF ELECTRON BEAM TECHNOLOGIES IN THE INDUSTRY OF REPUBLIC OF BELARUS

Summary

The main directions of researching the technological applications of electron beams for implementation of thermal and irradiation processes in the world and in Belarus are examined . It is shown that the use of non-relativistic and relativistic electron fluxes gives possibility of a significant improvement in the properties of treated materials or products and provides great economic advantages over other known technologies of the pure materials remelting, obtaining of the joints, surface engineering, materials and products sterilization and formation of new materials consumer properties .



Беларуси

57


УДК 667.613.3:620.197.6

А. Л. ШУТОВА, Н. Р. ПРОКОПЧУК, И. К. ЛЕЩИНСКАЯ, Е. И. ВИНГЛИНСКАЯ

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ГРУНТОВОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ МЕТАЛЛ – ПОКРЫТИЕ

Белорусский государственный технологический университет


Введение . При эксплуатации различных сооружений, техники, изделий из металлов возни-кает проблема их защиты от коррозии . Одним из наиболее надежных и относительно дешевых методов антикоррозионной защиты является нанесение лакокрасочных покрытий .

При эксплуатации покрытий в различных условиях (атмосфера, водные растворы) основные коррозионно-активные агенты (вода, кислород) через сравнительно небольшое время от начала эксплуатации покрытия оказываются на границе пленка – металл в количестве, достаточном для развития коррозионного процесса [1] . Следовательно, роль лакокрасочного покрытия нельзя сво-дить к его изоляционным свойствам и систему металл – полимерное покрытие необходимо рас-сматривать как своеобразную электрохимическую систему, в которой коррозионный процесс развивается под покрытием . В связи с этим особое значение приобретает изучение электрохими-ческого и коррозионного поведения таких сложных систем, как металл – полимерное покрытие .

Поскольку система металл – полимерная пленка – электролит является в электрохимическом отношении активной, то ее можно описывать теми же параметрами, которые используют для характеристики обычной электрохимической системы: стационарные потенциалы, поляризаци-онные характеристики, омическое сопротивление и др . [2]

Объекты и методы исследований. В данной работе исследовали грунтовки, отличающиеся природой антикоррозионного пигмента, на основе алкидно-стирольного олигомера («Хим-Алкид 40/60», ТУ У 24 .1-13395997-014:2006) со степенями наполнения, соответствующими коэф-фициенту лакокрасочной системы Q = 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 . Пигментные части исследуемых грунто-вок состояли из 15 об .% красного железооксидного пигмента, 40 об .% микроталька, 22,5 об .% микробарита, 22,5 об .% цинковых белил (состав 1) или 22,5 об .% тетраоксихромата цинка (со-став 2) [3] .

Объекты исследования (электроды) – пластинки из листовой холоднокатаной стали 08 кп, толщиной 0,8–1,0 мм, размером 10×70 мм, не окрашенные и окрашенные лакокрасочными ком-позициями, составы которых приведены выше . Лакокрасочные композиции изготавливали на лабораторном диссольвере DISPERMAT®CA: диспергировали до степени перетира 35 мкм . По-сле выдержки в течение 1 сут вязкость доводили ксилолом до 90 с по вискозиметру типа ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм при температуре (20,0 ± 0,5)ºС и фильтровали через сетку 01-02 . Пе-ред нанесением грунтовку разбавляли ксилолом до рабочей вязкости (20–30 с) и наносили пнев-мораспылением с двух сторон на зашлифованные и обезжиренные ацетоном пластины, края которых защищали исследуемым материалом . Все покрытия наносили в один слой толщиной 20–25 мкм, сушку производили при 20 ºС в течение 30 мин, перед испытанием образцы выдер-живали при температуре (20,0 ± 2)ºС и относительной влажности воздуха (65 ± 5)% не менее 10 сут .

Испытания проводили в дистиллированной воде и 0,5%-ном растворе соляной кислоты без перемешивания при температуре 18–20 ºС . Стационарные потенциалы электродов измерялись относительно хлорсеребряного электрода сравнения в течение 3 ч на потенциостате ПИ-50-1 .



Беларуси

58

Оценивали в течение 7 сут основные характеристики (потенциалы электродов, ЭДС и силу тока) коррозионного элемента, составленного из двух электродов (один с покрытием, другой без него) .

Снятие анодных поляризационных кривых на образцах с покрытиями осуществляли с помо-щью потенциостата марки ПИ-50-1 и программатора задающих напряжений ПР-8 . Электродом сравнения служил хлорсеребряный электрод, в качестве противоэлектрода использовали элек-трод из платины . После погружения образца в раствор агрессивной среды определяли величину равновесного потенциала в течение 5 мин . Затем измеряли величину тока через каждые 20 мВ изменения потенциала . Анодную поляризацию продолжали до установления потенциала +800 мВ по нормальному водородному электроду . Все потенциалы переведены в шкалу нормального во-дородного электрода .

Оценку краевой коррозии производили на пластинках из стали 08 кп размерами 70×150 мм, окрашенных испытываемым грунтовочным составом . На лицевой стороне образца делали два надреза (перпендикулярно друг другу) до металла длиной не менее 30 мм . Образцы помещали в дистиллированную воду, где выдерживали покрытия аналогично определению их стойкости к статическому воздействию агрессивных сред (ГОСТ 9 .403) в течение 30 сут, затем оценивали распространение краевой коррозии [4] .

Исследование стойкости покрытий к статическому воздействию агрессивных сред. В результате проведенных исследований отмечено влияние степени наполнения композиций и природы антикоррозионного пигмента на защитные свойства покрытий (табл . 1) .

Т а б л и ц а 1 . Стойкость грунтовочных покрытий различного состава к статическому воздействию агрессивных сред, сут (ГОСТ 9.403)

Агрессивная среда

Пигментная часть грунтовочной композиции

Состав 1 Состав 2

Q = 0,6 Q = 0,7 Q = 0,8 Q = 0,9 Q = 0,6 Q = 0,7 Q = 0,8 Q = 0,9

Вода 30 30 15 <1 16 30 30 <10,5%-ный раствор НСl 10 13 6 <1 <1 <1 <1 <1

Грунтовка на основе алкидно-стирольной смолы с пигментной частью состава 2 с Q = 0,7

и 0,8 обеспечивает высокую водостойкость защищаемых металлических поверхностей, а с пиг-ментной частью состава 1 с Q = 0,6 и 0,7 – водо- и кислотостойкость, причем все покрытия ха-рактеризуются хорошими технологическими и физико-механическими свойствами .

Оценка защитных свойств лакокрасочных покрытий по ГОСТ 9 .403 «Определение стойкости покрытий к статическому воздействию жидкостей» заключается в осмотре внешнего вида плен-ки невооруженным глазом после выдержки пластинки с покрытием в агрессивной среде: покры-тие должно быть без видимых изменений . Однако отсутствие повреждений покрытия не гаран-тирует защиту металла от коррозии, так как коррозионный процесс на поверхности раздела ме-талл – полимерное покрытие начинается задолго до разрушения покрытия . Для получения более четких представлений о коррозионных процессах, протекающих под разработанными лакокра-сочными композициями, предложено кроме традиционных для лакокрасочной промышленно-сти методов оценки защитных свойств применить и электрохимические методы исследования .

Исследование защитных свойств покрытий электрохимическими методами. Результаты проведенных испытаний по измерению стационарных потенциалов исследуемых электродов в дистиллированной воде в течение 3 ч представлены на рис . 1 . Видно, что сталь со всеми покры-тиями по сравнению со сталью без покрытия имеет более положительный потенциал, что слу-жит косвенным доказательством защитных свойств покрытий . При этом значение потенциала стабилизируется во времени, что свидетельствует о хороших барьерных свойствах покрытий .

Для состава 1 наблюдается существенная разница в значениях стационарного потенциала электродов в зависимости от наполнения покрытий . Увеличение степени наполнения, т . е . рост количества антикоррозионного пигмента цинковых белил, приводит к смещению потенциала окрашенной стали в положительную сторону . Так как в данном составе отсутствуют антикорро-



Беларуси

59

зионные пигменты, пассивирующие ме-талл, наблюдаемая зависимость стацио-нарного потенциала от степени напол- нения объясняется различными диффу- зионными ограничениями сформиро-ванных покрытий .

Важно отметить, что влагопоглоще-ние исследуемых покрытий уменьшает-ся при увеличении степени наполнения (т . е . при снижении доли пленкообразо-вателя в покрытии, который в данном случае и поглощает влагу) [5] . Следова-тельно, покрытия с Q = 0,6 поглощают бóльшее количество воды по сравнению с покрытиями с Q = 0,7–0,9, что приво-дит к активному протеканию катодной реакции коррозии, заключающейся в вос-становлении кислорода, а анодная реак-ция, определяющаяся в данном случае возможностью диффузии ионов металла через пленку, в большей степени затруд-нена .

Со временем в набухшей в воде плен-ке диффузия ионов облегчается, что мо-жет вызвать активацию анодной реак-ции ионизации металла, в результате потенциал окрашенной стали смещается в отрицательную сторону (что и наблю-даем на примере состава 1 с Q = 0,6) по сравнению с более высоконаполненны-ми покрытиями .

Сталь с покрытием состава 2, содер-жащим в качестве антикоррозионного пигмента тетраоксихромат цинка, пока-зала примерно одинаковые величины электродного потенциала при всех напол-нениях . Следовательно, уже при мини-мальном исследуемом наполнении (Q = 0,6) при проникновении влаги в покрытие образуется достаточное количество ионов CrO4

2– для обеспечения защиты стальной поверхно-сти (возможной для состава 2) как минимум в начальный период .

Исследования окрашенной стали в растворе соляной кислоты показали, что потенциал стали с покрытием также стабилен во времени, но немного смещен в более отрицательную сторону по сравнению со сталью без покрытия, что может указывать на протекание коррозионного процес-са со смешанной кислотно-водородной деполяризацией .

Результаты по исследованию анодного поведения стали с исследуемыми покрытиями в дис-тиллированной воде представлены на рис . 2, в растворе соляной кислоты – на рис . 3 . Во всех случаях наблюдается уменьшение силы анодного тока по сравнению с неокрашенной сталью .

Смещение анодной поляризационной кривой в сторону меньших значений токов может слу-жить характеристикой защитной способности покрытия . При снятии анодных поляризационных характеристик стали, окрашенной грунтовкой состава 1 в воде, видно, что минимальная сила тока наблюдается при небольшом наполнении (Q = 0,6 и 0,7) . При Q = 0,9 значение силы тока

Рис . 1 . Электродный потенциал стали без покрытия и с покрыти-ем состава 1 (а) и состава 2 (б) различного наполнения в воде: 1 – сталь без покрытия; 2, 3, 4, 5 – сталь с покрытием составов

с Q = 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 соответственно



Беларуси

60

приближается к кривой, снятой на нео-крашенной стали .

Возможно, это связано с химиче-ским взаимодействием реакционноспо-собных электронодонорных групп плен-кообразователя с гидроксилированной поверхностью цинковых белил (кислот-но-основной характер взаимодействия), что приводит к ограничению сегменталь- н ой подвижности макромолекул вбли зи поверхности частиц пигмента .

Увеличение степени наполнения при-водит к тому, что число адсорбирован-ных групп связующего увеличивается, подвижность макромолекул еще более уменьшается, в результате снижается интенсивность пространственного пре-вращения реакционноспособного плен-кообразователя, что влечет за собой не-доотверждение связующего в естествен-ных условиях и снижение защитных свойств покрытий . Поэтому состав 1, содержащий цинковые белила, с меньшим наполнением характеризуются лучши-ми защитными свойствами в результате более высокой степени отверждения свя-зующего вблизи поверхности пигмен-тов и наполнителей .

При исследовании анодных поляри-зационных характеристик стали с по-крытием состава 2 в воде видно, что ми-нимальная сила тока наблюдается при Q = 0,7, следовательно, защитная спо-собность покрытия состава 2 при этом наполнении более высокая . Анодные то-ки образцов с покрытием состава 2 мень-ше, чем для образцов с покрытием со-става 1, и менее зависимы от потенциа-ла, особенно при Q = 0,6–0,7, что может указывать на образование пассивирующей хроматной пленки на поверхности стали .

На рис . 3 видно, что сила тока при исследовании стали, окрашенной составом 1, ниже, осо-бенно при небольшом наполнении (Q = 0,6), чем в случае неокрашенного электрода .

В растворе соляной кислоты при исследовании стали с покрытием состава 2 ток при всех на-полнениях достигает больших значений и увеличивается при повышении степени наполнения . Это может указывать на активированное действие хлорид-ионов и свидетельствует о низкой за-щитной способности покрытий состава 2 в растворе соляной кислоты, что полностью соответ-ствует результатам оценки защитных свойств по ГОСТ 9 .403 (табл . 1) .

В растворе соляной кислоты более стойким является покрытие состава 1 (значение анодных токов по сравнению с покрытием состава 2 ниже в 1,5–2 раза), что связано с присутствием пиг-мента основного характера (цинковые белила), взаимодействующего с кислотными коррозион-но-активными агентами .

Рис . 2 . Анодная поляризация стали без покрытия и с покрытием состава 1 (а) и состава 2 (б) различного наполнения в воде: 1–5

см . рис . 1



Беларуси

61

Для оценки длительности защитного действия исследуемых покрытий в воде исследовали коррозионный элемент из двух электродов: один из которых с по-крытием, а другой без него . Результаты исследований по изучению в течение 7 сут основных характеристик коррозионных элементов в воде представлены на рис . 4 .

Потенциал чистого металла (анода) со временем становится более отрица-тельным, приобретая постоянное значе-ние (примерно через 3 сут), равное –400–430 мВ . Потенциал электрода с покрытием (катод) сдвигается в электроотрицатель-ную сторону, но является более электро-положительным . Разность потенциалов электродов, или ЭДС различных систем, составляет 45–110 мВ . Величина тока в исследуемых системах с дистиллиро-ванной водой в качестве среды практиче-ски равна нулю из-за ее низкой электро-проводности .

При изучении поведения коррозион-ного элемента электрод – электрод с по-крытием состава 2 видно, что в начальный момент потенциал окрашенного электро-да со всеми наполнениями практически одинаковый, что совпадает с результата-ми при определении изменения стацио-нарного потенциала стали с покрытием в течение 3 ч . Постепенно потенциал окра-шенного электрода начинает уменьшаться, причем четко прослеживается влияние степени наполнения покрытий .

Для стали, окрашенной составом 2 с ми-нимальным исследуемым наполнением (Q = 0,6), наблюдается резкое уменьшение потенциала катода за первые 24 ч испытаний, затем потенциал стабилизируется . Вероятно, это можно объяснить бóльшим количеством поглощенной воды за данное время по сравнению с более высоконаполненными покрытия-ми . В результате в набухшей пленке диффузия ионов облегчается, что может вызвать акти-вацию анодной реакции ионизации металла и смещение потенциала окрашенной стали в от-рицательную сторону .

При увеличении наполнения наблюдается более плавное уменьшение потенциала катода, что можно объяснить снижением влагопоглощения .

Минимальная разность потенциалов между металлами с покрытием и без него достигается при Q = 0,9 (44 мВ) . Это связано с большим содержанием тетраоксихромата цинка, постепенно растворяющегося при поглощении влаги покрытием, что вызывает сильное ослабление его ба-рьерных свойств .

Максимальная разность потенциалов наблюдается при Q = 0,8 (112 мВ) . В покрытии состава 2 с Q = 0,8 достигается необходимый баланс между концентрацией пассивирующего агента (т . е . хромат-ионов) и стабильностью барьерных свойств покрытий, что обеспечивает хорошую и дли-тельную защиту стальных поверхностей .

Рис . 3 . Анодная поляризация стали без покрытия и с покрытием состава 1 (а) и состава 2 (б) различного наполнения в растворе

соляной кислоты: 1–5 см . рис . 1



Беларуси

62

При изучении коррозионного элемента сталь – сталь с покрытием состава 1 окрашенные электроды также имеют более положительный потенциал по сравнению с электродами без по-крытия . Отсутствие в составе 1 антикоррозионных пигментов пассивирующего действия позво-ляет судить только о барьерных свойствах этих покрытий . Разность потенциалов между металлом с покрытием и без него значительно меньше, чем у состава 2, и составляет примерно 55–75 мВ (при разных наполнениях) . Следовательно, покрытие состава 1 в качестве катода функционирует менее эффективно по сравнению с покрытием состава 2 . Поэтому можно предположить, что при повреждении покрытия коррозионные эффекты в системе сталь без покрытия – сталь с покрыти-ем состава 1 будут ниже, чем в системе с покрытием состава 2 .

Для подтверждения данного предположения нами проведена оценка защитных свойств лако-красочных покрытий по краевой коррозии (табл . 2) .

Т а б л и ц а 2 . Показатели краевой коррозии покрытий разных составов

Пигментная часть грунтовочной композиции

Ширина распространения краевой коррозии, мм

Степень краевой коррозии, бал

Состав 1 (Q = 0,7) 0,1 1Состав 2 (Q = 0,7) 0,19 1Состав 2 (Q = 0,8) 0,24 1

Рис . 4 . Изменение электродных потенциалов коррозионного элемента (сталь без покрытия и с покрытием) различно-го наполнения с Q = 0,6 (а), Q = 0,7 (б), Q = 0,8 (в), Q = 0,9 (г) в воде



Беларуси

На образцах окрашенной грунтовкой с пигментной частью состава 1 краевая коррозия раз-вивается равномерно . Вероятно, это связано с применением в данной композиции антикоррози-онного пигмента (цинковые белила), что обеспечивает более равномерное и сильное адгезионное взаимодействие на границе металл – полимерное покрытие по сравнению с составом 2 .

На образцах с покрытиями состава 2 краевая коррозия распространяется неравномерно . При наполнении с Q = 0,8 она шире, но так же, как и с Q = 0,7, соответствует наименьшей степени краевой коррозии . Таким образом, проведенное исследование полностью подтверждает выводы о том, что при повреждении покрытия состава 1 коррозионные эффекты ниже, чем при повреж-дении покрытия состава 2 .

Если сопоставить результаты оценки защитных свойств исследуемых покрытий электрохи-мическими методами и по ГОСТ 9 .403, можно сделать следующие выводы: при использовании разработанной грунтовки как самостоятельного покрытия (без эмали) для защиты стальных по-верхностей от действия воды лучше использовать состав 2 с Q = 0,7, так как при повреждении покрытий коррозионные эффекты будут ниже, чем с Q = 0,8 . При защите металлических поверх-ностей комплексным покрытием (грунт + эмаль) рекомендуется использовать состав 2 с Q = 0,8, так как пассивирующие свойства этих покрытий выше, а вероятность повреждения будет ниже благодаря тому, что слой грунтовки защищен от повреждений слоем эмали .

При необходимости защиты стальных поверхностей от воды и раствора соляной кислоты рекомендуется использовать грунтовку состава 1 с наполнением (Q = 0,6 и 0,7) .

Заключение. Проведенные исследования показали, что дополнительная оценка защитных свойств покрытий электрохимическими методами совместно с общепринятыми для лакокрасоч-ной промышленности методами исследования позволила получить более полное представление о коррозионных процессах, протекающих под покрытием, оценить влияние на них типа анти-коррозионного пигмента и степени наполнения лакокрасочных композиций . Это позволило скорректировать рецептуры для отдельных областей применения с целью достижения высокой степени защиты металлических поверхностей .


1 . Индейкин Е. А. Пигментирование лакокрасочных материалов . Л ., 1986 .2 . Розенфельд И. Л. Антикоррозионные грунтовки и ингибированные лакокрасочные покрытия . М ., 1980 . 3 . Шутова А. Л. и др . // Материалы, технологии, инструменты . 2010 . Т .15, 4 . С . 88–93 .4 . Майорова Н. В., Кузнецова Н. А. // Лакокрасочные материалы и их применение . 1987 . 2 . С . 44–46 .5 . Шутова А. Л. // Научные стремления-2010 : Матер . I Респ . молодежной науч .-практ . конф . Мн ., 2010 .

A. L. SHUTOVA, N. R. PROKOPCHUK, I. K. LESCHINSKAJA, К. I. VINGLINSKAYA

INFLUENCE OF COMPOSITION OF UNDERCOAT ON ELECTROCHEMICAL BEHAVIOUR OF METAL-COATING SYSTEMS

Summary

Article is devoted to evaluation of protective properties of polymeric coatings by electrochemical methods: determination of stationary potentials of samples without the coating and with the coating, getting of anodic polarizing curves . The carried out researches have shown that the additional evaluation of protective properties of coatings by the electrochemical methods together with the standard methods for a paint industry has allowed to obtain fuller appreciation of the corrosion processes taking place under the coating, to evaluate the influence of anticorrosive pigment and a filling degree of paint compositions on this corrosion processes . These have allowed to correct accelerated drying primer compounding for different application domain (as an independent coating and a complex coating) with the purpose to achieve a high degree of protection of metal surfaces .



Беларуси

64


МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА

УДК 537.84:621.03

В. Г. БАШТОВОЙ, А. Г. РЕКС, АЛЬ-ДЖАИШ ТАХА МАЛИК МАНСУР

ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПОЛУОГРАНИЧЕННОЙ КАПЛИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ



Одной из интересных особенностей магнитных жидкостей является то, что при определен-ных условиях во внешнем однородном магнитном поле их объемы, обладающие свободной по-верхностью (пленки, капли, струи), теряют свою целостность и распадаются на отдельные части, существующие в последующем как самостоятельные образования [1, 2] . Особый интерес пред-ставляет при этом распад на части капли магнитной жидкости, лежащей на горизонтальной твердой плоской поверхности в перпендикулярном к ней однородном магнитном поле, определя-емый как ее топологическая неустойчивость [3, 4] . Подобное поведение магнитной жидкости кроме чисто научного интереса привлекает к себе внимание и с прикладной точки зрения, явля-ясь важным при использовании капельных объемов магнитной жидкости в различного рода тех-нических устройствах, например, в магнитожидкостных акустических контактах [5], подвесах и виброзащитных системах [6, 7] .

Однако известные к настоящему времени экспериментальные результаты охватывают доста-точно узкий диапазон изменения магнитных свойств жидкостей и напряженностей магнитного поля, а теоретические данные не обладают достаточной степенью наглядности и простоты, при-годной для широкого практического применения . В связи с этим цель настоящей работы – опи-сание процесса топологической неустойчивости на модельных задачах, выяснение роли отдель-ных механизмов и определение условий, при которых получаются аналитические соотношения, доступные для непосредственных вычислений, а также расширение спектра экспериментальных данных по этому явлению .

Топологическая неустойчивость капли магнитной жидкости, лежащей на горизонтальной твердой поверхности и находящейся под действием силы тяжести и внешнего однородного маг-нитного поля, перпендикулярного этой поверхности, проявляется в том, что с увеличением на-пряженности магнитного поля капля, вытягиваясь вдоль поля, при определенном его критиче-ском значении распадается на две примерно равные по объему капли .

С точки зрения принципа минимума энергии это означает, что при определенных условиях суммарная полная энергия двух капель становится меньше энергии одной капли суммарного объ-ема . Основными видами энергии, из которых складывается полная энергия капли, являются по-тенциальная энергия в поле силы тяжести (гравитационная энергия) и поверхностная энергия, определяемая коэффициентом поверхностного натяжения σ на свободной поверхности жидкости .

Физической предпосылкой к топологической неустойчивости является тот известный факт, что во внешнем однородном магнитном поле капля магнитной жидкости деформируется, удли-няясь вдоль направления поля [8,9], что также связано с ее стремлением минимизировать свою магнитную энергию . Однако, если это удлинение происходит вдоль действия силы тяжести, оно



Беларуси

65

приводит к повышению положения центра тяжести капли и увеличе-нию ее потенциальной гравитационной энергии . Именно это обстоя-тельство становится определяющим для последующего распада капли на две части меньшей высоты с более низкими положениями центров тяжести и с меньшей суммарной гравитационной энергией . На то, что гравитационная энергия играет ключевую роль в топологической неу-стойчивости капли, указывает и тот факт, что эта неустойчивость не наблюдается в условиях гидроневесомости [8, 9] .

При распаде капли суммарная площадь свободной поверхности двух капель становится больше, чем у исходной капли . Соответственно становится больше и их суммарная поверхностная энергия, что является фактором, препятствующим распаду .

Распад капли произойдет в том случае, когда полное изменение энергии в результате распада приведет к ее уменьшению (когда уменьшение гравитационной энергии будет больше, чем уве-личение поверхностной энергии) .

До распада капля имеет осесимметричную форму с осью симметрии, параллельной направ-лению поля [1] . Она вытянута вдоль поля так, что ее высота h много больше радиуса основания R . Это дает возможность считать размагничивающий фактор капли близким к нулю и не учиты-вать изменения ее магнитной энергии .

В соответствии с вышесказанным в дальнейшем рассматривается капля магнитной жидко-сти в форме вытянутого полуэллипсоида вращения высотой h и объемом V, в основании которой лежит круг радиуса R, расположенная на плоской горизонтальной поверхности и находящаяся под действием гравитационного поля с ускорением g и однородного магнитного поля H, направ-ленного вертикально, как изображено в левой части рис . 1 .

Определим условия, при которых существование двух одинаковых полуэллипсоидальных капель меньших размеров будет энергетически более выгодным, чем одной капли при сохране-нии их суммарного объема .

Полуэллипсоид вращения характеризуется следующими геометрическими параметрами:

площадь боковой поверхности 2 2 2

2 2arcsinh h RS R R

hh R

− = π + − , объем 2(2 / 3)V R h= π ,

координата центра тяжести ц .т (3/8)h h= . Для сильно вытянутого полуэллипсоида вращения (h>>R) 2( / 2)S Rh= π . Соответственно его потенциальная энергия в поле силы тяжести есть

ц .т (3/8)gE Vgh gVh= ρ = ρ , а поверхностная энергия Еσ2

пов ( / 2)E S Rh= σ = π σ . В результате топологической неустойчивости исходная капля распадается на две капли, как

изображено в правой части рис . 1 . Величины, относящиеся к исходной капле объема V, будут отмечаться нижним индексом 1,

а к отдельной конечной капле половинного объема V/2 – индексом 2 . Тогда разность энергий 1 22E E E∆ = − одной капли и системы двух капель половинного объема будет описываться сле-

дующими соотношениями: для гравитационной энергии 1 2(3/8) ( )gE gV h h∆ = ρ − , для поверх-ностной энергии 2

1 1 2 2( / 2) ( 2 )E R h R hσ∆ = π σ − . Радиусы оснований и высоты капель связаны между собой соотношениями для их объемов

1 13 /(2 )R V h= π , 2 23 /(4 )R V h= π . Тогда 3 21 23 /8( 2 )E V h hσ∆ = π σ − .

Как показывают исследования, распад капли происходит таким образом, что высота вторич-ных капель меньше высоты исходной капли, но больше, чем ее половина, h1 >h2 >h1/2 . С учетом этого из полученных соотношений следует, что распад капли приводит к уменьшению гравита-ционной энергии системы ∆Eg >0 и увеличению поверхностной энергии ∆Eσ <0 .

Существование двух капель вместо одной будет всегда энергетически более выгодным, ког-да по модулю уменьшение гравитационной энергии системы будет больше увеличения поверх-ностной энергии, |∆Eg|>|∆Eσ|, а условием, определяющим порог наступления топологической не-устойчивости, будет равенство изменений этих энергий, |∆Eg| = |∆Eσ|:

3 2

1 2 2 1(3/8) ( ) 3 /8( 2 )gV h h V h hρ − = π σ − . (1)

Рис . 1 . Геометрия задачи



Беларуси

66

Как было отмечено, высота капли зависит от величины напряженности магнитного поля . Эту зависимость можно определить, воспользовавшись результатами [9], где для сильно вытяну-тых вдоль поля капель, когда h >>R, получено следующее выражение:

2

03 /(8 )h V M= µ πσ . (2)

Здесь µ0 – магнитная проницаемость вакуума, равная 1,26⋅10–6 Гн/м, M=M(H) – магнитный мо-мент единицы объема (намагниченность) жидкости .

У капель, сильно вытянутых вдоль магнитного поля, размагничивающий фактор близок к нулю, поэтому будем считать, что напряженность магнитного поля внутри исходной капли и во вторичных каплях, а соответственно и их намагниченности M одинаковы .

Подставляя соответствующие значения высот капель из выражения (2) в условие (1), получа-ем следующее условие наступления топологической неустойчивости рассматриваемой полуэл-липсоидальной капли:

2 3 7 / 404

5 3/ 4 1/ 44

8 10(1 2)3 2

M Vg µ πρ = ≈

σ + . (3)

Это условие может быть обобщено на случай произвольной осесимметричной капли высотой h и с радиусом основания R, параметры которой можно описать следующими обобщенными со-отношениями: площадь боковой поверхности S = αRh, объем V = βR2h, координата центра тяже-сти hц .т = γh . Для такой капли условие ее топологической неустойчивости при сохранении соот-ношения (2) примет вид

2 3

045

M Vg Aµρ =

σ, 4

4

2 23(1 2)

A α π=γ β +

. (4)

Для капель классической формы в виде уже рассмотренного полуэллипсоида вращения, а также кругового конуса и цилиндра получаемые из условия (4) результаты расчета коэффици-ентов представлены в табл . 1 .

Т а б л и ц а 1 . Расчетные коэффициенты для капель разных форм

Форма капли α β γ A

Сильно вытянутый полуэллип-соид вращения (h>>R)

2

2π

2 /3π 3/87 / 4

3 / 4 1/ 44

8 10(1 2)3 2

π≈

+

Круговой конус π / 3π 1/ 43 / 44

4

8 6(1 2)

π≈

+13

Круговой цилиндр 2π π 1/ 23 / 44

1/ 44

8 2(1 2)3

π≈

+7,8

Выражение (4) может быть записано в безразмерном виде, если ввести известные магнитный критерий 2

0 0 /S M R= µ σ и магнитное число Бонда 20Bo /gR= ρ σ [9], а в качестве характерного

размера R0 взять следующий радиус сферической капли объема V: 30 3 / 4R V= π . Тогда условие

(4) примет вид

BoS1/4 = A(3/4π)3/4 .

В соотношении (4) обращает на себя внимание следующий результат, описанный на основе экспериментальных исследований в [4], а именно наличие минимального объема жидкости Vmin, меньше которого капля магнитной жидкости не подвержена топологической неустойчивости . Это связано с тем, что намагниченность жидкости имеет предельное значение, равное намагни-ченности насыщения MS . Значение этого объема определяется из соотношения (4) следующим образом:



Беларуси

67

1/ 34 / 3 5

min 20 S

AVg M

σ= ρ µ

. (5)

Из этого выражения, в частности, следует, что минимальный с точки зрения топологической неустойчивости объем магнитной жидкости обратно пропорционален намагниченности насы-щения жидкости в степени 2/3 . Таким образом, жидкости с менее сильными магнитными свой-ствами требуют увеличенных объемов капель для проявления топологической неустойчивости .

Из условия (4) также следует зависимость критического значения намагниченности жидко-сти Mкр, соответствующего наступлению топологической неустойчивости, от объема капли V:

4 52

0 кр 4 3( )AMg Vσ

µ =ρ

. (6)

Из уравнения (6) видно, что капли большего объема распадаются при меньших значениях на-магниченности жидкости . Поскольку намагниченность жидкости растет с увеличением напря-женности внешнего магнитного поля, это означает, что капли большего объема распадаются при меньших значениях этого поля, т . е . критические значения напряженности магнитного поля Hкр, соответствующие критическим значениям намагниченности жидкости Mкр, уменьшаются с уве-личением объема капли .

При одном и том же значении напряженности магнитного поля намагниченность жидкости тем больше, чем сильнее ее магнитные свойства, т . е . чем большая ее намагниченность насыще-ния . Поэтому капли одного объема испытывают топологическую неустойчивость при меньших значениях напряженности внешнего магнитного поля для жидкостей с большей намагниченно-стью насыщения . Следовательно, критические значения напряженности магнитного поля для капель одного объема уменьшаются для жидкостей с большей намагниченностью насыщения .

Экспериментальные исследования выполнены в вертикальном однородном магнитном поле, источником которого служили катушки Гельмгольца . В области расположения капли объемом до 400 мм3 неоднородность поля не превышает 0,05 % . Исследования выполнены в диапазоне магнитных полей от нуля до 30 кА/м .

В экспериментах использован набор магнитных жидкостей на основе керосина МК-26, МК-34, МК-43, МК-52, МК-72 . Магнитная фаза у всех образцов жидкости – магнетит . Основные физи- ческие свойства жидкостей приведены в табл . 2 . В качестве горизонтальной плоской подложки для капли использовалась стеклянная пластина .

Т а б л и ц а 2 . Свойства магнитных жидкостей

Тип жидкости МS, кА/м ρ, кг/м3 σ, Н/м

МК-23 23,7 1191 0,029МК-34 34,2 1335 0,028МК-43 42,8 1432 0,026МК-52 52,1 1476 0,027МК-72 72,5 1650 0,023

Методика эксперимента состояла в следующем . При некотором начальном значении напря-женности магнитного поля капля магнитной жидкости формировалась на поверхности пласти-ны . Величина поля выбиралась так, чтобы капля не растекалась по поверхности, а принимала вертикальный пикообразный вид . Затем магнитное поле небольшими ступенями квазистатиче-ски изменялось до тех пор, пока не происходил распад капли на две части .

Типичные нейтральные кривые устойчивости капель – зависимости критической напряжен-ности внешнего магнитного поля Нкр от объема капли V приведены на рис . 2 . Серия фотографий иллюстрирует форму капель магнитной жидкости МК-52 объемом 243 мм3 при соответствую-щих напряженностях магнитного поля . Область вне этих кривых соответствуют распаду капли, внутри кривых – устойчивому существованию одной капли .



Беларуси

68

Прежде всего, эксперимент показал, что распад капли может происходить как при увеличе-нии напряженности магнитного поля, так и при ее уменьшении . Это проявляется в том, что ней-тральные кривые устойчивости (рис . 2) имеют две смыкающиеся справа ветви, наиболее выра-женные для жидкостей с большой намагниченностью насыщения МК-52 и МК-72 . Верхняя ветвь соответствует распаду капли при увеличении магнитного поля, нижняя ветвь – распаду капли при уменьшении магнитного поля . Таким образом, неустойчивость капли характеризуется верх-ним и нижним критическими значениями напряженности, величина которых зависит от намаг-ниченности насыщения жидкости и начального объема капли .

При этом только верхняя ветвь этих кривых соответствует представленному выше теорети-ческому описанию и полностью качественно соответствует теоретическим результатам: 1) стрем-лению с ростом напряженности магнитного поля этих кривых к некоторому минимальному объему Vmin, причем с уменьшением намагниченности насыщения жидкости верхняя ветвь кри-вой неустойчивости становится круче; 2) монотонному убыванию критических значений напря-женности магнитного поля с ростом объема капли; 3) более низкими критическим значениями напряженности магнитного поля для жидкости с более высокой намагниченностью насыщения . Капли сильно вытянуты вдоль направления магнитного поля, но, как показали эксперименталь-ные исследования, непосредственно перед распадом они теряют осевую симметрию и их основа-ние имеет форму, близкую к эллипсу . Распад происходит в направлении, перпендикулярном на-правлению поля .

Распад же капель при уменьшении магнитного поля (нижняя ветвь нейтральных кривых) по механизму близок к поверхностной неустойчивости плоского слоя [2] . Характерной особенно-стью трансформации капли в этом случае является изменение формы ее боковой поверхности с выпуклой на вогнутую . При этом в момент перед распадом капля имеет широкое основание и значительную часть поверхности, где имеется нормальная к ней составляющая намагничен-ности Mn (рис . 2, нижние фотографии) . При достижении этой составляющей критического зна-чения на поверхности капли развивается неустойчивость . Поскольку горизонтальный размер капли близок к длине волны поверхностной неустойчивости, то распад происходит на две кап-ли . Нижняя ветвь кривых неустойчивости с уменьшением объема капли стремится к пределу, близкому к критическому значению поля для неустойчивости плоского слоя с толщиной по-рядка высоты центра тяжести капли . На рис . 2 эти предельные значения поля отмечены гори-зонтальными штриховыми линиями для соответствующих жидкостей и определены экспери-ментально .

В соответствии с данными эксперимента при увеличении объема капли верхний и нижний пороги неустойчивости сближаются и становятся равными при некотором предельном значении объема Vв

* . При V > Vв* капля магнитной жидкости, лежащая на плоской горизонтальной маг-

нитной подложке, не может существовать ни при каких значениях напряженности магнитного поля . Для каждой жидкости существует свой предельный объем . С увеличением намагниченно-сти насыщения этот предельный объем растет .

Рис . 2 . Нейтральные кривые устойчивости капель магнитной жидкости с различной намагниченностью насыщения



Беларуси

Предельный объем также может быть значительно увеличен частичной компенсацией силы тяжести при помещении капли в прозрачный раствор с плотностью, близкой к плотности маг-нитной жидкости . Так, например, для жидкости МК-52 при разности плотностей ∆ρ = 450 кг/м3 предельный объем Vв

* достигает 630 мм3, а при ∆ρ = 200 кг/м3 Vв* = 1500 мм3 .

В исследуемом диапазоне магнитных полей до 30 кА/м для жидкостей с пониженными зна-чениями намагниченности насыщения (МК-43, МК-34, МК-23) верхняя ветвь кривой устойчиво-сти практически не достигается и полученные зависимости соответствуют нижним ветвям кри-вых неустойчивости, что иллюстрируется на рис . 2 соответствующей кривой для жидкости МК-43 .

Работа выполнена при поддержке Фонда фундаментальных исследований Республики Бе-ларусь .


1 . Berkovsky B., Bashtovoi V. // IEEE Transactions on Magnetics . 1980 . Vol .16, N 2 . P . 288−296 . 2 . Баштовой В. Г., Краков М. С., Рекс А. Г. // Магнитная гидродинамика . 1985 . 1 . С . 19−24 . 3 . Berkovsky B. M., Kalikmanov V. I. // J . Phys . Lett . 1985 . Vol .46 . P . L483-L491 .4 . Berkovsky B., Bashtovoi V., Mikhalev V., Reks A. // J . Magnetism and Magnetic Materials . 1987 . Vol .65 . P . 239−241 . 5 . Баев А. Р., Коновалов Г. Е., Майоров А. Л. Магнитные жидкости в технической акустике и неразрушающем

контроле . Мн ., 1999 .6 . Bashtovoi V., Reks A., Kuzhir P. еt al. Patent FR 2 894 004-A1 . Bulletin 07/22 . 2006 .7 . Magnetic Fluids and Applications Handbook . / B . Berkovsky, V . Bashtovoi, eds . New York: Begell House Inc .

Publishers, 1996 .8 . Архипенко В. И., Барков Ю. Д., Баштовой В. Г. // Магнитная гидродинамика . 1978 . 3 . С . 131−134 .9 . Баштовой В. Г., Погирницкая С. Г., Рекс А. Г. // Магнитная гидродинамика . 1990 . 2 . С . 2−26 .

V. G. BASHTOVOI, A. G. REKS, AL-DJAISH TAHA MALIK MANSUR

TOPOLOGICAL INSTABILITY OF MAGNETIC FLUID SEMI-BOUNDED DROP

Summary

Disintegration of magnetic fluid drops in two parts in an external homogeneous magnetic field (topological instability) is investigated theoretically and experimentally . The role of individual mechanisms leading to disintegration is analyzed, and analytical relationships and experimental dependences for critical parameters are established .



Беларуси

70


УДК 621.923

Л. М. АКУЛОВИЧ, Л. Е. СЕРГЕЕВ, В. Е. БАБИЧ, Е. В. СЕНЧУРОВ, В. В. ШАБУНЯ

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАФОНОВ

Белорусский государственный аграрный технический университет


Плафон − основная часть светильника, выполняющая функции распределения, отражения и направления света . Материалы для изготовления подобных технических изделий − хрусталь, фарфор, пластик, стекло, цветные металлы и реже натуральный камень [1] . Из цветных метал-лов часто используют бронзу и латунь . Бронза хорошо поддается обработке, но стоимость ее выше, чем у латуни . Поэтому в настоящее время элементы осветительной аппаратуры в массо-вом производстве изготавливают из латуни . После качественной финишной обработки латунь по своему внешнему виду вполне сопоставима с бронзой, а в случае нанесения лака на обрабо-танную поверхность визуально неотличима от золота .

Плафоны функционально должны обеспечивать высокий коэффициент отражения падающе-го светового потока, что накладывает повышенные требования к шероховатости поверхности при ее финишной обработке .

Одним из перспективных способов, обеспечивающих получение поверхности с высоким па-раметром шероховатости, является магнитно-абразивная обработка (МАО) [2−4] . Суть способа МАО заключается в абразивном воздействии на обрабатываемую поверхность частиц ферроа-бразивного порошка (ФАП), ориентированных энергией электромагнитного поля, при наличии смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) (рис . 1) . Диапазон температур на по-верхности детали в процессе обработки составляет 50−70 °С, что обусловлено сингулярностью потоков теплоты, образующейся при съеме материала пористым ФАП . Проблема реализации процесса МАО поверхности плафонов, изготовленных из латуни (например, Л63 ГОСТ 15527−2004), вызвана тонкостенностью обрабатываемых поверхностей (толщина стенки 0,25−1,0 мм) . Несмо-тря на относительно невысокую температуру на обрабатываемой поверхности, градиент темпе-ратуры в зоне резания имеет максимальное значение, что отрицательно влияет на отражатель-ную способность поверхности плафона . Следовательно, для осуществления МАО поверхности плафонов, изготовленных из латуни, необходимо, во-первых, исследовать термодинамический процесс, связанный с распределением температуры в зоне обработки, во-вторых, управлять тем-

пературным режимом обработки, что возможно на основе создания теплофизической модели .

Известно [5], что тепловой поток от точечного источника обра-зования тепла распространяется как на обрабатываемый материал детали, так и на ФАП .

Температура Т на обрабатываемой поверхности определяется по формуле [5]:

0 0,5

д д0,5

qT TF C

t Pt

− =π λ + ρ α

, (1)

где Т0 – начальная температура на поверхности детали, К; q – поток теплоты, возникающий при обработке, Дж; λ – коэффициент тепло-

Рис . 1 . Схема МАО: 1 – полюс-ные наконечники; 2 – обраба- тываемая заготовка; 3 – ферро-магнитная оправка; 4 – ФАП; δ – рабочий зазор; V – скорость

вращения заготовки



Беларуси

71

проводности абразивной среды, Вт/(м·К); α – коэффициент температуропроводности абразивной среды, м2/с; Р – периметр сечения детали, м; F – площадь поперечного сечения детали, м2; t – время обработки, с; ρд – плотность материала детали, кг/м3; Сд – массовая теплоемкость матери-ала детали, Дж/(кг·К) .

Латунь является идеальным проводником теплового потока (λ= 85,5−111 Вт/(м·К)) [6], а те-плопроводность ФАП составляет λ = 0,25−0,35 Вт/(м·К) . Так как температура на поверхности детали имеет различные значения в точках всего теплового поля и является функцией координат и времени T = f(x, y, z, t), то необходимо учитывать степень нагрева и охлаждения поверхности детали и ФАП .

Уравнение теплового баланса в данном случае имеет вид [7]

1 2 3 4Q Q Q Q Q= + + + , (2)

где Q – количество теплоты, выделяемое при обработке детали в единицу времени, Дж/с; Q1 – количество теплоты, поглощенное деталью; Q2 – количество теплоты, поглощенное ФАП за счет теплопроводности; Q3 – количество теплоты, отведенное путем теплообмена между поверхно-стью детали и СОТС; Q4 – количество теплоты, отведенное путем теплообмена между поверхно-стью ФАП и СОТС .

В уравнении (2)

1 д д дQ V C dT= ρ ; (3)

2

0

( , )аа а

T x tQ C Sdt dtt

∞ ∂= ρ

∂∫ ; (4)

3 ( )СОТСQ SHdt T T= − , (5)

где Vд – объем детали, м3; S – площадь боковой поверхности детали, м2; ρа – плотность ФАП, кг/м3; Са – массовая теплоемкость ФАП, Дж/(кг·К); Та – температура ФАП, К; Н –коэффициент теплообмена при обтекании потоком СОТС поверхности детали, Вт/(м2·К); ТСОТС – температура СОТС, К .

Для определения теплоты Q4, отводимой потоком СОТС от ФАП, выделим в объеме рабочей технологической среды элементарный участок частицы ФАП размером dy × dx (рис . 2) .

С одной стороны, в выделенном участке dy × dx СОТС получает приращение количества те-плоты, равное

СОТС СОТС СОТСxy w С ldydT∆ = ρ , (6)

где w – скорость прохождения СОТС через ФАП, м/с; ρСОТС – плотность СОТС, кг/м3; ССОТС – те-плоемкость, Дж/К; l – длина поверхности детали, контактирующая с ФАП, м .

С другой стороны, это приращение равно

1 0 СОТС( )xy аH S l T T∆ = − , (7)

где Н1 – коэффициент теплообмена между СОТС и ФАП, Вт/(м2·К); S0 – площадь тепловоспринимающей поверх-ности, м2 .

Учитывая, что dy × dx = 1, после преобразования по-лучаем

СОТС СОТС СОТС 1 0 СОТС( )аw С dT Н S T T dxρ = − . (8)

При начальном условии ТСОТС находим

( )СОТС СОТС 1 0СОТС СОТС

expа аxT T Т T H S

w С

− = − − ρ . (9)

Рис . 2 . Схема теплообмена рабочей технологи-ческой среды: 1 – оправка; 2 – обрабатываемая деталь; 3 – рабочая технологическая среда; 4 – полюсный наконечник; dy × dx − элементарный

участок ФАП

СОТС



Беларуси

72

Подставляя данное выражение в уравнение (7) и интегрируя по x, определяем количество те-плоты, поглощаемое слоем ФАП толщиной dy в единицу времени:

СОТС СОТС 1 0 СОТС

СОТС СОТС

1 exp ( )2y а

Pw С l H S T T dyw С

∆ = ρ − − − ρ

. (10)

Интегрируя данное выражение по y в пределах от −∞ до +∞ и умножая его на dt, получаем

4 СОТС СОТС 1 0 СОТС

СОТС СОТС 0

2 1 exp ( )2 а

PQ w С l H S T T dyw С

∞ = ρ − − − ρ

∫ . (11)

Для решения задачи используем выражение для расчета температуры бесконечного полуо-граниченного тела, температура которого измеряется по закону Т = Т(t) [5]:

22

СОТС 2

2

24

zа

yt

yT T T t e dzaz

∞−

α

− = −

π ∫ . (12)

Подставляя выражения (3)−(5), (11), (12) в уравнение (2) и учитывая соотношение Q = qS, по-лучаем

( ) 22

СОТС д д 20

2

2

1 0 2СОТС СОТС

24

2 1 exp .2 4

za a

yt

a a

F dT y Тq H T T С dy e С tP dt z t

w С P yH S T t dzP w С z

∞ ∞−

α

∂= − + ρ + ρ − + α ∂π

ρ + − − − ρ α

∫ ∫ (13)

Решение интегрально-дифференциального уравнения производится методом Эйлера в слу-чае обыкновенных дифференциальных уравнений . Графически зависимость Т=Т(t) представим в виде линии, состоящей из отрезков прямых:

1 ( )i i

i iT TT t t T

h+ −

= − + при [ ; ]i it t t h∈ + ,

где Ti = T(ti), Ti+1 = T(ti + h) . После подстановки приведенного выражения в (9) при t = ti + h/2 полу-чим рекуррентное выражение

( )

СОТС

1

2

2 2 3

i i

i ii

i

hq HT H D t TT T h

h th hB H t C D+

+ − + +

= + −

+ + + +

, (14)

где СОТС СОТС1 0

СОТС СОТС

4 1 exp2

w С PD H SP w С

ρα= − − π ρ

; д дFB CP

= ρ ; 2 а аC Сα= ρ

π . Используя

уравнение (14), можно определить температуру на поверхности детали в последующей точке на основе предыдущего значения .

Таким образом, предполагаемый математический подход позволяет теоретически опреде-лять величины температур при МАО поверхности плафонов без проведения дополнительных экспериментов .

Проведены экспериментальные исследования МАО поверхности плафонов (материал Л63 ГОСТ 15527−2004) для достижения высокой светоотражательной способности Ф (75−80%) . Па-раметры и режимы МАО: величина магнитной индукции В = 0,5−1,0 Тл; частота вращения дета-ли n = 1−3 м/с; скорость осцилляции Vo = 0,10−0,25 м/с; величина рабочего зазора δ = 1−4 мм;



Беларуси

73

коэффициент заполнения рабочего зазора kз = 1; размерность частиц ФАП ∆ = 63/100 мкм; ФАП – Полимам-Т ТУ 06459−81 и магнитно-абразивный порошок АСМ (ГОСТ 9206−70) − керметная технология, абразив – алмаз; СОТС – СинМА-1 ТУ 38 .5901176−91, 3%-ный водный раствор; рас-ход СОТС 50 мл/мин, 100, 150 мл/мин, 200, 250 мл/мин; скорость подачи СОТС w = 0,55 м/с; вре-мя обработки t = 120 с . Черновая обработка плафонов производилась путем использования ФАП Полимам-Т в течение 60 с, а окончательная обработка проводилась с применением магнитно-абразивного по-рошка АСМ также в течение 60 с .

Размеры обрабатываемого плафона D×d×l = 55×100×90 мм, толщина стенки составляет 0,25−1,0 мм . Волнообраз-ность образующей профиль плафона не превышает 3 мм, при проведении численных расчетов и эксперименталь-ных исследований она принята путем корреляции как прямая по максимальному размеру диаметра плафона . Величину светоотражательной способности Ф определя-ли блескомером БФ5–20/20 по ГОСТ 896−69 . Изменение величины магнитной индукции производилось варьиро-ванием силы тока, подаваемого на электромагнитные ка-тушки соленоидов электромагнитной системы .

Результаты исследований представлены на рис . 3−6 .При малых значениях величины магнитной индук-

ции (В = 0,5 Тл) (рис . 3) осуществляется меньший съем вершин микронеровностей на поверхности детали . При В = 0,75 Тл достигается максимальная отражающая спо-собность . При дальнейшем увеличении магнитной ин-дукции В жесткость ферроабразивной щетки повышается, снижаются проницаемость ФАП и уровень теплоотвода СОТС, что приводит к уменьшению светоотражательной способности плафонов .

Повышение скорости резания Vрез (рис . 4) не приво-дит к существенному изменению светоотражательной способности . Увеличение скорости осцилляции Vо (рис . 5) не оказывает значительного влияния на светоотража-тельную способность, однако требуется интенсивная по-дача СОТС, в противном случае на поверхности плафо-нов появляются цвета побежалости, что снижает светоо-тражательную способность плафонов .

При увеличении величины рабочего зазора δ (рис . 6) образуется пространство за зоной резания по направле-нию вращения детали, куда устремляется поток СОТС, что требует его повышенного расхода для более эффек-тивного охлаждения .

При чрезмерной подаче СОТС (более 150 мл/мин) в рабочем зазоре величиной δ = 4 мм и при магнитной индукции В = 1,2 Тл образуется противоток жидкости, т . е . поток СОТС устремляется в направлении, противо-положном вращению плафона, и в сторону меньшего по размеру конуса . Это указывает на то, что увеличение по-дачи СОТС не обеспечивает его полное проникновение в зону резания, а при увеличении скорости резания на-блюдается рост пенного столба и моющей способности [8] . При этом светоотражательная способность плафона

Рис . 3 . Зависимость светоотражательной спо-собности Ф плафонов от величины магнит-ной индукции В при различном расходе СОТС: 1, 2, 3 – 50; 100; 150 мл/мин соответ-

ственно

Рис . 4 . Зависимость светоотражательной спо-собности Ф плафонов от скорости резания Vрез при различном расходе СОТС: 1, 2, 3

см . рис . 3

Рис . 5 . Зависимость светоотражательной спо-собности Ф плафонов от скорости осцилля-ции Vо при различном расходе СОТС: 1, 2, 3

см . рис . 3

Рис . 6 . Зависимость светоотражательной спо-собности Ф плафонов от величины рабочего зазора δ при различном расходе СОТС: 1, 2, 3

см . рис . 3



Беларуси

ухудшается . При высоких значениях скоростей резания, осцилляции и магнитной индукции, не-смотря на обильное охлаждение рабочей зоны, образуются «штриховые» прижоги поверхност-ного слоя плафонов . Это объясняется созданием фильтрационного эффекта или закупоривания рабочей технологической среды паровоздушными пузырьками, препятствующими прохожде-нию СОТС через каналы щетки и реализации процесса «полусухого» резания .

В результате проведенных экспериментальных исследований определены оптимальные ре-жимы МАО: В = 0,75 Тл; Vo = 0,15 м/с; δ = 1,5 мм, которые обеспечивают высокую светоотража-тельную способность плафонов (75–80%) .


1 . ГОСТ 17677−82 . Светильники . Общие технические условия .2 . Барон, Ю. М. Магнитно-абразивная и магнитная обработка изде лий и режущих инструментов . Л ., 1986 .3 . Скворчевский Н. Я., Федорович Э. Н., Ящерицин П. И. Эффективность магнитно-абразивной обработки . Мн .,

1991 .4 . Хомич Н. С. Магнитно-абразивная обработка изделий . Мн ., 2006 .5 . Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел . М ., 1964 .6 . Нордлинг К., Остерман Д. Справочник по физике для ученого и инженера . СПб, 2011 .7 . Мартынов А. Н., Федосеев В. М. // Алмазная и абразивная обработка деталей машин и инструмента . 1987 .

Вып . 15 . С . 90−94 .8 . Сакулевич Ф. Ю., Скворчевский Н. Я. Роль смазывающе-охлаждающих жидкостей при магнитно-абразивной

обработке . Мн ., 1981 .

L. M. AKULOVICH, L. E. SERGEEV, V. E. BABICH, E. V. SENCHUROV, V. V. SHABUNIA

TECHNOLOGY FEATURES OF MAGNETIC ABRASIVE MACHINING OF LAMPSHADE SURFACES

Summary

A mathematical calculation to determine a temperature on the surface of lampshades at magnetic abrasive machining is presented . The optimal mode of magnetic abrasive machining, which provides high-capacity reflector shades is proposed .



Беларуси

75


ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

УДК 621.039.5

Н. М. ДНЕПРОВСКАЯ, Д. М. КАСЮК, Д. Н. ЛИЦКЕВИЧ, И. Е. РУБИН

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОРРЕКЦИИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИФФУЗИИ ДЛЯ НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ РЕАКТОРА ТИПА ВВЭР

Объединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны НАН Беларуси


Несмотря на высокий уровень развития современной вычислительной техники, специалисты в области моделирования ядерных энергетических установок не могут проводить в широком масштабе нейтронно-физические расчеты с применением сложных моделей переноса нейтронов в больших системах . В первую очередь это относится к многовариантным расчетам, связанным с оптимизацией конфигурации активной зоны, а также исследованию нестационарных процес-сов при анализе безопасности реакторной установки . Для улучшения точности быстродействую-щих трехмерных диффузионных расчетов в дополнение к конечно-разностному методу (КРМ) появился ряд усовершенствованных методов на грубой сетке, когда в плане на тепловыделяю-щую сборку (ТВС) приходится одна точка . Среди них важное место занимает метод межузловой нодализации или коррекции коэффициентов диффузии (МККД) . Впервые он был предложен Дж Аскью, обобщен и модифицирован Т . Такедой и др . в работах [1, 2] для быстрых реакторов-размножителей . В дальнейшем он использовался и для нейтронно-физического расчета энерге-тических тепловых реакторов ВВЭР и РБМК [3, 4], отличающихся большими размерами ТВС .

Для численных расчетов вся область реактора ВВЭР разбивается по высоте на ряд слоев, а в плане – на отдельные правильные шестиугольники, моделирующие ТВС . Таким образом, элементом расчета в КРМ служит призма с сечениями, постоянными по объему . Для увеличения точности решения диффузионного уравнения каждый шестиугольник может быть разбит на не-которое число равносторонних треугольников . На рис . 1 представлены примеры различных раз-биений . Число треугольников для каждого разбиения равно

26 , 1, 2, 3, . . .,pN n n= =

где pN – число равносторонних треугольников в шестиугольнике, n – порядок разбиения .Центр каждого треугольника есть расчетный узел . По высоте узлы располагаются в середине

расчетных интервалов .

Рис . 1 . Примеры n-точечного разбиения ТВС в плане: а – нет разбиения (n = 0), б – 6-точечное разбиение (n = 1), в – 24-точечное разбиение (n = 2), г – 54-точечное разбиение (n = 3)



Беларуси

76

В МККД [1] для более точного описания перетечек нейтронов между ячейками вводятся две дополнительные фиктивные точки, как показано на рис . 2 для радиальной части задачи . При этом расстояние между точками на грубой сетке оказывается поделенным на три равные части . Исходя из балансных уравнений, составленных в одномерной плоской геометрии для каждой до-полнительной области, определяются потоки в этих точках и уточняются выражения для токов на границах раздела в конечно-разностном представлении . Результирующий ток на границе яче-ек 0 и 1 в группе g теперь имеет вид

0 1

0 1

0 1

6 ( ),( )

g gg g g

A Ag g

D D SJh D D

= Φ −Φ+

(1)

где D0 и D1 – коэффициенты диффузии ячеек, 0 1,A AΦ Φ – потоки в точках А0 и А1, S – площадь

поверхности между ячейками, h – расстояние между точками . Потоки в точках А0 и А1 неизвест-ны, однако есть возможность выразить gJ через

0

gBΦ и

1

gBΦ с помощью уравнений баланса для

областей R0 и R1 . Результирующий ток тогда равен

* ** *0 1

1 0* *0 1

2 ( ) .( )

g gg g g

g g

D D SJh D D

= − Φ −Φ+

Величины *giΦ и *g

iD i-й ячейки определяются с помощью коэффициентов коррекции giC и

gtE следующим образом:

* *, (1 ),1

gg g g gii i i ig

i

D D EC

ΦΦ = = −

− (2)

2 2 2 2

, ,, .g gi i g i i gC ah E abh= β = β (3)

Значения коэффициентов a и b, полученные в работе [1], равны соответственно 1/9 и 2/3, а 2,i gβ

есть величина, соответствующая материальному параметру:

2 *, , , ,

1 .g gg

g g g gi ii g f i s i rem ig g g

g g gi eff i i

vD k

′ ′′→

′ ′<

Φ Φχβ = Σ + Σ −Σ Φ Φ

∑ ∑

(4)

В выражении (4) χg – доля нейтронов деления, попадающих в группу g, keff – коэффициент размножения, , ,g

f ivΣ , ,g gs i′→Σ ,

grem iΣ – сечения генерации, рассеяния и увода . Конечно-разностное

уравнение баланса для ячейки j имеет вид (V – объем ячейки):

* *

, , ,* *

2 .

( ) 1 1

g g g g gi j j g g g g g g gi

j rem j j j s j j j f i jg g g gi g g gi j j i eff

D D SV V V v

h D D C C k′ ′ ′→

′ ′<

Φ Φ χ− + Σ Φ = Σ Φ + Σ Φ + − −

∑ ∑ ∑

(5)

Использование приведенных выше уравнений существенно повышает точность конечно-раз-ностного приближения без большого увеличения времени расчета . Кроме того, изменяя значе-ния коэффициентов, можно дополнительно влиять на точность расчета .

Рис . 2 . Дополнительные точки А0 и А1 для расчета результирующего тока в плане, h – расстояние между узлами



Беларуси

77

Система уравнений (5) решается итерационным путем . Поскольку величины коэффициентов коррекции в (2), определяемые в каждой расчетной точке, зависят от отношения групповых по-токов нейтронов, система конечно-разностных уравнений (5) для определения потоков g

iΦ ста-новится нелинейной . При этом большое значение приобретает устойчивость решения . В данной работе критерием устойчивости решения является темп сходимости системы уравнений (5), при-чем число итераций при этом примерно то же, что и в обычном КРМ с тем же пространственным разбиением . С увеличением расстояния между точками (hr в плане и hz по высоте), когда g

iC и g

iE могут приближаться к единице, решение становится неустойчивым, а когда 1giC ≥

и 1giE ≥ решение, вообще говоря, невозможно . В таких случаях необходимо или увеличение

числа расчетных точек (что приводит к увеличению затрат времени), или уменьшение коэффи-циентов (как правило, с уменьшением точности) .

В настоящей работе исследуется возможность расширения области устойчивости решения путем использования в расчетах коэффициентов коррекции (3) так называемых сигмоидных функций ( )S x ; графики некоторых из них приведены на рис . 3 . Сигмоидные функции имеют следующие свойства:

−1 < S(x) < 1; S(−x)= −S(x); S(0) = 0; S′(0) = 1, 0 < S′(x) ≤ 1 .

При использовании сигмоидных функций коэффициенты коррекции определяются таким образом:

2 2 2 2

, ,( ), ( ) .g gi i g i i gC S ah E S abh= β = β (6)

Особенностью метода является необходимость его предварительной «настройки», связанной с определением параметров ar, br в плане и az, bz по высоте, для данного типа решаемой задачи и конкретного пространственного разбиения . Процедура настройки достаточно проста и выпол-няется путем сравнения результатов, полученных по МККД и КРМ с достаточно большим чис-лом точек разбиения .

Описанный выше алгоритм положен в основу кода FINENET стационарного и нестационар-ного нейтронно-физического расчета реакторов ВВЭР . Учет обратных связей по теплогидравли-ке осуществляется в соответствии с [5], а явная зависимость от времени в нестационарных рас-четах – по схеме работы [6] . Библиотека двухгрупповых констант для программы FINENET го-товится по коду ТВС-М [7], разработанному в РНЦ «Курчатовский институт» .

Эффективность предложенной методики проверялась на двухгрупповых нейтронно-физиче-ских расчетах бенчмарков AER-FCM-101 [8] и AER-DYN-002 [9] с заданными двухгрупповыми константами . В первой задаче рассматривается стационарное состояние в реакторе ВВЭР-1000, во второй моделируются выброс стержня из активной зоны реактора ВВЭР-440 и последующий рост мощности с простой адиабатической обратной связью .

Бенчмарк AER-FCM-101 является трехмерной моделью активной зоны ВВЭР-1000 в секто-ре симметрии 30º в стационарном состоянии [8] . Топливные составы четырех обогащений, вы-горающий поглотитель, регулирующие стержни и отражатель моделируются семью типами ма-териалов . Регулирующие стержни наполовину погружены в активную зону, центральная ТВС

Рис . 3 . Примеры сигмоидных функций



Беларуси

78

содержит эксцентрическую по высоте вставку из выгорающего поглотителя Eu2O3 . Активная зона, окруженная аксиальными и радиальным отражателями, имеет высоту 355 см, шаг раз-мещения ТВС равен 24,1 см . Конфигурация активной зоны в плане показана на рис . 4 . Ре-комендованное в [8] решение (трех- и двух-мерное распределения мощности P и Q, keff = 1,049526) получено методом конечных элемен-тов (МКЭ) по программе CRONOS и экстрапо-лировано на бесконечно малый шаг .

Результаты расчетов бенчмарка AER-FCM-101 с использованием МККД как в плане, так и по

высоте, а также КРМ приведены в табл . 1 . В расчетах по МККД коэффициенты коррекции опре-делялись или традиционно, по виду (3), или с помощью функции ( ) /(1 | |),S x x x= + обеспечиваю-щей наиболее устойчивое решение (соответствующее обозначение – МККС) . Там же приведены и результаты расчетов КРМ, когда NR и NZ подобраны таким образом, что ошибки численного решения в радиальном и аксиальном направлениях примерно совпадают . Такие разбиения наи-более важны для практики .

Т а б л и ц а 1 . Результаты расчетов задачи AER-FCM-101 в разных приближениях

Метод ar br az bz keff Kv δPmax, % δQmax, %

МККД 6_10 0,1 0,8 0,016 1, 05 1,050191 2,538 20,19 1,03МККС 6_10 0,1 1,0 0,23 1,0 1,050107 2,530 15,25 1,91МККД 6_20 0,1 0,9 0,046 1,10 1,049514 2,556 3,70 1,47МККС 6_20 0,12 1,0 0,185 1,0 1,049478 2,552 3,09 1,83МККД 6_30 0,09 1,0 0,06 1,2 1,049495 2,553 3,49 2,06МККС 6_30 0,125 0,85 0,13 0,9 1,049481 2,550 3,00 2,12МККД 24_10 0,04 1,0 0,017 1,0 1,050296 2,544 19,88 0,46МККС 24_10 0,02 1,0 0,32 0,6 1,049669 2,518 13,84 0,79МККД 24_20 0,07 1,0 0,055 1,0 1,049558 2,567 2,91 0,84МККС 24_20 0,075 1,0 0,21 1,0 1,049472 2,566 1,82 0,91МККД 24_30 0,07 1,0 0,06 1,0 1,049507 2,565 2,01 0,94МККС 24_30 0,078 1,0 0,095 1,0 1,049476 2,567 1,75 0,85КРМ 6_10 1,053163 2,349 59,30 10,06КРМ 24_30 1,050077 2,522 10,15 2,38КРМ 54_60 1,049625 2,560 2,46 1,09КРМ 96_120 1,049527 2,572 0,95 0,63

В качестве результатов расчета в табл . 1 приведены эффективные коэффициенты размноже-ния keff, коэффициенты неравномерности мощности по объему Kv, а также максимальные отли-чия рассчитанных трех- и двухмерных распределений мощности от рекомендованных в [8] δPmax и δQmax . Степень дискретизации указана в первой колонке сразу после обозначения метода рас-чета: первое число есть число точек разбиения ТВС в плане, второе – число точек по высоте .

Хотя одновременное использование МККД или МККС в плане и по высоте снижает устойчи-вость решения и эффективность приближения (6), точность расчетов заметно повышается . Так, результаты, полученные по МККС 6_10 по точности приближаются к КРМ 24_30; по МККС 6_20 находятся по точности между КРМ 24_30 и КРМ 54_60; по МККС 24_20 – между КРМ 54_60 и КРМ 96_120 . При этом имеют место очень небольшие различия между результатами расчетов по МККС при NZ = 20 и NZ = 30 .

Задача AER-DYN-002 – трехмерный гексагональный динамический бенчмарк, описываю-щий выброс одного периферийного стержня системы управления и защиты (СУЗ) из активной зоны ВВЭР-440 с простой адиабатической (без отвода тепла теплоносителем) доплеровской об-

Рис . 4 . Картограмма размещения ТВС в задаче AER-FCM-101



Беларуси

79

ратной связью [9] . Реактор ВВЭР-440 – это водо-водяной реактор, активная зона которого состоит из 349 гексаго-нальных ТВС, имеющих размер «под ключ» 14,4 см и высоту активной зоны 250 см . Картограмма начальной загрузки активной зоны реактора в тес-товой задаче, приведенная на рис . 5, близка к исходной стандартной кон-фигурации активной зоны со свежим топливом .

Положение нижней части погло-щающего стержня группы K6 состав-ляет 50 см от низа активной зоны . Типы 1, 2, 3 – кассеты с топливом соответственно 1,6; 2,4 и 3,6% обогащения, тип 4 – поглоти-тель СУЗ . Таким образом, кассета СУЗ состоит из поглотителя (тип 4) в верхней части и топлива типа 2 в нижней части . Переходный процесс инициируется выбросом стержня группы К6 (в за-штрихованном шестиугольнике) с постоянной скоростью 12,5 м/с . Начальная мощность реакто-ра 1,375 кВт, начальная температура топлива 260 ºС .

Стационарные расчеты тестовой задачи проводились по КРМ и МККД для различных вари-антов разбиения . При расчетах по МККД сигмоидная функция (учитывая сравнительно неболь-шой размер ТВС ВВЭР-440 в плане) использовалась только в аксиальном направлении . Результа-ты расчета keff,0 (со всеми стержнями в активной зоне), keff,1 (выбрасываемый стержень извлечен) и веса стержня, а также данные расчетов по другим кодам, взятые из [9, 10], представлены в табл . 2 . Там же приведены и предварительно подобранные значения коэффициентов ar и az; значения коэффициентов br и bz были равны 2/3 . Вес стержня определялся выражением (keff,1 − keff,0)/keff,1·100% .

Т а б л и ц а 2 . Результаты расчета keff,0, keff,1 и веса стержня для задачи AER-DYN-002

Метод ar az keff,0 keff,1 Вес стержня, %

BIPR8 0,998442 1,008673 1,0143DYN3D 0,999941 1,009792 0,9755HEXTRAN 0,999020 1,009181 1,0069KIKO3D 0,999994 1,009926 0,9834CRONOS 0,997840 1,008460 1,0532MAG 0,997880 1,008500 1,0530

КРМКРМ 24_10 1,002822 1,011707 0,8782КРМ 24_20 1,002316 1,011423 0,9004КРМ 24_40 1,002131 1,01133 0,9096

МККД без сигмоидной функцииМККД 6_10

0,1940,02 1,000694 1,010418 0,9624

МККД 6_20 0,05 1,000195 1,010164 0,9869МККД 6_40 0,11 1,000045 1,010097 0,9952МККД 24_10

0,210,02 0,999204 1,009292 0,9995

МККД 24_20 0,07 0,998652 1,009008 1,0264МККД 24_40 0,19 0,998454 1,008933 1,0386

МККД с сигмоидной функцией по высотеМККД 6_10

0,1940,12 1,000436 1,010192 0,9658

МККД 6_20 0,12 1,000173 1,010118 0,9845МККД 6_40 0,18 1,000064 1,010089 0,9925МККД 24_10

0,210,17 0,998866 1,00904 1,0083

МККД 24_20 0,21 0,998493 1,008903 1,0318МККД 24_40 0,35 0,998412 1,008902 1,0398

Рис . 5 . Картограмма загрузки для тестовой задачи AER-DYN-002



Беларуси

80

Величины, рассчитанные по нодальным кодам (BIPR-8, KIKO3D и DYN3D), имеют большие расхождения . В настоящей работе в качестве референтных для стационарных расчетов взяты данные, полученные по кодам CRONOS (МКЭ) и MAG (КРМ) практически для бесконечно ма-лых шагов в плане и по высоте [10] . Веса стержней, полученные по МККД, как с сигмоидной функцией, так и без нее ближе к референтным значениям . Применение сигмоидной функции в аксиальном направлении позволяет несколько уменьшить зависимость веса стержня от коли-чества точек по высоте .

Распределение мощности в задаче AER-DYN-002 для МККД 6_20, а также отличия в процен-тах от результатов расчета по коду CRONOS для момента времени t = 0 с приведены на рис . 6 .

Максимальные отличия (6,7%) про-являются в ячейках 178, 184, 190 и 196, что, очевидно, вызвано при-сутствием в них поглотителя . Такая точность достаточна для практиче-ских целей . В расчете по МККД 24_30 максимальные отличия умень-шаются до 2,9% .

Результаты расчетов изменения мощности от времени после вы-броса стержня для МККД 6_20 и 24_30, а также данные расчетов по нодальным кодам представлены на рис . 7 . Вследствие ввода большой по величине положительной реак-тивности (порядка 2β) происходит интенсивный рост мощности и тем-пературы топлива . С увеличением температуры топлива начинается

Рис . 6 . Относительное распределение мощности для расчета по МККД 6_20 в задаче AER-DYN-002, t = 0 и отличие от данных по CRONOS, %

Рис . 7 . Изменение мощности в зависимости от времени, рассчитанное разными методами



Беларуси

проявление отрицательной обратной связи, под действием которой сначала компенсируется по-ложительная реактивность от выброса стержня (тогда рост мощности прекращается), а затем устанавливается отрицательная реактивность, приводящая к уменьшению мощности .

Максимальное значение пика мощности и время наступления обратной связи определяются в первую очередь весом стержня . С ростом веса выбрасываемого стержня возрастают и величи-на вводимой реактивности, следовательно, и темп нарастания мощности и температуры топлива; время наступления обратной связи по температуре топлива при этом, напротив, сокращается . Как показано в табл . 2, значение веса стержня для МККД 24_30 больше весов стержней, полу-ченных по нодальным кодам, для МККД 6_20 имеет промежуточное значение . Таким образом, изменения мощности на рис . 7 хорошо согласуются с результатами расчетов весов стержней в табл . 2 .

Как следует из приведенных результатов стационарных и нестационарных расчетов, исполь-зование сигмоидных функций в МККД позволяет существенно повысить устойчивость решения и тем самым получать более точные результаты при сохранении степени пространственной дис-кретизации .


1 . Takeda Toshikazu, Komano Yasuo . // Journal of Nuclear Science and Technology . 1978 . Vol . 15, N 7 . P . 523–532 .2 . Azekura Kazuo, Aizawa Hiroko . // Journal of Nuclear Science and Technology . 1985 . Vol . 22, N 5 . P . 406–411 .3 . Быков М. А., Зайцев С. И., Егоров А. П. и др . // Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР: материалы 4-й Между-

нар . науч .-техн . конф ., Подольск, 23–25 мая 2005 г . Подольск, 2005 .4 . Халимончук В. А. Динамика ядерного реактора с распределенными параметрами в исследованиях переходных

режимов эксплуатации ВВЭР и РБМК . Киев, 2008 .5 . Тверковкин Б. Е., Рубин И. Е., Днепровская Н. М. // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2006 . 4 .

С . 134–137 .6 . Рубин И. Е., Тарасенко В. В., Тверковкин Б. Е., Днепровская Н. М. // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук .

2007 . 1 . С . 137–139 .7 . Sidorenko V. D., Lazarenko A. P., Bolshagin S. N. et al. // In 5th Symp . of the AER . 1995, Dobotoco, Hungary,

Okt . 15–20 . 1995 . P . 169–178 .8 . Schulz G . // Proc . 6th Symposium of AER on VVER Reactor Physics and Safety, Kirkkonummi, Finland, September

1996 .9 . Grundmann U. and Rodhe U. // Proc . Third Symposium of AER, KFKI Atomic Energy Research Institute, Budapest,

1993 . Р . 235 .10 . Kolev N. P . // Proc . 11th Symposium of AER on VVER Reactor Physics and Reactor Safety Program . September 24–

28, Csopak, Hungary, 2001 . P . 395 .

N. M. DNEPROVSKAYA, D. M. KASIUK, D. N. LITSKEVICH, I. E. RUBIN

NEUTRONICS CALCULATION OF VVER–TYPE REACTOR BY THE METHOD OF DIFFUSION COEFFICIENTS CORRECTION

Summary

The diffusion coefficients correction method (previously proposed for coarse mesh by J . Askew and T . Takeda) was applied to 3D calculations of VVER-type reactors . The method makes it possible to increase calculated fluxes precision via refinement of net currents between adjacent cells . Currents are refined with adjustments in diffusion coefficients by taking into account fluxes distribution obtained in previous iterations . For increasing solution stability it is suggested to use sigmoid functions when obtaining adjustments . Suggested approach has been tested on international calculation benchmarks AER-FCM-101 and AER-DYN-002 .



Беларуси

82


УДК 621.039.7

Н. М. ДНЕПРОВСКАЯ, Д. М. КАСЮК, Д. Н. ЛИЦКЕВИЧ, И. Е. РУБИН, Е. Ю. ЦИУНЕЛЬ

МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ МАКРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИН И НАЛОЖЕНИЯ НА СООТВЕТСТВУЮЩИЕ МИКРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

В ТВС РЕАКТОРА ВВЭР-1000 (ВВЭР-1200) С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ВИЗУАЛИЗАЦИЕЙ

Объединенный институт энергетических и ядерных исследований − Сосны НАН Беларуси


В последнее десятилетие на АЭС с ВВЭР для повышения глубины выгорания ядерного то-плива широко внедряются в эксплуатацию принципиально новые виды тепловыделяющих сбо-рок (ТВС) с повышенной ураноемкостью и большим начальным запасом реактивности . Для ком-пенсации избыточного запаса реактивности используется интегрированный в часть тепловыде-ляющих элементов (твэлов) выгорающий поглотитель – окись гадолиния Gd2O3 с высоким сечением поглощения нейтронов . ТВС с твэлами, содержащими Gd2O3 (твэгами), отличаются более сложной внутренней структурой физических явлений, что требует особого внимания при их моделировании в расчетных и обучающих комплексах .

Между тем в программах-симуляторах, предназначенных для обучения студентов и широко-го круга специалистов, занятых в области ядерной энергетики, возможность демонстрации ми-крораспределений (т . е . потвэльных распределений) различных величин внутри ТВС с уран-га-долиниевым топливом пока отсутствует . Так, в комплексе программ «Симулятор реактора ВВЭР-1000» [1], разработанном в МИФИ и распространяемом МАГАТЭ, моделируются основ-ные стационарные и переходные нейтронно-физические и теплогидравлические процессы, про-исходящие в активной зоне, первом и втором контурах реактора . Однако все величины в актив-ной зоне представлены только макрораспределениями, т . е . ограничиваются уровнем ТВС в це-лом, не «заглядывая» внутрь нее .

На предыдущих этапах данной работы в Объединенном институте энергетических и ядер-ных исследований − Сосны НАН Беларуси создан программный модуль для наглядной демон-страции распределений энерговыделения, температуры топлива, концентраций некоторых ак-тинидов и других величин по твэлам внутри ТВС разных конфигураций (в том числе и содер-жащих гадолиний) . Однако микрораспределения величин, демонстрируемые с помощью данного модуля, соответствовали расчетам одиночной ТВС, т . е . в предположении, что она окружена такими же ТВС в том же состоянии (с одинаковыми глубинами выгорания и положе-нием поглощающих стержней) . В реальном реакторе ситуация значительно сложнее: для вы-равнивания поля энерговыделения ТВС расставлены так, что каждую из них окружают ТВС разного обогащения с различными глубинами выгорания . Соответственно для максимально приближенной к реальности демонстрации поведения физических величин в реакторе ВВЭР-1000 (ВВЭР-1200) необходимо одновременно учитывать как микро-, так и макрораспределения, т . е . их наложение .

В [2] подробно описана упрощенная быстродействующая модель расчета топливной кампа-нии реактора с акцентом на методику визуализации потвэльных распределений основных физи-ческих величин в зависимости от выгорания и положения регулирующих стержней, даны при-меры визуализации для случая введения рабочей группы органов системы управления и защи-ты, а также показаны результаты верификации разработанного модуля . Данная работа посвящена описанию методики восстановления макрораспределений величин и наложения их на соответ-



Беларуси

83

ствующие микрораспределения, а также включает в себя примеры визуализации кассет стацио-нарной загрузки, находящихся в различном окружении .

Потвэльные распределения величин в указанной ТВС реактора с учетом макрораспределе-ния в ней получаются по следующей схеме . Сначала выполняется быстродействующий диффу-зионный расчет реактора в конечно-разностном приближении, когда на каждую ТВС в плане приходится не менее шести точек (рис . 1 в работе [3]) . Полученное макрораспределение для ука-занной ТВС аппроксимируется разложением по ортогональным функциям х и у . Затем разложе-ние макрораспределения накладывается на потвэльное распределение величины f(xj, yj), где j – индекс твэла, xj, yj – координаты твэла j . Распределения f(xj, yj) содержатся в заранее насчитанной по коду ТВС-М [4] библиотеке для всех типов ТВС с учетом глубины выгорания топлива и по-ложения поглощающих стержней .

В настоящей работе для описания пространственной неравномерности величин по ТВС в плане использована следующая полная система функций – степеней переменных х и у, имею-щая, например, в Р3-приближении 10 пространственных гармоник:

Р0 = 1; Р1 = х; Р2 = у; Р3 = ху; Р4 = х2; Р5 = у2; Р6 = ху2; Р7 = х2у; Р8 = х3; Р9 = у3.

Такая система функций позволяет с достаточной для последующей визуализации точностью описать макрораспределение величин по ТВС в плане . Однако она не обладает свойством орто-гональности и поэтому неудобна для практического использования . Соответствующая ортого-нальная система функций Rk имеет вид

R0 = 1;

R1 = b0,1 + b1,1x;

R2 = b0,2 + b1,2x + b2,2y;

R3 = b0,3 + b1,3x + b2,3y + b3,3xy;

R4 = b0,4 + b1,4x + b2,4y + b3,4xy + b4,4x2; (1)

R5 = b0,5 + b1,5x + b2,5y + b3,5xy + b4,5x2 + b5,5y2;

R6 = b0,6 + b1,6x + b2,6y + b3,6xy + b4,6x2 + b5,6y2 + b6,6xy2;

R7 = b0,7 + b1,7x + b2,7y + b3,7xy + b4,7x2 + b5,7y2 + b6,7xy2 + b7,7x

2y;

R8 = b0,8 + b1,8x + b2,8y + b3,8xy + b4,8x2 + b5,8y2 + b6,8xy2 + b7,8x2y + b8,8x3;

R9 = b0,9 + b1,9x + b2,9y + b3,9xy + b4,9x2 + b5,9y2 + b6,9xy2 + b7,9x

2y + b8,9x3 + b9,9y3,

где коэффициенты b определены так, чтобы выполнялось условие ортогональности (интегриро-вание выполняется по профилю ТВС):

,

1 ,k k k kv

R R dvv ′= δ∫

(2)

,k k′δ − символ Кронекера, равный нулю при k ׳ ≠ k и единице при k ׳ = k .Любая непрерывная величина F(x, y), определенная на области переменных (x, y) внутри

ТВС, может быть разложена в ряд по ортогональным функциям Rk(x, y):

( , ) ( , ),k k

kF x y a R x y=∑

(3)

где коэффициенты ak находятся из выражений:

1 ( , ) ( , ) .k kv

a R x y F x y dvv

= ∫

(4)

В случае, когда величина F(x, y) – кусочно-постоянная в рассматриваемой области (именно такой вид имеют рассчитанные по многоточечной схеме физические величины внутри ТВС), уравнение (3) остается справедливым . Коэффициенты аk в этом случае

k′



Беларуси

84

Т а б л и ц а 1 . Коэффициенты bk׳, k системы ортогональных функций (1), полученные аналитически (Н = 23,6 см)

kk׳

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 1,0001 0,160792 0,160793 0,031544 −0,9921 0,025655 −1,3866 0,00875 0,02716 −0,1612 0,006207 −0,1295 0,004988 −0,4081 0,00209 0,004539 −0,4192 0,00288 0,00442

Т а б л и ц а 2 . Величины bk׳, k, рассчитанные численно с разным числом точек

kk′

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

6-точечное разбиение0 1,0001 0,17982 0,17983 0,04574 −1,4142 0,04575 −5309 85,79 85,796 −0,1271 0,008227 −671,5 43,40

24-точечное разбиение0 1,0001 0,162612 0,162613 0,032624 −1,0148 0,026835 −1,4678 0,01013 0,028686 −0,1695 0,006827 −0,1319 0,005318 −0,4601 0,00274 0,005269 −0,4723 0,00364 0,00512

54-точечное разбиение0 1,0001 0,16082 0,16083 0,031544 −0,9921 0,025655 −1,3866 0,00875 0,02716 −0,1612 0,006207 −0,1295 0,004988 −0,4081 0,00209 0,004549 −0,4192 0,00288 0,00442



Беларуси

85

1 ( , ) ( , ) ,k k i i i i ii

a R x y F x y vv

= ∑

(5)

где i – индекс участка в ТВС, vi − объем участка, хi, yi – координаты центра участка .Полученное на основе быстродействующего расчета реактора распределение указанной ве-

личины в выбранной ТВС накладывается на потвэльное распределение этой величины f(xj, yj):

Q j = F(xj, yj)⋅f(xj, yj) . (6)

Вследствие симметрии ТВС бόльшая часть коэффициентов b в системе (1) равна нулю . Не-нулевые значения коэффициентов можно определить или аналитически по уравнению (2), или численно . Аналитический расчет коэффициентов bk׳, k системы ортогональных функций (1) вы-полняется интегрированием уравнений (2) по профилю ТВС . Значения коэффициентов bk׳, k, по-лученные аналитически, приведены в табл . 1 .

При численном расчете коэффициентов bk׳, k системы ортогональных функций (1) вместо ус-ловия (2) используется выражение

,

1 ( , ) ( , ) ,k i i k i i k ki

R x y R x yn ′ ′= δ∑

(7)

где xi, yi – координаты центров участков, n – число участков разбиения ТВС в плане .

Рис . 1 . Картограмма стационарной загрузки активной зоны реактора ВВЭР-1200 с четырехлетним топливным ци-клом: обозначения типов ТВС соответствуют обогащению топлива в твэлах и количеству твэгов; второй и третий символы – обогащение топлива в твэлах, умноженное на 10; пятый символ (если есть) указывает на число твэгов

в ТВС (цифра 2 означает 12 твэгов)



Беларуси

86

Значения коэффициентов bk׳, k, полученные численно, приведены в табл . 2 . Наиболее близки к величинам bk׳, k, рассчитанным аналитически, значения bk׳, k, полученные численно в 54-точеч-ном приближении . При небольшом числе расчетных точек точность значений bk׳, k невысока, а коэффициенты некоторых гармоник (при k = 5, 7) нефизичны .

Одной из оценок эффективности аппроксимации макрораспределения величин в ТВС с помощью разложения по функциям (1) является проверка выполнения условия ортогональности (7) . Она вы-полнялась при n = 6, 24 и 54 с коэффициентами bk׳, k, определенными аналитически и численно .

В случае аналитического расчета условие ортогональности выполняется приближенно, так как аналитическое определение коэффициентов bk׳, k, вообще говоря, не согласовано с численным раз-ложением макрораспределений по формуле (5) . С ростом n степень выполнения (7) повышается .

Численное вычисление коэффициентов bk׳, k, исходя из уравнений (7), очевидно, согласовано с проверкой ортогональности . Поэтому в дальнейшем используется только система коэффициен-тов bk׳, k, полученная путем численного интегрирования на основе (7) .

Рис . 3 . Распределение энерговыделения для ТВС 21 типа Z49 стационарной загрузки: а, б – соответственно на-

чало и конец кампании

Рис. 2. Распределение энерговыделения для ТВС 8 типа Z40D2 (с твэгами) стационарной загрузки: а, б –

соответственно начало и конец кампании



Беларуси

При 6-точечном разбиении ТВС в плане аппроксимация результатов расчета реактора разло-жением по ортогональным функциям практически не вносит дополнительных ошибок даже при небольшом количестве гармоник . Однако результаты, полученные в таком приближении, вооб-ще говоря, не могут в полной мере передать достаточно сложную картину неравномерности ма-крораспределения величин по профилю ТВС . С ростом числа точек разбиения усложняется про-странственная зависимость величин внутри ТВС, полученная в расчетах реактора, и для ее ап-проксимации требуется достаточно много гармоник .

Расчеты с 24-точечным разбиением ТВС в плане обеспечивают точность разложения не ме-нее 5%, что вполне достаточно для качественной демонстрации результатов и соответствует це-лям настоящей работы . Данный вывод о необходимой степени пространственного разбиения ТВС в расчетах реактора, выборе числа гармоник для аппроксимации результатов разложением по ортогональным функциям также был подтвержден после апробирования изложенной методи-ки в блоке визуализации соответствующей обучающей программы .

Для демонстрации результатов визуализации выбраны ТВС стационарной загрузки реактора ВВЭР-1200, расположенные в активной зоне соответственно рис . 1 (выбранные ТВС показаны фоном) .

Приводятся примеры визуализации распределения энерговыделения в двух ТВС стационар-ной загрузки для двух наиболее характерных случаев: ТВС 8 типа Z40D2 − кассета 1-го года, окруженная выгоревшими кассетами 2-го, 3-го и 4-го годов, где имеет место уменьшение энер-говыделения по краям ТВС за счет более выгоревших «соседей» (рис . 2, а, б); ТВС 21 типа Z40 − выгоревшая кассета 4-го года, окруженная свежими кассетами 1-го года, соответственно подпитывающаяся за счет свежего окружения (рис . 3, а, б) . Примеры даны для начала и для кон-ца топливной кампании .


1 . WWER-1000 Reactor Simulator . Material for Training Courses and Workshops . IAEA-TCS-21/02 . P . 89 .2 . Днепровская Н. М., Рубин И. Е., Касюк Д. М., Циунель Е. Ю. // Сб . докл . 3-й Междунар . конф . «Ядерные техно-

логии XXI века», 23–26 окт . 2012 г . Мн ., 2012, C . 79–84 .3 . Днепровская Н. М., Лицкевич Д. Н., Касюк Д. М, Рубин И. Е. // Весцi НАН Беларусі . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2013 .

4 . С . 75–81 .4 . Sidorenko V. D., Lazarenko A. P., Bolshagin S. N. et al. Spectral code TVS-M for calculation of cells, super cells and

fuel assemblies VVER-type reactors: Report on 5th Symposium of the AER . Dobotoco, Hungary, Okt . 15−20 . 1995 . P . 169−178 .

N. M. DNEPROVSKAYA, D. M. KASIUK, D. N. LITSKEVICH, I. E. RUBIN, E. U. TSIUNEL

METHOD OF MACRODISTRIBUTION VALUES RECONSTRUCTION AND SUPERPOSITION OF MICRODISTRIBUTION AND MACRODISTRIBUTION IN A FUEL ASSEMBLY

FOR VVER-1000 REACTOR (VVER-1200) WITH FOLLOWING VISUALIZATION

Summary

The stationary equation of space-energy neutron distribution is solved by the finite-difference method in a two-group diffusion approximation . The macrodistribution of values in the reactor, as a result of equation, is approximated in plane of fuel assembly using orthogonal functions depending on the space variables x and y . Then, the resulting expansion of macrodistribution is superimposed on the distribution of this value f(xj, yj), taken from the code TVS-M . The position of the absorbing rods also may be taken into account . Calculation of coefficients of orthogonal functions is performed with numerical integration . This choice is made based on a comparison of analytical and numerical calculations of the coefficients of the system, and was confirmed after testing of the model at the visualization stage .



Беларуси

88


УДК 532.546.6

В. В. СОРОКИН

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТОЛСТОГО ВРАЩАЮЩЕГОСЯ СЛОЯ ЧАСТИЦ В ВИХРЕВОЙ КАМЕРЕ

Объединённый институт энергетических и ядерных исследований – Сосны НАН Беларуси


Введение. Внутри короткой вихревой камеры с неподвижными стенками в потоке жидкости может быть создан стационарный толстый плотный вращающийся слой частиц [1–3] . Фотогра-фия слоя приведена на рис . 1, а . Слой частиц по форме и свойствам близок к пористой среде, об-разованной зернистым материалом . Слой вращается равномерно как твердое тело и оказывает давление на стенки камеры .

Схема устройства приведена на рис . 1, б . Слой 1 опирается на боковую 2 и торцевые стенки 3, а также имеет четкую внутреннюю границу 4 . Граница симметрична относительно оси камеры . Вращение слоя обеспечивается течением жидкости . Жидкость поступает в камеру через направ-ляющий аппарат 5, размещенный на боковой стенке, приобретая радиальную и окружную со-ставляющие скорости . Далее, обтекая частицы, она проходит через слой, его внутреннюю гра-ницу и покидает камеру через центральное отверстие в торцевой крышке 6 . Радиус границы слоя может незначительно превышать радиус центрального отверстия .

При пористости 0,37–0,42 слой демонстрирует высокую устойчивость в широком диапазоне толщин: существует десятки часов без потерь частиц, нечувствителен к ориентации относитель-но вертикали и различным возмущениям (удары, вибрация, изменение расхода жидкости, вне-дрение предметов в слой), допускает догрузку или выгрузку частиц на ходу . По основным свой-ствам данная система отличается от систем частиц, использующихся в центробежных реакторах кипящего слоя с корпусом в форме вращающегося проницаемого барабана [4], с рыхлыми слоя-ми [5, 6], с неустойчивыми слоями [7–9] .

Однородность, высокая относительная скорость фаз, легкость управления основными пара-метрами, умеренная механическая нагрузка на частицы – полезные для технических приложе-

Рис . 1 . Устойчивый плотный слой в вихревой камере: а – фотография, б – схема; 1 – слой частиц, 2 – боковая стенка, 3 – торцевая гиперболическая стенка, 4 – свободная граница слоя, 5 – направляющий аппарат, 6 – центральное от-

верстие; на схеме представлены разрез (верхняя левая четверть) и сектор слоя; I – ячейка симметрии устройства



Беларуси

89

ний свойства слоя . Установки со слоем предложено использовать для обработки зернистых сред (сушка, пиролиз, крекинг, газификация); жидкостей (каталитические процессы, очистка) [1, 4–9] . Активная зона в форме вращающегося слоя микротвэлов может найти применение в некоторых типах ядерных реакторов [1, 3] .

Вывод зависимости для пористости слоя. Шары в слое вовлечены во вращательное и коле-бательное движения . Слой опирается на торцевые и боковую стенки . Источником колебаний яв-ляются частицы, прижатые и огибающие рельеф направляющего аппарата, размещенного на бо-ковой стенке . Вследствие колебательного движения шаров пористость слоя оказывается выше, чем у неподвижной плотной укладки . Скорость колебаний шара невелика по сравнению со ско-ростью вращения слоя .

Оптимальный направляющий аппарат содержит n = 36–48 щелей и имеет относительное проходное сечение m = 0,06–0,09 . В рамках других значений параметров слой получается менее устойчивым, снижается его максимально достижимая толщина [2] . Например, при R1 = 150 мм и m = 0,07 ширина щели δ составляет 1,8 мм . Частица, опирающаяся на боковую стенку, при каж-дом повороте на угол 2π/n падает со ступеньки высотой δ и затем вдавливается в слой, при вы-ходе на траекторию r = R1 . Таким образом, слой подвергается воздействию вынужденных азиму-тальных колебаний вдоль радиуса с амплитудой δ и частотой nΩ, где Ω – угловая скорость слоя . Вследствие переупаковки слоя пористость возрастает (дилатансионный эффект Рейнольдса) . При типичном диаметре частицы d = 2 мм достаточно амплитуды 1,8 мм для сдвига частицы на длину ячейки засыпки, так что перемещения частиц по слою оказываются возможными .

В системе отсчета, связанной со слоем, шары движутся вполне аналогично молекулам неко-торого совершенного газа, заключенного в емкость . Подходящим совершенным газом для моде-лирования шаров представляется газ Ван-дер-Ваальса . В уравнении состояния газа следует от-бросить слагаемое, описывающее эффект притяжения между молекулами, поскольку притяже-ние между шарами отсутствует .

Запишем уравнение состояния шаров, пользуясь аналогией ансамбля шаров и газа Ван-дер-Ваальса, в форме P(V – V0) = 3E/2, (1)

где P – давление шаров, V0, V – объемы слоя в плотной и рыхлой укладках соответственно, E – кинетическая энергия шаров . Приемлемая точность последующих оценок пористости слоя с ис-пользованием выражения (1) может рассматриваться как аргумент в пользу адекватности пред-ложенной аналогии .

Поскольку объем шаров Vш постоянный, то V = Vш/τ, V0 = Vш/τ0, где τ – доля твердой фазы, τ0 = 0,6 . Для определения пористости вращающегося слоя шаров требуется вычислить величину E .

Рис . 2 . Схема ячейки симметрии слоя шаров: 1 – слой; 2 – боковая стенка корпуса; 3 – щелевое сопло для ввода жид-кости; 4 – шар; 5 – пространство над слоем до отверстия выхода из камеры



Беларуси

90

Кинетическая энергия шаров приобретается при взаимодействии слоя с уступом щелевого сопла подвода жидкости и диссипирует за счет внутреннего трения между шарами и внешнего трения слоя о стенки . Разделим камеру на ячейки симметрии I по числу входных щелей рис . 1, б . Схема ячейки приведена на рис . 2 . В каждой ячейке слой контактирует с боковой стенкой, за исключе-нием малых областей возле щели . Двигаясь вдоль области контакта, слой поднимается с радиального уровня R + δ на уровень R и при этом совершается работа A . Последняя складыва-ется из нескольких составляющих: по подъему массы самого сектора PоснSоснδ, против силы дав-ления слоя, препятствующей внедрению сектора в слой, (Sосн – Sверх)δ, против трения 2µшарNδ и на расширение слоя при сдвиге Nd . Обозначения: Sосн и Sверх – площади основания и верха сектора, Sосн = 2πRh0/n; – среднее давление шаров по высоте, Pосн – давление в основа-нии; µшар – коэффициент трения между шарами, принято µшар = 0,3, N – средняя нормальная сила реакции слоя; d – диаметр частицы; h0 – начальная высота камеры .

Усреднив уравнение состояния по ячейке, получим

(V – V0) = 3<E>/2 . (2)

Положив A= 3<E>/2, с использованием приближенных выражений V0 = SоснH, N = Hh0, Pосн = 2 преобразуем уравнение (2) таким образом:

(V – V0) = 2Sоснδ + Sосн Rδ/R1 + 2µшарHh0δ + Hh0d, (3)

где H = R – R1 – высота слоя, откуда τ = τ0/(1 +B) . (4)

Число B можно представить в форме B = (3 − H/R)δ/H + n(2µшарδ + d)/2πR, удобной для анализа факторов, влияющих на величину пористости .

Пористость слоя в рассмотренном приближении не зависит от режимных параметров, но определяется конструктивными параметрами и толщиной слоя . Это удовлетворительно соответ-ствует данным исследований [1, 10] . Пористость сильно возрастает для тонких слоев и широких входных щелей . Для достаточно толстых слоев доля твердой фазы может быть принята постоян-ной и равной 0,5 .

Уточнение модели слоя. Расчет ведется по модели, предложенной в [11], со следующими из-менениями: содержание твердой фазы определяется по формуле (4); уравнение баланса сил для элемента слоя в радиальном направлении задается выражением

dP/dr = τ (ρs – ρf) Ω2r – βρfV 2/d, P(R2) = 0, (5)

что обеспечивает правильный предельный переход ρs → ρf; выражение для момента импульса используется в форме

J = 2πmR1h(R1)[(p1 – p2) R1 + ρf W1(W1R1 – W2R2)] . (6)

Сравнение с данными экспериментов. Для оценки достовер-ности результатов моделирования сравним наши расчетные дан-ные с экспериментальными данными других авторов .

Обобщение результатов обширных экспериментальных иссле-дований дано в [1] . Сформулированы основные закономерности влияния на параметр ΩR/W толстого слоя различных факторов:

параметр не зависит от расхода (скорости в щелях, объемного расхода, радиальной скорости на боковой стенке);

параметр возрастает с уменьшением диаметра частиц;параметр возрастает с увеличением высоты камеры;параметр возрастает с уменьшением отношения плотности

жидкости к плотности материала частиц .Наши расчетные данные приведены на рис . 3 и подтверждают

эти закономерности .

Рис . 3 . Расчетные закономерно-сти для толстого слоя: 1 – рас-ход; 2 – диаметр частиц; 3 – вы-сота камеры; 4 – отношение плотностей жидкости и матери-

ала частицы



Беларуси

91

Сравнение с количественными данными [1] проведено в табл . 1 . Температура воды составляла около 20 οС . Вода водопроводная, циркуляция по замкнутому контуру . Геометрические характеристи-ки устройства: D= 350 мм (D = 2R); h0 = 30 мм; Rцо = 40 мм; m = 0,07, n = 36, Hl = 50 мм; давление в ресивере pрес = 0,33 МПа . Отверстия ввода щелевые, ориентированы практически тангенциально .

Т а б л и ц а 1 . Сравнение расчетных и экспериментальных данных

Параметр Эксперимент Расчет

pрес, МПа 0,33 0,33ds, мм 2,0–2,8 2,5

p2, МПа – 0,2U, м/с 0,8 0,76Ω, с–1 59,5 61,2τ 0,5 0,5

В [12] предложена зависимость для пористости вращающегося слоя, полученная модифика-

цией соотношения для пористости классического псевдоожиженного слоя с учетом аналогии гравитационного и центробежного ускорений . Сравнение результатов расчетов по [12] и по фор-муле (4) для устройства с вышеприведенными параметрами представлено на рис . 4 . Наблюдается близкое совпадение . Сопротивление слоя вычислялось по рекомендациям работ [10, 11] .

Устойчивость слоя. Рассмотрим изменение свойств вращающегося толстого слоя частиц при вариации его высоты с неизменной массой загрузки . При вариации рост толщины сопрово-ждается уменьшением содержания твердой фазы . Противоположную зависимость выражает уравнение для пористости вращающегося слоя (4), по которому увеличение толщины при посто-янной загрузке должно сопровождаться ростом давления и энергии частиц . Поскольку энергия и диссипация энергии в расширившемся слое растут, а генерация энергии снижается, то такое состояние неустойчиво . После диссипации энергии возмущения слой вернется в исходное состо-яние . Так формируется отрицательная обратная связь .

Влияние вариации высоты на свойства слоя при постоянном давлении в ресивере и загрузке показано в табл . 2 . Базовый случай H = 80 мм (τ = 0,51), задаваемые отклонения высоты + 5 мм и – 5 мм, соответственно H = 85 мм (τ = 0,49) и H = 75 мм (τ = 0,544) .

Т а б л и ц а 2 . Изменение свойств слоя при вариации высоты

H, мм 75 80 85τ 0,544 0,51 0,49Ω, c–1 91,8 92,1 92,8W, м/с 14,95 16,3 17,1Ω R, м/с 13,8 13,8 13,9W2, м/с 6,88 6,45 6U, м/с 1,05 1,14 1,2P, кПа 101 106 111p2, кПа 170 155 140Относительный момент сил трения 0,93 1 1,06Относительный расход воды, база – H = 80 мм 0,92 1 1,05Относительный вес шара на свободной границе слоя, база – H = 80 мм

1 1 0,94

Отношение веса шара к силе трения жидкости о шар на свободной границе

0,72 0,81 0,8

Согласно табл . 2, при вариации высоты слоя его свойства плавно меняются . С ростом толщи-ны увеличиваются скорость вращения слоя, скорость в щелях, расход жидкости, давление ча-стиц, относительные момент сил трения и расход воды . Трение слоя о стенку возрастает с тол-

Рис . 4 . Расчет пористости вра-щающегося толстого слоя: 1 – по зависимости (4); 2 – по [12]



Беларуси

щиной слоя . Само по себе увеличение трения при расширении слоя отрицательную обратную связь не формирует, так как наряду с трением растет потребление энергии от источника жидкости . В рамках контура циркуляции жидкости ресивер – насос – камера со слоем возникает отрицательная обратная связь, если характери-стика насоса (напор/расход) падающая (напор снижается с ростом расхода), что характерно для большинства насосов .

Важное условие стационарности толстого слоя заключается в отсутствии уноса частиц со свободной поверхности в сторону оси и отверстия выхода воды из камеры . Частица прижимается аналогом силы тяжести (центробежной силой Fc) к поверхности . Сила трения при взаимодействии с потоком Ft направлена к оси и способствует отрыву и уносу частицы . Равнодействующая Fr и составляющие Fc и Ft как функции высоты слоя приведены на

рис . 5, нормировка произведена на соответствующие величины сил при H = 80 мм .Центробежная сила увеличивается с ростом угловой скорости слоя, плотности частиц

и уменьшается с радиусом . Трение растет с относительной скоростью жидкости и содержанием твердой фазы . В результате для достаточно толстых слоев с ростом толщины частицы все слабее держатся на свободной поверхности, линия 3 . Гиперболическое профилирование торцевых кры-шек препятствует нарастанию скорости жидкости по радиусу с приближением к оси, ограничи-вает увеличение трения и способствует удержанию .

Теоретически рассмотренный вращающийся слой устойчив, поскольку частицы имеют по-ложительный вес . Это соответствует экспериментальным данным . Устойчивость слоя аналогич-на устойчивости засыпки тяжелых частиц в вертикальном стакане в поле силы тяжести .

Заключение. Расчет параметров толстого плотного слоя частиц в вихревой камере основан на следующих положениях . Слой опирается на боковые и торцевые стенки . Движение частицы по стационарной круговой орбите обеспечивается равнодействующей сил реакции опоры (стен-ки и других частиц) и гидродинамического сопротивления . Скорость вращения слоя определя-ется балансом момента сил трения о стенки и момента импульса, переданного слою от жидко-сти . Квазижидкое состояние слоя обусловлено колебаниями частиц . Источником колебаний яв-ляются частицы, прижатые и огибающие рельеф направляющего аппарата, размещенного на боковой стенке вихревой камеры .

Как показывают результаты расчета скорости вращения слоя, пористости, перепадов давле-ния, размеров устройств, свойства устойчивости удовлетворительно соответствуют имеющимся качественным и количественным экспериментальным данным и данным визуализации .

Литература 1 . Гольдштик М. А. Процессы переноса в зернистом слое . Новосибирск, 2005 .2 . Сорокин В. В., Сорокин В. Н. Пат . РБ 10594 . 2008 .3 . Сорокин В. В. // IV Конгресс физиков Беларуси . Мн ., 2013 . С . 35–36 .4 . Chen Y. M.// AIChE J . 1987 . N 5 . P . 722–728 .5 . Волчков Э. П., Кардаш А. П., Терехов В. И. // Изв . СО АН СССР . Сер . техн . наук .1984 . 10, вып . 2 . С . 90–98 .6 . Сажин Б. С., Кочетов Л. М., Белоусов А. С. // ТОХТ . 2008 . Т . 42, 2 . С . 135–145 .7 . Волчков Э. П., Кайданик А. Н., Ядыкин А. Н. // Сибирский физ .-техн . журн . 1991 . Вып . 5 . С . 102–105 .8 . De Wilde J. J., De Broqueville A. // AIChE J . 2007 . Vol . 53 . P . 793–810 .9 . Trujillo W. R., De Wilde J. J. // Powder Technology . 2012 . Vol . 221 . P . 36–46 .10 . Лебедев А. В. Влияние геометрии зернистого слоя на его гидродинамические и тепловые характеристики: Дис . . . . канд .

техн . наук: 01 .04 .14 . Новосибирск, 1988 .11 . Сорокин В. В. // Докл . НАН Беларуси . 2009 . Т .53, 5 . С . 100–103 .12 . Дворников Н. А., Зинкин П. В., Ядыкин А. Н.// РНКТ-3 . М ., 2002 . Т . 5 . С . 199–202 .

V. V. SOROKINCALCULATION OF THICK ROTATING LAYER OF PARTICLES IN A VORTEX CHAMBER

SummaryA model to present the dynamics of a thick rotating layer of particles, blown by a liquid through a static vortex chamber is suggested .

Calculation results of layer rotation speed, porosity, pressure drops and sustainability fit well the available quantitative data and visualization maps for various devices geometry .

Рис . 5 . Относительные силы на свободной поверхности: 1 – цен-тробежная; 2 – трения; 3 – вес

частицы



Беларуси

93


УДК 621.31:621.56

В. А. ПАШИНСКИЙ1, А. А. БУТЬКО1, Е. М. МОЛОКОВИЧ1, В. В. ПЕТРОВСКАЯ2

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА НА ПОТРЕБЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В Г. МИНСК

1Международный государственный экологический университет им. А. Д. Сахарова, 2Государственное учреждение «Республиканский гидрометеорологический центр


Введение. Климат на Земле меняется с рекордной скоростью, вызывающей изменение темпе-ратуры у ее поверхности . Динамика изменения средней температуры воздуха в нижней части тропосферы зафиксирована [1]:

Национальным центром космических наук и технологий (NSSTC) совместно с университе-том Алабамы в Хантсвилле (UAH MSU);

системами дистанционного зондирования (RSS MSU) в рамках Программы «Климат и гло-бальные изменения» (MSU) Национального центра по изучению океана и атмосферы (NOAA);

Институтом космических исследований им . Годдарда (GISS); Национальным центром климатических данных (NCDC); Центром прогнозирования и исследования климата им . Хэдли совместно с университетом

Восточной Англии (HadCRUT4) .Увеличение среднегодовой температуры за тысячелетие составило 1 °С, а в XX в . температу-

ра на Земле возросла на 0,63 °С (по другим данным на 0,8 °С) . Результаты исследования динами-ки изменения температуры воздуха приведены на рис . 1 .

В целом на рубеже ХХ и ХХI вв . все вышепредставленные массивы данных показывают при-мерно одинаковую тенденцию роста температуры . Однако, по прогнозам специалистов, в ХХI в .

Рис. 1. Динамика изменения средней температуры воздуха в нижней части тропосферы по данным UAH MSU, RSS MSU, GISS, NCDC, HadCRUT4



Беларуси

94

температура на Земле повысится от 2 до 5 °С, при этом локальное потепление будет более значитель-ным . В отдельных регионах пре-вышение температуры будет про-исходить более интенсивно, этот процесс будет сопровождаться ча-стыми аномальными погодными явлениями, к которым человече-ство не будет успевать приспоса-бливаться .

В мировом сообществе основ-ную причину изменения темпе- ратуры связывают с антропоген-ной деятельностью, доминирую-щим элементом данного измене-ния является эмиссия парниковых газов в результате потребления ископаемых видов топливно-энер-

гетических ресурсов . Необходимо отметить, что в разрезе геологической истории Земли гло-бальная аномальная температура изменялась неоднократно .

На основании изучения ледяных кернов антарктической станцией «Восток» выполнена ре-конструкция глобальной температуры за последние 420 тыс . лет, в рамках которой представлено более четырех ледниковых периодов и пять межледниковых периодов, включая настоящее время (рис . 2) . Штриховая линия на графике соответствует уровню современной температуры, а зона,

Рис. 2. Реконструкция глобальной температуры за последние 420 тыс. лет

Рис. 3. Реконструкция глобальной температуры за последние 11 тыс. лет



Беларуси

95

отмеченная прямоугольником (правый верхний угол рисунка), охватывает временной интервал, который более подробно представлен на рис . 3 . Предыдущие четыре межледниковых периода наблюдались около 125, 235, 320 и 415 тыс . лет назад . Во всех предыдущих межледниковых пе-риодах глобальная температура выше на 1–3 °C, чем в настоящее время . Типичная продолжи-тельность ледникового периода составляет около 100 тыс . лет, а межледниковья – около 10–15 тыс . лет . Настоящий период межледниковья длится около 11,6 тыс . лет [2] .

Согласно анализу ледяных кернов, концентрация СО2 в атмосфере в течение всех четырех межледниковых периодов не превышала 290 ppm, в то время как концентрация СО2 в атмосфере в настоящее время составляет около 390 ppm, глобальная температура примерно на 2 °C ниже, чем в предыдущих межледниковых периодах, даже с учетом того, что концентрация СО2 в ат-мосфере выше на 100 ppm .

Реконструкция последних 11 тыс . лет (прямоугольник в верхнем правом углу рис .2), которая составляет основную часть настоящего межледниковья, более подробно показана на рис . 3 .

В прошлом температура по отношению к содержанию в атмосфере СО2 изменялась незначи-тельно . Изначально до 7 тыс . лет наблюдается увеличение температуры при снижении СО2 . За последние 7 тыс . лет температура, как правило, уменьшается при тенденции увеличения CO2 . Явные периодические температурные пики 950–1000 лет назад не связаны с увеличением CO2 . В данном случае концентрация СО2 небольшая, поскольку теоретическая зависимость измене-ния температуры с СО2 должна быть более ярко выражена при росте концентрации СО2, так как последняя воздействует на снижение температуры логарифмически . Следовательно, существен-ные климатические изменения могут происходить без регулирования атмосферным СО2 [3, 4] .

В Беларуси валовое потребление первичной энергии с 1995 по 2011 г . [1] составляет 32,94 ± 2,13 млн т у . т ./г . или 0,0021 % от мирового потребления – 17535,18 млн т у . т . в 2011 г ., которое описывается следующим уравнением (R2 = 0,72):

801,65l ( ) 6061,5y n x= − , (1)где х – расчетный год .

Эмиссия углекислого газа в Беларуси за аналогичный период составила (60,18 ± 3,24) млн т СО2/г . [1], что составляет 0,0019 % от мировых выбросов – 34032,75 млн т СО2, что также может быть представлено в виде (R2 = 0,78):

3 2 80,0118 71,052 142463 10y x x x= − + − + . (2)

Рис. 4. Отклонение средней годовой температуры воздуха от климатической нормы (5,8 °С) в Беларуси за период 1881–2010 гг.



Беларуси

96

Постановка задачи исследования. В 2010 г . средняя годовая температура воздуха для тер-ритории Беларуси в целом превысила климатическую норму на 1,1 °С (рис . 4) [5] .

Предварительная оценка последствий изменения климата показывает, что потепление значи-тельно отразится на энергопотреблении, так как нормативный удельный годовой расход тепло-вой энергии на отопление производственных, жилых и общественных зданий непосредственно связан со средней температурой наружного воздуха в отопительном периоде и его продолжи-тельностью [4] .

Расчетный удельный годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий за отопительный период ( удq , МДж/(м2·г) или МДж/(м3·г)) определятся по формулам [6]

уд h

h

QqА

= , уд h

h

QqV

= , (3)

где hQ – расход тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода, МДж; hА – отапливаемая площадь здания, м2; hV – отапливаемый объем здания, м3 .

Расход тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода hQ опреде-лятся по формуле [6]

( )удh int hhQ Q Q= − νζ β , (4)

где удhQ – общие теплопотери здания через наружные ограждающие конструкции, МДж; intQ –

бытовые теплопоступления в течение отопительного периода, МДж; ν = 0,9 – коэффициент сни-жения теплопоступлений за счет тепловой инерции ограждающих конструкций; ζ= 0,9 – коэф-фициент эффективности авторегулирования подачи тепла в системах отопления, принимаемый в соответствии с [6]; hβ = 1,05 – коэффициент, учитывающий дополнительные теплопотери, свя-занные с дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, дополнительными теплопотерями через зарадиаторные участки ограждений, повы-шенной температурой воздуха в угловых помещениях, теплопотерями трубопроводов, проходя-щих через неотапливаемые помещения .

Общие потери тепла через наружные ограждения здания удhQ за отопительный период опре-

делятся таким образом [6]:

уд 0,0864 sh m d eQ K D A= , (5)

где mK – общий приведенный коэффициент теплопередачи здания, Вт/(м2·°С); dD – градусо-сут-ки отопительного периода, °С·сут; s

eA – общая площадь внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций, включая покрытие (перекрытие) верхнего этажа и пола нижнего отапливаемого помещения, м2 .

Градусо-сутки отопительного периода dD , °С·сут, определяются по формуле [6]

( )d int ht ytD t t z= − , (6)

где intt – расчетная температура внутреннего воздуха здания, °С, определяемая по ТКП 45-2 .04-43–2006(02250) [6]; htt – средняя температура наружного воздуха за отопительный период, определяемая по СНБ 2 .04 .02–2000 [7]; °С; ytz – продолжительность отопительного периода, сут [7] .

В связи с изменением климата ставилась задача определения средней температуры в отопи-тельном периоде и его продолжительности в г . Минск за период с 1980–2011 гг . и соответствия строительным нормам проектирования [7] .

Методика, результаты исследования и их обсуждение. При определении температуры на-ружного воздуха в отопительном периоде и его продолжительности использовались сетевые приземные наблюдения государственного учреждения «Республиканский гидрометеорологиче-ский центр» по отделу метеорологических наблюдений «Минск за период с 1980–2011 гг .» .

Продолжительность отопительного периода соответствует периоду года со среднесуточной температурой наружного воздуха, равной 8 °С и ниже, для жилых и общественных зданий, а для

уд



Беларуси

97

больниц, школ и дошкольных учреждений среднесуточная температура наружного воздуха рав-на 10 °С и ниже .

Оценку продолжительности отопительного периода при отсутствии данных суточного хода температуры наружного воздуха производят методом гистограмм . Средняя месячная температура воздуха изображается в виде прямоугольника, у которого основание равно числу дней месяца, а высота равна средней температуре воздуха за данный месяц . Кривая годового хода проводится так, чтобы отрезок, который она отсекает с одного конца прямоугольника, был равен по площади отрезку, который она прибавляет к нему с другой стороны . Затем по графику определяют даты устойчивого перехода среднесуточных температур воздуха через отметки 8 или 10 °С . По разнице между этими датами определяется продолжительность отопительного периода (рис . 5) [8] .

Рис. 5. Определение продолжительности отопительного периода по данным среднемесячной температуры наружно-го воздуха в 2010 г. для г. Минск

Рис. 6. Определение продолжительности отопительного периода по данным среднесуточного хода температур на-ружного воздуха в 2010 г. для г. Минск



Беларуси

98

Определение продолжительности отопительного периода при наличии данных суточного хода температуры наружного воздуха производят на основании установления временного интер-вала с устойчивыми значениями граничной температуры начала и окончания отопительного пе-риода. При этом включение и отключение отопления производятся на шестые сутки при уста-новленной температуре, равной или ниже 8 или 10 °С. Отдельные дни со среднесуточной темпе-ратурой, равной или ниже 8 или 10 °С, не учитываются (рис. 6).

Определение средней температуры отопительного периода при отсутствии данных суточно-го хода температуры наружного воздуха производится суммированием температур воздуха за полные месяцы отопительного периода и вычисляется сложением произведений среднемесячной температуры воздуха соответствующего полного месяца и числа дней в этом месяце. Затем опре-деляется сумма температур воздуха за неполные месяцы по кривой годового хода как произведе-ние числа дней от даты начала отопительного периода до конца месяца и от начала месяца до даты конца отопительного периода и средней температуры на этих отрезках неполных месяцев (рис. 5). Средняя температура отопительного периода определяется делением общей суммы зна-чений температуры отопительного периода на его продолжительность в днях.

Методика определения средней температуры отопительного периода при наличии данных суточного хода температуры наружного воздуха заключается в установлении суточной темпера-туры в разрезе продолжительности отопительного периода с обеспеченностью 50 % (рис. 6).

Расчетные значения средний температуры многолетнего хода наружного воздуха для начала отопительного периода, равной и ниже 8 и 10 °С в г. Минск, представлены на рис. 7. Средняя температура наружного воздуха за отопительный период с 1980 по 2011 гг. со среднесуточной температурой наружного воздуха, равной и ниже 8 °С, составляет –0,57 °С. При этом в 2008 г. максимальная температура равна 2,22 °С, а минимальная температура равна –2,76 °С в 1980 г. Максимальная амплитуда колебания температуры за период наблюдения составила 4,98 °С, среднеквадратическое отклонение 1,24 °С, коэффициент асимметрии 0,52, коэффициент эксцес-са 0,22, а коэффициент вариации –0,52. За это время средняя температура наружного воздуха за отопительный период увеличилась от –1,07 °С до 0,02 °С. Сегодня для расчетов принята средняя температура наружного воздуха для этих объектов –0,9 °С [7].

Средняя температура наружного воздуха за отопительный период 1980–2011 гг. со среднесу-точной температурой наружного воздуха, равной и ниже 10 °С, равна –0,26 °С, максимальная температура 3,28 °С (1991 г.), минимальная –2,52 °С (1988 г.). Максимальная амплитуда колеба-ний температуры 5,8 °С, среднеквадратическое отклонение 1,25 °С, коэффициент асимметрии 0,34, коэффициент эксцесса 0,57, а коэффициент вариации 0,21. За этот период средняя темпера-тура наружного воздуха за отопительный период для социально-значимых зданий увеличилась от 0,07 до 0,56 °С. Для расчетов принята средняя температура наружного воздуха для этих объ-ектов 0,0 °С [7].

Рис. 7. Многолетний ход средней наружной температуры воздуха за отопительный период для его начала при 8 и 10 °С и ниже с 1980 по 2011 гг.



Беларуси

99

Анализируя вышепредставленные результаты очевидно, что временной интервал между включением и выключением отопления социально-значимых объектов и жилого сектора сокра-щается. При сохранении этой динамики включение отопления для данных объектов с учетом прогнозирования необходимо осуществлять одновременно примерно в 2039–2040 гг.

При прогнозировании средней температуры наружного воздуха с учетом сохранения дан- ной положительной тенденции при 8 °С (R2 = 0,072) в 2020 г. составит 0,34 °С, а при 10 °С (R2 = 0,014) – 0,70 °С.

Согласно нормативным данным [7], для г. Минск средняя продолжительность отопительного периода при среднесуточной температуре воздуха, равной 8 °С и ниже, 198 сут, а при среднесу-точной температуре, равной 10 °С и ниже, 216 сут. Многолетний расчетный ход продолжитель-ности отопительного периода за анализируемый интервал времени представлен на рис. 8.

Сопоставляя нормативную продолжительность отопительного периода для температуры, равной 8 °С и ниже, видно, что она в настоящее время выше расчетной на 11 сут (5,6 %), а для температуры, равной 10 °С и ниже, соответственно выше на 16 сут или 7,4 %.

Расчетные значения многолетней продолжительности градусо-суток отопительного периода представлены на рис. 9. Принимая во внимание выполненные выше расчеты, величина градусо-суток отопительного периода при внутренней температуре воздуха intt = 18 °С и ,8ht С

t

= -0,58 °С снизится на 174,8 °С ⋅ сут с 3742,2 °С ⋅ сут (нормативные данные) до 3567,4 °С ⋅ сут (расчетные дан-

Рис. 8. Расчетные значения многолетней продолжительности отопительного периода с 1980 по 2011 гг.

Рис. 9. Расчетные значения градусо-суток отопительного периода с 1980 по 2010 гг.



Беларуси

ные); при intt = 18 °С и ,10ht Сt

= 0,27 °С снизится на 129,2 °С ⋅ сут с 3888,0 °С ⋅ сут (нормативные данные) до 3758,8 °С ⋅ сут (расчетные данные) .

Заключение. С 1980 по 2011 гг . средняя расчетная температура за отопительный период в г . Минск возросла для среднесуточной температуры воздуха, равной 8 °С и ниже, от –1,07 до 0,02 °С, что на 0,92 °С выше нормативного значения, а для среднесуточной температуры возду-ха, равной 10 °С и ниже, от 0,06 до 0,56 °С, что на 0,56 °С выше нормативного значения .

Расчетная продолжительность отопительного периода с 1980 по 2011 гг . для его начала (сред-несуточная температура воздуха равна 8 °С и ниже) уменьшилась с 196 до 187 сут или на 4,6 %, а для среднесуточной температуры воздуха, равной 10 °С и ниже, снизилась с 223 до 200 сут или 10,3% .

Расчетные значения градусо-суток отопительного периода с 1980 по 2011 гг . со среднесуточ-ной температурой воздуха, равной 8 °С и ниже, уменьшились на 10 % и составили в 2011 г . 3567,4 °С ⋅ сут, а со среднесуточной температурой воздуха, равной 10 °С и ниже, уменьшились соответственно на 14,8 % и 3758,8 °С·сут .

На основании рассчитанных показателей удельный расход тепловой энергии на отопление жилых, общественных, административных и бытовых зданий следует уменьшить на 4,7 %/м2 ( intt = 18 °С), а для зданий дошкольных и детских лечебных учреждений уменьшить на 3,3 %/м2 ( intt = 21 °С) .


1 . http:// www .climate4you .com .2 . Petit J. R. et al. Vostok Ice Core Data for 420,000 Years . IGBP PAGES/World Data Center for Paleoclimatology Data

Contribution Series 2001–076 . NOAA/NGDC Paleoclimatology Program, Boulder CO, USA .3 . Alley R. B. The Younger Dry as cold interval as viewed from central Greenland . Quaternary Science Reviews 19 . 2000 .

P . 213–226 .4 . Monnin E. et al. Evidence for substantial accumulation rate variability in Antarctica during the Holocene, through

synchronization of CO2 in the Taylor Dome, Dome C and DML ice cores . Earth and Planetary Science Letters, 224, 45–54, doi: 10 .1016/j . epsl .2004 .05 .007 .

5 . Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парни-ковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом за 1990–2010 гг . Мн ., 2012 .

6 . ТКП 45–2 .04–43–2006(02250) Будаўнiчая цеплатэхнiка . Будаўнічыя нормы праектавання . Увед . 29 .12 .06 374 . Мн ., 2007 .

7 . БНБ 2 .04 .02–2000 . Будаўнічая кліматалогія . (Змяненне 1) . Будаўнічыя нормы Рэспублікі Беларусь: Увед . 02 .04 .07 87 . Мн ., 2007 .

8 . Строительная климатология: Справочное пособие к СНиП 23–01–99* . М ., 2006 . 9 . ТКП 45–2 .04–196–2010 (02250) Цеплавая ахова будынкаў . Цеплаэнергетычныя характарыстыкi . Правілы вы-

значэння . Увед . 19 .04 .10 115 . Мн ., 2010 .

V. A. PASHYNSKI, A. A. BUTKO, E. M. MOLOKOVICН, V. V. PETROVSKAYA

АN IMPACT OF CLIMATIC CHANGES ON CONSUMPTION OF THERMAL ENERGY IN MINSK

Summary

The results of studies of changes in average temperature and duration of heating period in Minsk from 1980 to 2011 are presented . Results of comparison of the average temperature during the heating season to standard values show that they are too high today by 0,56–0,92 ° C, and the heating seasons last longer by 11–23 days .



Беларуси

101


ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

УДК 658.512.22.011.56:004(076.5)

А. В. БОРОДУЛЯ1, А. Н. СОЛОВЬЕВ2, В. В. НАПРАCНИКОВ1, М. А. МИРЗАВАНД1

ПОСТРОЕНИЕ СПЕКТРА КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРИНЯТИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ

ПРИ РЕМОНТЕ МОРСКИХ ПЛАТФОРМ1Белорусский национальный технический университет,

2Донской государственный технологический университет


Потребности современного индустриального общества в углеводородном сырье постоянно растут . Одной из возможностей их удовлетворения является разведка и добыча углеводородов на морском шельфе . В настоящее время подобные работы ведутся в таких странах, как Россий-ская Федерация, Исламская Республика Иран, Социалистическая Республика Вьетнам, Болива-рианская Республика Венесуэла и других государствах, с которыми Республика Беларусь под-держивает и развивает отношения долгосрочного партнерства и сотрудничества .

При выполнении работ по проектированию, установке, эксплуатационным ремонтам и де-монтажу соответствующего оборудования возникают задачи, специфика которых предполагает необходимость разработки специальных моделей, позволяющих оценивать работоспособность, долговечность, ремонтопригодность сложных технических систем добычи и транспортировки углеводородов с учетом современных требований экологии .

Цель исследований – разработка спектра конечно-элементных моделей, позволяющих при-нимать обоснованные решения по рациональному проектированию компонентов конструкций морских платформ с учетом эксплуатационных нагрузок . Для этого потребовалось решение сле-дующих основных задач:

создание параметрических геометрических моделей компонентов конструкций морских платформ и систем транспортировки углеводородов с использованием специальных встроенных языков систем конечно-элементного моделирования;

создание конечно-элементных моделей вспомогательных конструкций для выполнения ре-монта компонентов конструкций морских платформ;

Рис . 1 . Пример дефекта в подводной части конструкции морской платформы



Беларуси

102

исследование возможностей учета взаимодействия подводной части конструкции с жидко-стью при динамических нагружениях, соответствующих сейсмическому воздействию со сторо-ны грунта;

исследование возможности подключения пользовательских оптимизационных алгоритмов к моделям, создаваемым на основе готовых конечно-элементных комплексов для выявления ра-циональных вариантов конструкций .

Рис . 2 . Параметрическая геометрическая модель остова (а) и его подводного уровня, на котором возник дефект (б)



Беларуси

103

Рассмотрим примеры реализации этих задач для ситуации, когда необходимо оценить ре-монтопригодность подводной части конструкции морской нефтедобывающей платформы . При-мер дефекта в результате возникновения разрыва в одной из секций подводного уровня этой платформы представлен на рис . 1 . Как видно, конструкция частично ослаблена . Ремонт предпо-лагает замену ее поврежденной части путем удаления дефектного участка с помощью вырезания и приваривания накладки . Для проверки прочности и устойчивости остова морской платформы при проведении ремонтных работ создана параметрическая геометрическая модель (рис . 2) .

Каркас остова изготовлен из шести типов труб, диаметр которых изменяется от 4,26 до 8,208 м, а соответствующие толщины труб − от 0,12 до 0,206 м . В модели данные величины и длина базо-вой части, ширина нулевого и пятого уровней, добавочная длина на пятом уровне, высоты всех уровней, массы рабочего оборудования на верхнем уровне остова платформы являются параме-трами .

В результате численных экспериментов на основе предложенной модели можно отметить, чтодля расчета устойчивости достаточно применять балочные модели, значительно сокращаю-

щие время и ресурсы численного эксперимента, особенно для более сложных фрагментов (на-пример, при исследовании возможности проведения ремонтных мероприятий для поврежденно-го компонента конструкции, соединяющего узлы 161-160);

при удалении компонента, соединяющего узлы 162-161, происходит незначительное умень-шение критической нагрузки (не более 3%), при которой фрагмент теряет устойчивость;

возможно проведение ремонтных мероприятий для поврежденного компонента конструк-ции, в которых предполагается удаление поврежденного компонента между узлами 162-161 .

Предварительно выполнено исследование возможности использования расчетных схем на основе различного типа конечных элементов (рис . 3) с целью выявления наименее затратной по вычислительным ресурсам схемы . Результаты сравнения представлены в таблице . Как видно, в этом случае может быть с успехом использована балочная расчетная схема . Первая форма по-тери устойчивости для блока с удаленным дефектным компонентом на основе балочной расчет-ной схемы представлена на рис . 3 . При этом значение критической силы составило 82,8 МН .

Результаты сравнения различных расчетных схем

Возможность использования расчетных схем на основе различного типа конечных элементов

Критическое давление при потере устойчивости, МПаПогрешность, %

Балочная теория Трехмерная модель

Фрагмент в исходной конфигурации 536,2 552 2,9Фрагмент с удаленным компонентом 522,2 542 3,7Уменьшение критической нагрузки, при которой происходит потеря устойчивости, % 2,6 1,8

Рис . 3 . Модели с использованием тетраэдральных элементов (а), балочных элементов (б) и первая форма потери устойчивости для блока с удаленным дефектным элементом (в)



Беларуси

104

Уменьшение критической силы после удаления дефектного компонента 161-160 составляет 0,6% . Результаты расчета позволяют сделать вывод, что удаление дефектного компонента 161-160 на этапе ремонта практически не влияет на работоспособность конструкции под дей-ствием вертикальной нагрузки .

Аналогичная трехмерная модель построена для случая повреждения горизонтальной пере-мычки, прилегающей к причальному устройству морской платформы (рис . 4) . Модель перемыч-ки содержит отверстие, размеры которого в плане 0,54 на 0,29 м соответствуют характеру по-вреждения в виде рваного отверстия горизонтальной трубы, приваренную на отверстие наклад-ку толщиной 0,019 м и сварной шов по ее внешнему краю . При задании нагрузки в модели предусмотрен учет гидростатического давления и волновой нагрузки от приливно-отливных течений . Максимальные напряжения, возникающие в конструкции с вырезанным дефектным участком при рабочем нагружении, составляют 34,2 МПа (рис . 5) и не превышают допустимых значений для материала конструкции .

Ремонтные работы для восстановления конструкции предусматривают выполнение сухой сварки . Для этого необходимо спроектировать погружаемый бокс, заполняемый воздухом, внутри которого должна быть расположена часть конструкции, подвергающаяся ремонту . Виды геомет-рии конструкций двух возможных вариантов таких боксов, подготовленных с использованием соответствующих параметрических моделей, представлены на рис . 6, 8 . Первый вариант, расчет-ная схема которого представлена на рис . 6, изготавливается с каркасом из уголков . Основные гео-метрические параметры модели это высоты уровней обвязки уголками и размеры пластин, указан-

Рис . 4 . Поврежденная стойка морской платформы рядом с причальным устройством (а) и ее параметрическая геоме-трическая модель с учетом сварного шва и накладки (б)

Рис . 5 . Суммарные перемещения в конструкции с приваренной накладкой (а), напряжения по Мизесу в этой кон-струкции (б) и в конструкции без накладки с вырезанным дефектом (в)



Беларуси

105

Рис . 6 . Размеры пластин (а) и высоты уровней обвязки (б) для первого варианта модели бокса

Рис . 7 . Конечно-элементная расчетная схема конструкции первого варианта модели бокса (а) и суммарные перемеще-ния в ней при погружении на рабочую глубину (б)

Рис . 8 . Толщины пластин, высота кессона (а) и радиусы отверстий (б) второго варианта модели бокса



Беларуси

106

ные на рисунке . На рис . 7 представлены конечно-элементная расчетная схема и распределение пе-ремещений в материале конструкции при погружении на глубину расположения дефекта .

Второй вариант, расчетная схема которого приведена на рис . 8, изготавливается без исполь-зования каркаса . Для этой модели параметрами являются геометрические размеры и толщина цилиндрической поверхности кессона . Основание и крышка представлены достаточно мощны-ми стальными пластинами, боковая стенка представляет собой относительно тонкий стальной лист . Сверху кессон плотно прикрепляется к опорной колонне с помощью манжет, снизу прикре-плен четырьмя тросами ко дну . Результаты расчета напряжений в материале конструкции по теории прочности Мизеса для варианта со значениями параметров d1 = 4 м, d2 = 2 м, d3 = 1,5 м, h1 = 3 м, h2 = 0,1 м, h3 = 0,1 м и толщиной стенки h4 = 0,004 м представлены на рис . 9 .

Анализ напряженно-деформированного состояния кессона показывает, что напряжения, воз-никающие в материале конструкции, составляют 33,2 МПа и не превосходят соответствующих допустимых значений для ее материала . При этом максимальные суммарные перемещения воз-никают на нижней пластине в районе водолазного входа и на боковой поверхности и не превы-шают 0,0046 м .

Таким образом, предложенные модели позволяют выбрать второй вариант кессона, посколь-ку технологически его изготовление значительно проще .

Отметим, что при дальнейшем уточнении моделей, связанном с возможностью использова-ния для проведения исследования напряженно-деформированного состояния конструкций учета их частичного взаимодействия с жидкостью, установлено, что подобные расчеты даже при суще-ственных упрощениях требуют таких ресурсов, которые может предоставить только суперком-пьютер, поэтому для их выполнения следует применять методику [1] .

При поиске рационального или наилучшего варианта системы с распределенными параме-трами исследователь часто использует в качестве инструмента моделирования какой-либо гото-вый пакет конечно-элементных расчетов .

Может оказаться, что пакет не оснащен средствами проведения оптимизационных вычисле-ний (например, FlexPDE) . Если же такие средства в пакете присутствуют (ANSYS, NASTRAN), то они могут не удовлетворять исследователя либо по степени документированности, либо по особенностям реализованных в них алгоритмов оптимизации, либо по присутствующим у этих средств ограничениям . Например, как отмечают авторы [2], в пакете CosmosWorks накладывать ограничения на массу или объем недопустимо . Поэтому в ряде случаев необходимо создавать собственные реализации методов оптимизации . Тогда для программной работы с конечно-эле-ментными пакетами необходим промежуточный инструмент . Исходя из этого, разработана ме-тодика, соединяющая возможности собственных пакетов оптимизации и параметрических ко-нечно-элементных моделей .

В основе данной методики лежит подготовка командных файлов параметрических моделей на языке APDL в среде ANSYS, позволяющая выполнить вариантные расчеты в режиме удален-

Рис . 9 . Напряжения по Мизесу в материале конструкции второго варианта модели бокса при погружении на рабочую глубину (а, б) и суммарные перемещения (в)



Беларуси

ного доступа на суперкомпьютере СКИФ с целью дальнейшей обработки этих результатов на стороне локального компьютера . Для решения этой задачи разработана схема взаимодействия программ и файлов (рис . 10) . Методика прошла апробацию при решении различных тестовых задач [3] и обладает новизной, позволяющей генерировать оптимизационные модели сложных технических систем .

Изложенные результаты частично получены в ходе выполнения работ в рамках научно-тех-нической программы Союзного государства Беларуси и России «Триада» . Представленный спектр конечно-элементных моделей позволяет обоснованно выбирать рациональные варианты проектов сложных технических систем добычи и транспортировки углеводородов на морском шельфе . Полученные результаты используются в учебном процессе кафедры САПР БНТУ и мо-гут быть применены в учебном процессе для других инженерных специальностей .


1 . Кочуров В. А., Бородуля А. В., Напрасников В. В., Галко А. В . // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2010 . 2 . С . 86–96 .

2 . Алямовский А. А., Харитонович А. И., Пономарев Н. Б. и др . SolidWorks . Компьютерное моделирование в инже-нерной практике . СПб ., 2006 . С . 52 .

3 . Напрасников В. В., Напрасникова Ю. В., Соловьев А. Н., Скалиух А. С. // Матер . междунар . науч .-техн . конф . «Совершенствование систем автоматизации технологических процессов» . Мн ., 2010 . С . 45 .

A. V. BORODULYA, A. N. SOLOVIYOV, V. V. NAPRASNIKOV, M. A. MIRZAVAND

DESIGN OF A SET OF FINITE ELEMENTS MODELS FOR MAKING RATIONAL ENGINEERING SOLUTIONS AT REPAIRING OF OFFSHORE PLATFORMS

Summary

Parametric modeling of offshore structure components and repairing systems features are considered . The results of structure analysis are also included . The article provides a possible scheme of interaction between the user optimization unit and the existing finite element analysis programs .

Рис . 10 . Схема взаимодействия модулей оптимизационной модели



Беларуси

108


РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 53.087.92-621.382

В. В. ХАТЬКО

МНОГОСЛОЙНЫЕ СТЕКИ Pd/Al2O3 И Pt/Al2O3 В ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИХ ГАЗОВЫХ СЕНСОРАХ НА КРЕМНИИ



Введение. Микромеханические термокаталитические газовые сенсоры успешно используют-ся для детектирования горючих газов, таких как метан, пропан и других, а также монооксида углерода [1] . Чтобы достичь высокой чувствительности этих приборов к указанным газам, важ-но разработать способы формирования чувствительного каталитического слоя сенсора, который имел бы большую удельную поверхность и, как следствие, высокую каталитическую актив-ность . Эти требования к катализатору становятся критическими, если размер термокаталитиче-ского сенсора уменьшается . Поэтому существует интерес к разработке способов создания чув-ствительных каталитических слоев, которые подходили бы для термокаталитических газовых сенсоров, изготавливаемых на кремниевых подложках с использованием микросистемных тех-нологий [2] .

Одним из способов получения металлических и металлооксидных пленок с малым размером зерна является применение последовательного шаг за шагом осаждения ультратонких пленок двух разных материалов (например, благородного металла (Pt или Pd) и оксида другого метал-ла), т . е . формирование попарно чередующихся слоев (стека) из металла и металлооксида, между которыми иногда отсутствует четко выраженная граница раздела . В этом случае коалесценция кластеров благородного металла может быть ограничена осаждением другого материала (напри-мер, диоксида кремния) [3, 4] . Ранее эффект усиления каталитических свойств многослойных систем Pd/SiO2 и Pt/SiO2 был описан в работах [5, 6] . В данной статье мы приводим результаты исследования, которые позволяют понять условия, при которых осуществляются усиление ката-литических свойств многослойных стеков Pd/Al2O3 и Pt/Al2O3 и возможность их использования в качестве чувствительного каталитического слоя в микромеханических термокаталитических сенсорах, изготавливаемых на кремниевых подложках .

Цель работы − создание высокочувствительных каталитических слоев на основе Pt и Pd для микромеханических термокаталитических газовых сенсоров на кремниевых подложках .

Методика эксперимента. Из ранее приведенных публикаций известно, что толщина, при которой формируется сплошная пленка, составляет для Pd 5 нм [7] и для Pt 2 нм [8] .

Для исследования влияния толщины индивидуального слоя в стеках Pd/Al2O3 и Pt/Al2O3 на их каталитические свойства изготовлены образцы размером 1×1 cм2 с применением монокри-сталлических пластин кремния n-типа проводимости . Пленки Al2O3 толщиной 100 нм осажда-лись на поверхность кремниевой пластины с использованием ВЧ-распыления соответствующей мишени в атмосфере Ar в установке 2400 Perkin−Elmer (США), содержащей три мишени . Удель-ная мощность распыления 0,3 Вт⋅см−2 при давлении аргона порядка 10,1 мм рт . ст . Первоначаль-но на подложках Si − Al2O3 были сформированы пленки Pd и Pt с островковой структурой (экви-



Беларуси

109

валентная толщина металлической пленки порядка 1,25 нм) и протяженной структурой (эквива-лентная толщина металлической пленки порядка 5,0 нм) соответственно . Многослойные стеки Pd/Al2O3 и Pt/Al2O3 наносились последовательным шаг за шагом ВЧ-распылением Pd (Pt)- и Al2O3-мишеней . Толщина индивидуальных слоев была примерно 1,25 и 5,0 нм . Полная толщи-на каждого стека порядка 50 нм для всех образцов . Удельная мощность ВЧ-распыления состав-ляла 2,2 Вт⋅см-2 для Pd- и Pt-мишеней . Для сравнения изготовлены несколько образцов с чисты-ми пленками Pd и Pt толщиной 50 нм, осажденными на поверхность слоя Al2O3 .

Исследовалось влияние полной толщины стека на его каталитические свойства . В этом слу-чае толщина каждого индивидуального слоя благородного металла или алюмооксида составля-ла 1,25 нм, а полная толщина многослойных стеков Pd/Al2O3 и Pt/Al2O3 изменялась от одной до двадцати пар слоев, т . е . от 2,5 до 50 нм .

Чтобы оценивать каталитические свойства образцов, конверсионные кривые для CO и C3H6 измерены как функция температуры при размещении образцов в трубчатой печи . В первом экс-перименте 5000 ppm CO и 1000 ppm C3H6 были смешаны с использованием масс-контроллеров расхода газа при стехиометрических условиях с кислородом и в потоке N2 как газа-носителя . Смесь продувалась через печь . Скорость тока смеси газов составляла 100 см3/с . Термопара кон-тролировала температуру на образце . Печь, в которой размещались исследуемые образцы, на-гревалась со скоростью 20 °С/мин до 500 °С, а затем медленно охлаждалась до комнатной темпе-ратуры . Концентрации CO и C3H6 измерялись с помощью газоанализаторов фирмы Rosemount (США) . Данные термопары и газового анализатора были согласованы в реальном времени и фик-сировались персональным компьютером . Несколько образцов исследованы при нестехиометри-ческих условиях окисления при использовании более высоких концентраций кислорода (отно-шение R количества атомов углерода к кислороду составляло 0,5; 0,25 и 0,175) . В этом случае поток газа увеличивался до 250 см3/с и скорость нагрева печи уменьшалась до 4 °С/мин . Более детально условия эксперимента представлены в [4, 6] .

Контрольный образец представлял собой квадратную пла-стинку размером 1×1 см2 продольного среза монолитного авто-мобильного катализатора . Данный образец содержал Pd-ката-лиза тор, обладающий высокими каталитической активностью, удельной поверхностью и дисперсностью [6] . Распределение хи-мических элементов исследовано с помощью PHI-660 оже-спек-трометра, работающего при 3 кВ и использующего диаметр зон-да до 1 мм . Глубина сбора оже-электронов была порядка 2,0 нм .

Результаты и их обсуждение. На рис . 1 представлены кон-версионные кривые СО и C3H6 в зависимости от температуры для семи образцов: контрольный образец (1), чистые пленки Pd (2) и Pt (3) на кремниевых подложках со слоем оксида алюми-ния, многослойные стеки Pd/Al2O3 со слоями толщиной порядка 1,25 (4) и 5,0 (4′) нм, кремниевая подложка со слоем Al2O3 тол-щиной 50 нм и пленкой Pd толщиной 1,25 нм (5) и многослойные стеки Pt/Al2O3 со слоями толщиной 1,25 нм (6) . Существует боль-шое различие в температуре включения каталитической реак-ции окисления для этих образцов . В нашем случае определяем температуру включения каталитической реакции как темпера-туру, при которой конверсия достигает половину от ее макси-мальной величины . Предполагается, что эта температура может быть связана как с числом каталитически активных центров, так и с их активностью . Следует отметить, что температурные зависимости имели гистерезис между ветвями нагрева и охлаж-дения . Однако для простоты мы приводим только данные, полу-ченные при охлаждении .

Рис . 1 . Конверсия CO (а) и C3H6 (б) для контрольного образца (1), осаж-денных пленок Pd (2) и Pt (3), много-слойных стеков Pd/Al2O3 со слоями толщиной 1,25 (4) и 5,0 нм (4′), системы Al2O3 – Pd (5) с толщиной слоя Al2O3 50 нм и слоя Pd тол- щиной 1,25 нм, многослойных сте-ков Pt/Al2O3 со слоями толщиной

1,25 нм (6)



Беларуси

110

Из рис . 1 видно усиление каталитических свойств для образцов Pd/Al2O3 со слоями толщи-ной 1,25 нм по сравнению с чистыми пленками Pd . Это усиление определяется существенным уменьшением температуры включения каталитической реакции для композиционной структу-ры . Данный эффект сравним с ростом каталитической активности стеков Pd/SiO2, исследован-ных в [5, 6] . Из рис . 1 установлено, что температура включения каталитической реакции окисле-ния СО для стека Pd/Al2O3 составляет 314 °С по сравнению с 350 °С для чистых пленок Pd и для окисления C3H6 − 330 °С по сравнению с 359 °С для чистых пленок Pd соответственно . Хотя температура включения каталитической реакции для образцов Pd/Al2O3 со слоями толщиной 1,25 нм ниже, чем для чистых палладиевых пленок, однако ее значение не ниже, чем для кон-трольного образца (256 °С для СО и 264 °С для C3H6) . Одновременно температура включения каталитической реакции для системы Al2O3 – Pd и образцов Pd/Al2O3 со слоями толщиной 5,0 нм выше по сравнению с чистыми пленками Pd .

Отмечено четко выраженное усиление каталитической активности для . образцов Pt/Al2O3 со слоями толщиной 1,25 нм по сравнению с чистыми пленками Pt . Температуры включения ката-литической реакции для СО составляли 460 и 511 °С для стека и чистой платиновой пленки, для C3H6 − 460 и 515 °С для стека и чистой платиновой пленки соответственно .

Показано, что стеки из благородного металла и оксида алюминия являются более термоста-бильными, чем ранее изученные стеки (благородный металл – диоксид кремния) . После измере-ния образцов, подвергнутых трехкратному термоциклированию в исследуемой атмосфере, тем-пература включения каталитической реакции для стека Pd/Al2O3 уменьшалась в среднем на 5−10 °С, в то время как для стека Pt/Al2O3 она оставалась практически неизменной . Ранее показано, что для стеков из благородного металла и диоксида кремния при тех же тестовых испытаниях тем-пература включения каталитической реакции возрастает [5] .

Конверсионные кривые для многослойных стеков Pd/Al2O3 и Pt/Al2O3 как функция их пол-ной толщины (или числа пар индивидуальных слоев) показаны на рис . 2, 3 . Отмечено, что усиле-ние каталитических свойств наблюдается для образцов, состоящих из 5 пар для стека Pd/Al2O3

Рис . 2 . Конверсия CO (а) и C3H6 (б) для стеков Pd/Al2O3 с одной (1), пя-тью (2) и десятью (3) парами слоев

Pd и Al2O3

Рис . 3 . Конверсия CO (а) и C3H6 (б) для стеков Pt/Al2O3 с одной (1), пя-тью (2) и десятью (3) парами слоев

Pt и Al2O3



Беларуси

111

и 10 пар для стека Pt/Al2O3 по сравнению с чистыми пленками палладия и платины . Причины такой зави-симости неизвестны .

Стеки Pd/Al2O3 с толщинами индивидуальных слоев 1,25 и 5,0 нм при общей толщине стека 50,0 нм ис-следованы с помощью оже-спектрометрии . Оже-профи-ли распределения легирующей примеси по глубине в стеках Pd/Al2O3 показаны на рис . 4 . Можно видеть, что стеки Pd/Al2O3 с индивидуальными слоями толщиной 5,0 нм состоят из пяти пар отдельных монослоев . Каж-дому максимуму концентрации Pd соответствует ми-нимальная концентрация кислорода в данном слое . Отметим, что для этой системы граница раздела опре-деляется более четко, чем в стеке Pd/SiO2 [4, 6] . Оже-профили для стеков Pd/Al2O3 с индивидуальной толщи-ной 1,25 нм показали однородное фазовое распределение . Таким образом, наше предложение, что формирование Al2O3 произошло между кластерами Pd, подтверждено оже-экспериментами .

На рис . 5 показаны конверсии СО (а) и C3H6 (б) как функции температуры для многослойных стеков Pd/Al2O3 со слоями толщиной 1,25 нм при нестехиоме-трических условиях эксперимента . Эти результаты нельзя сравнивать с данными рис .1, поскольку при бо-лее высоких концентрациях кислорода и скоростях га-зового потока существует тенденция уменьшения тем-пературы включения каталитической реакции и мак-

симальной величины конверсии . Вертикальные линии на этих рисунках указывают на значения температуры включения ката-литической реакции при других значениях R . Несмотря на то, что температуры включения каталитической реакции для мно-гослойных стеков Pd/SiO2 и Pd/Al2O3 приблизительно равны, имеются большие различия в абсолютных величинах конвер-сии . Как упоминалось выше, стеки Pd/Al2O3 также показывают гистерезис в конверсии, в то время как для стеков Pd/SiO2 гисте-резис не наблюдался [4] .

Полученные данные предполагают, что эффект усиления для многослойных стеков Pt/Al2O3 и Pd/Al2O3 может быть связан с существованием смеси двух различных материалов, имеющих нанометровые размеры зерен . Эффект усиления по-видимому включает в себя структурную и электронную составляющие . Структурная составляющая определяется нанометровыми раз-мерами зерен и высокой удельной поверхностью частиц благо-

Рис . 5 . Конверсия CO (а) и C3H6 (б) для стеков Pd/Al2O3 с толщиной индиви-дуального слоя 1,25 нм . Скорость нагрева 4 °C/мин, R = 0,175

Рис . 4 . Оже-профили распределения легирующей примеси по глу-бине в стеках Pd/Al2O3 с толщиной индивидуального слоя 5,0 (а)

и 1,25 (б) нм



Беларуси

родного металла . Электронная составляющая основывается на прямом обмене электронами между частицами диэлектрика и металла в соответствии с моделью электронного взаимодей-ствия, представленной в [9] .

Заключение. Исследованы многослойные стеки Pd/Al2O3 и Pt/Al2O3, которые формирова-лись последовательным ВЧ-распылением соответствующих мишеней . Толщина индивидуаль-ных слоев составляла 1,25 и 5,0 нм и соответствовала островковой и протяженной структуре пленки . Показано, что многослойные стеки с толщиной индивидуальных слоев 5,0 нм состоят из отдельных слоев с четкими границами раздела . Многослойные стеки с толщиной индивидуаль-ных слоев 1,25 нм имеют однородное фазовое распределение и состоят из частиц благородного металла, имеющих нанометровые размеры . Можно предположить, что эффект каталитического усиления включает в себя структурную и электронную составляющие .


1 . Jones E. In: Solid State Gas Sensors / P . T . Mosely and B . C . Tofiel (Eds .) . A . Hilger, Bristol, UK, 1987 .2 . Zanini M., Visser J. H., Rimai L. et al. // Sensors and Actuators A . 1995 . Vol .48 . P . 187−192 .3 . Khatko V., Logothetis E., Soltis R. et al. // Proc . Int . Conf . on Sensors & Transducers (MTEC 2000), February 16−17,

2000, Birmingham, UK, 2000 . Vol . 1 . P . 10 .4 . Khatko V., Logothetis E., Soltis R. et al. In: Advanced microsystems for automotive application 2000 / S . Kruger,

W . Gessner (Eds .) . Springer, Berlin, 2000 . P . 27−37 .5 . Khatko V., Soltis R, McBride J. // Proc . 9th Int . Fair and Congress for Sensors, Transducers & Systems (SENSOR 99),

May 18−20, 1999, Nürnberg/Germany, 1999 . Vol .2 . P . 475−479 .6 . Khatko V., Soltis R, McBride J., Nietering K. // Sensors and Actuators B . 2001 . Vol . 77 . P . 548−554 .7 . Sandell A., Libuda J., Brühwiler P. A. et al. // J . Vac . Sci . Technol . 1996 . Vol . A14 . P . 1546−1551 .8 . Nepijko S. A., Klimenkov M., Kuhlenbeck H., Freund H.-J. // J . Vac . Sci . Technol . 1999 . Vol . A17 . P . 577−583 .9 . Matsushima Sh., Teraoka Y., Miura N., Yamazoe N. // Jap . J . Appl . Phys . 1988 . Vol . 27 . P . 1798−1802 .

V. V. KHATKO

Pd/Al2O3 AND Pt/Al2O3 MULTILAYER STACKS IN THERMOCATALYTIC GAS SENSORS ON SILICON

Summary

To achieve good sensitivity for the thermocatalytic gas sensors, it is important to select a catalyst that has high activity which can result from big surface area Pd or Pt catalysts . The catalytic properties of Pd/Al2O3 and Pt/Al2O3 multilayer stacks formed by successive sputter deposition of ultra-thin layers of the corresponding materials have been investigated . The thickness of the individual layers were 1 .25 nm and 5 .0 nm which corresponds to island and continuous film structures, respectively . The effects that contribute to the enhanced catalytic properties of the Pd/Al2O3 and Pt/Al2O3 systems are discussed as well .



Беларуси

113


УДК 537.8 : 517.958

В. Т. ЕРОФЕЕНКО 1, В. Ф. БОНДАРЕНКО 2

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ДИПОЛЕЙ

С КОМПОЗИТНЫМ ЭКРАНОМ1Белорусский государственный университет,

2Высший государственный колледж связи


Введение. В последнее время значительные усилия исследователей направлены на изучение электродинамических свойств композитных материалов различных типов [1] . Для адекватного описания композитов используются математические модели биизотропных материалов, в част-ности киральных материалов и метаматериалов [2–4] . Расчет электромагнитных экранов, вы-полненных из композитных материалов, в настоящее время является актуальной технической задачей . Экраны используются для решения проблемы электромагнитной совместимости слож-ных технических устройств радиотехники и электроники, а также для защиты чувствительных приборов от воздействия внешних помехонесущих электромагнитных излучений [5–7] . Для мо-делирования композитных экранов, представляющих собой однородную плоскую матрицу, со-, со- со-держащую большое число случайно распределенных мелких неоднородностей с различным хи-мическим составом, используется математическая модель биизотропных экранов . Биизотроп-ный материал характеризуется комплексными диэлектрической и магнитной проницаемостями и параметрами киральности .

Актуальной проблемой является создание искусственных биизотропных материалов [8], экраны из которых обладают уникальными свойствами экранирования . В частности, метамате-риалы могут быть использованы для конструирования плоских линз со свойствами фокусиров-ки полей [9, 10] .

Важными для исследований являются проблемы защиты информации, связанные с утечкой конфиденциальной информации посредством побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) [11, 12] . Обработка и передача информации в технических системах осуществляются с помощью возбуждения сигналов в виде токов или напряжений на электродах и проводниках малых разме-ров . Импульсы токов в элементах техники возбуждают высокочастотные электромагнитные поля ПЭМИ, распространяющиеся в окружающее пространство на большие расстояния . Моде-лями элементарных источников ПЭМИ являются электрический и магнитный диполи [13–15] . Одним из способов защиты информации от утечек являются экраны, ослабляющие или преоб-разующие информационные излучения . В связи с этим конструирование технических экранов из композитных материалов является актуальной задачей .

В данной работе получено аналитическое решение краевой задачи проникновения через экран электромагнитного поля электрического и магнитного диполей, расположенных возле би-изотропного плоского экрана . Решение задачи реализовано численно . Исследованы механизмы преобразования полей диполей при прохождении через экраны различных типов, в частности рассмотрены киральные экраны из метаматериалов .

Постановка задачи. В пространстве 3R с электрической и магнитной проницаемостями 0 0,ε µ размещен экран (0 , , )D z x y< < ∆ −∞ < < ∞ толщины ∆, ограниченный плоскостями

раздела сред 1 2( 0), ( ) .z zΓ = Γ = ∆ Он выполнен из биизотропного однородного материала



Беларуси

114

с электромагнитными комплексными параметрами 0 0, , , ,r r r rG G c Z Z cε = ε ε µ = µ µ = = с −скорость света . В полупространстве 1( 0, , ),D z x y< −∞ < < ∞ в точке 1(0,0, ), 0,O h h− > распо-ложен точечный источник, состоящий из суммы электрического и магнитного элементарных ди-полей, ориентированных вдоль оси Oz . Поле источника определяется формулами [14]

0 01 1 1 0 01 1 1 0

00 01 1 1 0 01 1 1 0

0

( , , ; ) ( , , ; ),

( ( , , ; ) ( , , ; )),

E Am r k Bn r kkH An r k Bm r k

i

= θ ϕ + θ ϕ

= θ ϕ + θ ϕωµ

(1)

где 1 1( , , )r θ ϕ − сферические координаты с началом в точке 1O , 0 / , 2k c f= ω ω= π − круговая ча-

стота поля; ,A B − постоянные, физические размерности [ ]мBA = , [ ]

мBB = .

При 0, 0A B= ≠ имеем электрический диполь, при 0, 0A B≠ = − магнитный диполь . Элек-

трический момент электрического диполя 00 0 0 3

0

, 4 ,zB lIp p e p l

kε

= = π = −ω

длина линейного про-

водника, I − полный ток в проводнике, [ ]0 A м сp = ⋅ ⋅ . Магнитный момент магнитного диполя

0 0 ,zm m e= 2

0 020

4 ,Am R I Ikπ

= = πµ −ω

полный ток кругового проводника, R − радиус кругового

тока, [ ]3

0 2

кг мс А

m ⋅=

⋅ .

В результате взаимодействия первичного поля (1) с экраном D образуются результирую- щие электромагнитные поля: в области 1D − отраженное поле 1 1,E H′ ′

и суммарное поле 1 0 1 1 0 1, ;E E E H H H′ ′= + = +

в слое D −поле ,E H

; в полупространстве 2 ( , , )D z x y> ∆ −∞ < < ∞ образуется поле 2 2, ,E H

прошедшее через экран D .Задачу взаимодействия поля (1) с экраном сформулируем в виде краевой задачи дифракции

для уравнений Максвелла .Краевая задача 1. При заданном поле (1) требуется определить поля 1

1 1 1 1, ( ) ( );E H C D C D′ ′∈

1

2 2 2 2, ( ) ( );E H C D C D∈

1, ( ) ( )E H C D C D∈

, для которых выполнены: уравнения поля

1 0 1rot ,E i H′ ′= ωµ

1 0 1rot ,H i E′ ′= − ωε

в 1D ,

2 0 2rot ,E i H= ωµ

2 0 2rot ,H i E= − ωε

в 2D , (2)

rot ( ), rot ( )E i H ZE H i E GH= ω µ + = − ω ε +

в D ,

граничные условия сопряжения на плоскостях jΓ

11( ) 0E Eτ τ Γ− =

, 1

1( ) 0,H Hτ τ Γ− =

2

2( ) 0,E Eτ τ Γ− =

2

2( ) 0H Hτ τ Γ− =

, (3)

условия излучения на бесконечности

1 20 1 0 2lim 0, 0; lim 0,

r

E Er ik E z r ik E zr r→∞

′∂ ∂′− = < − = > ∆ ∂ ∂

, (4)

где r − радиальная координата .Решение краевой задачи. Для аналитического решения задачи (2)−(4) будем использовать

цилиндрическую систему координат O zρϕ . В нашем случае задача имеет осевую симметрию, так как дипольный источник ориентирован вдоль оси Oz . Воспользуемся осесимметричными базисными цилиндрическими полями вида [14]

( ) ( )010 0 1( , , ; , ) ( ) ,v zM z k J e eλ

ϕρ ϕ λ = λρ

(5)



Беларуси

115

( ) ( )020 0 0 1 0

0

1( , , ; , ) ( ( ) ( ) ( ) ) ,v zzM z k v J e J e e

kλ

ρρ ϕ λ = ± λ λρ + λ λρ

где λ − числовой параметр, 2 20 0( )v kλ = λ − при 0 ,kλ ≥ 2 2

0 0 0( ) при , 0 ;v i k kλ = − − λ > λ ≤ λ < ∞ , , ze e eρ ϕ − орты цилиндрической системы координат, ( )mJ ⋅ − функция Бесселя .

Представим решение задачи (2)−(4) через базисные поля (5) в интегральном виде

( ) ( )1 22 2 0 2 0

0

( ) ( ) ,E x M y M d∞

− − = λ + λ λ ∫

( ) ( )2 12 0 2 0 2 0

0

( ) ( ) , ,H h x M y M d z∞

− − = λ + λ λ > ∆ ∫

(6)

( ) ( )1 21 1 0 1 0

0

( ) ( ) ,E x M y M d∞

+ + ′ = λ + λ λ ∫

( ) ( )2 11 0 1 0 1 0

0

( ) ( ) , 0,H h x M y M d z∞

+ + ′ = λ + λ λ < ∫

(7)

где 00 0 0 0

0 0

1 , ; ( ), ( )j jkh Z x y

i i= = = µ ε λ λ −

ωµ Ζфункции, подлежащие определению .

Первичное поле (1) также представим в интегральном виде, выражая сферические поля через цилиндрические поля с использованием теорем сложения [14, 16 ] . Имеем

( ) ( )1 20 0 0

0

( ) ( ) ,E a M b M d∞

− − = λ + λ λ ∫

( ) ( )2 10 0 0 0

0

( ) ( ) ,H h a M b M d∞

− − = λ + λ λ ∫

(8)

где ( )0

2

20 0

( ) ( ), ( ) ( ), ( )( )

v hia Ac b Bc c ek v

− λλλ = λ λ = λ λ = −

λ .

Поля (6), (7) удовлетворяют уравнениям (2) и условиям на бесконечности (4) .Удовлетворим граничным условиям (3) с использованием нелокальных граничных условий

для биизотропного экрана [17], которые связывают поля 1 1 2 2, , ,E H E H

по обе стороны экрана D и эквивалентны граничным условиям (3) . Вычислим подыинтегральные функции интегралов (6), (7) [18]:

1 11 0 0 14 22 0 12 0 13 21

0 12 0 13 11 11 0 0 14 12

1 0 31 0 34 22 0 0 32 33 21

0 0 32 33 11 0 31 0 34 12

2 1( ) ( ) ( )2

[( ) ( ) ] ,2( ) [( ) ( ) ]

1( ) ( ) ,2

x A h v A Q v A h A Q D aD

v A h A Q A h v A Q b

y iZ A v A Q iZ v A A Q aD

iZ v A A Q iZ A v A Q D b

λ = + − + − + + + − +

λ = + − + +

+ + − + −

(9)

2 22 12

2 11 21

2( ) ( ),

2( ) ( ),

Gx aQ bQDGy bQ aQD

λ = −

λ = − (10)

где

( )0 ,vG e λ ∆= 0

11 11 0 0 14 41 440

,iZQ A h v A A Av

= + + + 12 0 12 0 13 0 42 430

1 ,Q v A h A iZ A Av

= + + +



Беларуси

116

21 21 0 24 0 31 0 34

0

1 ,Q A h A iZ A v Av

= + + + 022 22 23 0 0 32 33

0

.hQ A A iZ v A Av

= + + + , (11)

011 22 12 21 0

0

, vD Q Q Q Q vk

= − = ;

11 1 2 2 1( ),A p p C p C= − 1 212 2 1 1 2

1 2

,q qA p p S p Sl l

= −

13 0 1 2( ),A Z p C C= −

2 114 0 2 1

2 1

,q qA Z p S Sl l

= −

1 2

21 2 1 1 21 2

,l lA p p S p Sq q

= −

22 1 2 2 1( ),A p p C p C= −

2 123 0 2 1

2 1

,l lA Z p S Sq q

= −

24 0 1 2( ),A Z p C C= − 1 2

31 2 10

( ),pp pA C CZ

= −

1 2 1 232 1 2

0 1 2

,pp p q qA S SZ l l

= −

33 1 1 2 2( ),A p p C p C= − 2 1

34 2 2 1 12 1

,q qA p p S p Sl l

= −

1 2 1 241 1 2

0 1 2

,pp p l lA S SZ q q

= −

1 2

42 2 10

( ),pp pA C CZ

= − 2 143 2 2 1 1

2 1

,l lA p p S p Sq q

= −

44 1 1 2 2( ),A p p C p C= − 0ch( ),j jC k v= ∆ 0sh( ),j jS k v= ∆

,j

jj

vl

k= ,j

j j

gqk g

= ,r r r rg Z G= ε µ − 1 ,2j jg f a= − (12)

( ),r ra i G Z= − 0( 1) , 1, 2;jjf f j= − = 2

0 01 ( ) , 0 arg ,4r r r rf G Z f= ε µ − + ≤ < π

1 ,j rr j

gp i Zg

= − µ

0

,kλ

λ = 1 2

1 .pp p

=−

21 , 0 arg ,2j j jk g a af k= + + ≤ < π 2 2 , arg .

2 2j j jv k vπ π= λ − − ≤ <

Получено аналитическое решение (6), (7), которое определяется формулами (9)−(12), спра-ведливыми для любых комплексных чисел , , ,r r r rG Zε µ .

Фокусировка поля диполей. В качестве материала биизотропного экрана D выберем мате-риал, для которого , ; , ,r r r rG i Z i= κ = κ κ ε µ − действительные числа . Вычислим величины (12): 2

00, , , .r r ja g f g k g= = ε µ + κ = =Потребуем

2 1r rg = ε µ + κ = , (13)

тогда ( )0 1 2 0 1 2 11, 1, 1, 1, , 1, 1, 1 ,j jr

if k g g v v q q p= = = − = = = − = = − + κµ

2 (1 ),r

ip = − κµ

,2

rip µ=

1 2(1 ) ( ),2 r rip p p+ = ε + µ 0 .jl v=

Формулы для функций (11) упрощаются

12 21 11 22 1 22

0 0

0, 2( (1 ) ),

ch( ), sh( ), .

Q Q Q Q Q C ip p p SC v S v D Q

= = = = = − +

= ∆ = ∆ = (14)



Беларуси

117

Введем параметр фокусировки

11 ( ),2 r rτ = + ε + µ (15)

тогда 0 0(2 (exp(2 ) 1))exp( ) .Q v v= + τ ∆ − − ∆В дальнейшем рассмотрим метаматериал, когда ( 0)r

∧ ∧µ = −µ µ > . Параметры (0 ),τ ≤ τ < ∞ ,∧µ ∆ будем считать основными параметрами экрана D . Учитывая (13), (15), определяем

2, 2( 1), ( 1) 2 .r r

∧ ∧ ∧ ∧µ = −µ ε = µ + τ − κ = ± µ − + τµ (16)

Если 1,τ ≥ тогда 0, 0r rε > µ < (имеем один раз левостороннюю среду) . В случае 0 1≤ τ < рассмотрим два варианта: 1) 2(1 ) ,∧− τ < µ тогда из (16) следует 0, 0r rε > µ < , т . е . среда экрана один раз левосторонняя; 2) 0 2(1 ),∧< µ < − τ тогда 0, 0r rε < µ < , т . е . среда экрана дважды лево-сторонняя .

Первичное поле (8), падающее на экран D, излучается источником, который расположен на плоскости .z h= − На плоскости источника имеем

( 1) ( 2)0 0 0

0

( ) .z h z h

E a M b M d∞

− −

=− =−= + λ∫

Электрическое поле (6), прошедшее через экран D, c учетом (10), (14) определяется формулой

0

0

( 1) ( 2)2 0 0

0

2 ( 1) ( 2)0 0

20

2 ( )

( ) .1 ( 1)

2

v

v

GE a M b M dQ

de a M b Me

∞− −

∞∆ − −

∆

= + λ =

λ= +

τ+ −

∫

∫

(17)

Как известно, потоки электромагнитной энергии, излучаемые из источника 1O , могут фоку-сироваться в области 2D . Вычислим поле (17) на плоскости фокуса fz h= :

0

0

2 ( 1) ( 2)2 0 0

20

( ) .1 ( 1)

2f f

v

z h z h v

dE e a M b Me

∞∆ − −

= = ∆

λ= +

τ+ −

∫

На основании структуры полей (5) имеем соотношение

( ) ( ) ( ) ( )1 , 2 1 , 20 0 0exp( ( ))

ffz h z h

M M v h h− − − −

= =−= − +

.

В результате

0

0

( 2 ) ( 1) ( 2)2 0 0

20

( ) .1 ( 1)

2

f

f

v h h

z h v

dE e a M b Me

∞− + − ∆ − −

= ∆

λ= +

τ+ −

∫

Для вычисления fh потребуем 2 0,fh h+ − ∆ = тогда 2 .fh h= ∆ − При условии 0 h< < ∆ сле-дует, что точка фокуса (0,0, )f fO h находится за экраном в полупространстве 2D на расстоянии

h∆ − от экрана .Получена формула

0

( 1) ( 2)2 0 0

20

( ) .1 ( 1)

2fz h z h v

dE a M b Me

∞− −

= =− ∆

λ= +

τ+ −

∫

Устремим параметр фокусировки к нулю, полагая 0τ = , тогда

( 1) ( 2)2 0 0 0

0

( ) .fz h z h z h

E a M b M d E∞

− −

= =− =−= + λ =∫



Беларуси

118

Это означает, что в предельном случае источник первичного поля расположен в точке .fOДля экрана с параметрами r rG Z= = χ , χ − действительное число, имеем аналогичные фор-

мулы

,r∧µ = −µ 22( 1), ( 1) 2r

∧ ∧ ∧ε = µ + τ − χ = ± µ − + τµ .

В качестве фокусирующего параметра можно выбрать комплексное число τ , приближающе-еся к нулю . В этом случае ,rε χ − комплексные величины .

Вычислительный эксперимент. Первичное поле (1), падающее на экран D, может быть представлено через элементарные функции . В цилиндрической системе координат O zρϕ для компонент поля имеем достаточно простые расчетные формулы

0 10 2

0 1 0 1 1

1 ,( )

ik riE A ek r k r rϕ

ρ= − +

(18)

0 1

0 1

0 3 20 1 0 1 0 1

2 20 3 2 2

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

( ) 3 3 ,( )

1 12 ( ) ,( ) ( )

ik r

ik rz

z h iE B i ek r k r k r

B i iE z h i ek r k r k r k r k r

ρ

+ ρ= − −

= − + + + − − ρ

(19)

( )221 .r z h= ρ + +

Далее численно исследуются свойства прохождения электрического поля магнитного дипо-ля (18) ( 1, 0)A B= = через биизотропные экраны с различными вариантами материальных пара-метров . Графики на рисунках являются образующими вращения с осью симметрии Оz .

На рис . 1 изображены графики компонент поля 2E

за киральным экраном в области 2D : а − график 1 совпадает с графиком модуля функции (18); при наличии экрана поле магнитного дипо-ля ослабевает в восемь раз (рис . 1, а, график 2) . На рис . 1, б изображены графики, которые совпа-дают с графиками первичного поля (19) ( 0, 1)A B= = . Таким образом поле магнитного диполя ( 1, 0)A B= = , распространяющееся в области 1D перед экраном, при прохождении через экран в область 2D на частоте 3 ГГц преобразуется в поле электрического диполя ( 0, 1)A B= = .

Рис . 1 . Преобразование компонент магнитного диполя в компоненты электрического диполя при прохождении через экран на частоте 3ГГц: а − 1 − компонента |E0φ| магнитного диполя без экрана, 2 − компонента |E2φ| магнитного ди- магнитного ди-поля с экраном; б − 1, 2 − компоненты |E2ρ| и |E2Z| электрического диполя за экраном; параметры: f = 3·109, Δ = 0,05 м,

εr = 4, μr = 1, Gr = 0,5i, Zr = − 0,5i, h = 0,1 м, А = 1, В = 0, z = 0,4 м, |m0| = 1,7·10−13



Беларуси

119

Заметим, что в [19] на графиках показано, что на частоте 3 ГГц плоское ТЕ-поле при ортогональном падении на аналогичный экран преобразуется в плоское ТН-поле, а на частоте 4, 5 ГГц преобразуется в поле с круговой поляризацией .

На рис . 2 представлены графики поля на частоте 4,5 ГГц, прошедшего через экран с материальными параметрами, аналогич-, аналогич- аналогич-ными параметрам рис . 1 . На данной частоте присутствуют поля двух равноценных по-ляризаций . Таким образом, ТЕ-поле маг-нитного диполя в области 1D при прохож-дении через экран преобразуется в сумму ТЕ-поля 2( )E eϕ ϕ

и ТН-поля 2 2( )z zE e E eρ ρ + ,

что соответствует магнитному и электри-ческому диполям .

На рис . 3 изображена компонента 2E ϕ при прохождении поля магнитного диполя через экран со специальными предельными значениями материальных параметров, ког-да фокусирующий параметр 0, 2 .∧τ = µ = − В этом случае 4, 2, 3 , 3r r r rZ i G iε = − µ = = = (16) . В расчетном примере магнитный диполь пер-вичного поля 0E

расположен ниже экрана в точке 1(0, 0, ), 0,1 .O h h− = Сравнение графиков рис . 3 с полем магнитного диполя (18) показывает, что графики 2E ϕ полностью совпадают с полем маг-нитного диполя, расположенного выше экрана в точке (0, 0, ), 0,3f f fO h h = . Таким образом экран преобразует диполь в точке 1O в фиктивный диполь в точке fO . Заметим, что в области

fz h∆ < < интегралы (6) расходятся . Для сходимости интегралов фокусирующий параметр сле-дует выбирать близким к нулю 4( 10 )−τ = .

На рис .4 представлены графики для компонент поля магнитного диполя, прошедшего через слой, содержащий одновитковые идеально проводящие спирали, которые случайным образом

Рис . 2 . Модули компонент электрического поля 2Е

, прошед-шего через киральный экран на частоте 4,5 ГГц: 1 − |E2φ|, 2 − |E2ρ|, 3 − |E2Z|; параметры: f = 4,5·109, Δ = 0,05 м, εr = 4, μr = 1, Gr = 0,5i, Zr = − 0,5i, h = 0,1 м, А = 1, В = 0, z = 0,4 м, |m0| =

0,5·10−13

Рис . 3 . Графики модуля компоненты E2φ поля магнитного диполя с экраном из кирального метаматериала для сече-ний: а − z = 1,1; б − z = 0,35; z = 0,4; параметры: f = 3·108, Δ = 0,2 м, εr = −4, μr = 2, Gr = 3i, Zr = 3i, h = 0,1 м,

А = 1, В = 0



Беларуси

распределены внутри слоя с плотностью 50 спи-ралей в кубическом дециметре . Параметры:

6,4 ммa = − радиус витка спирали; 13 ммh = −высота спирали; 0 0,5 ммR = − радиус провода . Эффективные материальные параметры биизо-тропного слоя из спиралей определены в [20] . Сравнение графика 1 на рис . 4 с графиком 1 на рис . 1, а показывает, что ТЕ-поле магнитного диполя при прохождении через слой ослабе- вает, но появляется дополнительное ТН-поле

2 2 z zE e E eρ ρ + .Заключение. Сформулирована краевая зада-

ча проникновения монохроматического электро-магнитного поля электрического и магнитного диполей через плоский экран из биизотропного материала с использованием нелокальных гра-ничных условий, связывающих поля по обе сто-роны экрана .

Изучен класс экранов из киральных метаматериалов, в частности с отрицательными диэлек-трической и магнитной проницаемостями .

Методика решения задачи основана на представлении полей диполей и поля, прошедшего через экран, в виде несобственных интегралов, содержащих функции Бесселя .

Разработана программа и численно исследовано электромагнитное поле за экраном для спе-циальных значений параметров киральности . Показано, что такие экраны обладают свойствами фокусировки . Для критических значений материальных параметров экрана источник диполя перемещается на его другую сторону . Также осуществляется преобразование электромагнитно-го поля магнитного диполя в поле электрического диполя . Материал статьи может быть исполь-зован для конструирования плоских линз .

Работа выполнена по заданию 20110838 ГПНИ «Информатика и космос» .Литература

1 . Виноградов А. П. Электродинамика композитных материалов . М ., 2001 .2 . Гуляев Ю. В., Лагарьков А. Н., Никитов С. А. // Вестн . РАН .2008 . Т . 78, 5 . С . 438–457 .3 . Tie Jun Cui, Smith D. R., Liu R. Metamaterials . Theory, Design and Applications . Springer, 2009 .4 . Веселаго В. Г. // Успехи физических наук . 1967 . Т . 92, 3 . С . 517 .5 . Шапиро Д. Н. Электромагнитное экранирование . Долгопрудный, 2010 .6 . Лыньков Л. М., Богуш В. А., Глыбин В. П. и др. Гибкие конструкции экранов электромагнитного излучения . Мн ., 2000 .7 . Аполлонский С. М., Ерофеенко В. Т. Электромагнитные поля в экранирующих оболочках . Мн ., 1988 .8 . Неганов В. А., Осипов О. В. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы . 2005 . Т . 8, 1 . С . 7–33 .9 . Миттра Р. // Радиотехника и электроника . 2007 . Т . 52, 9 . С . 1051–1058 .10 . Шевченко В. В. // Радиотехника и электроника . 2009 . Т . 54, 6 . С . 696–700 .11 . Бузов Г. А., Калинин С. В., Кондратьев А. В . Защита от утечки информации по техническим каналам . М ., 2005 .12 . Хорев А. А. Способы и средства защиты информации . М ., 2000 .13 . Иванов Е. А. Дифракция электромагнитных волн на двух телах . Мн ., 1968 .14 . Ерофеенко В. Т., Козловская И. С. Аналитическое моделирование в электродинамике . Мн, 2010 .15 . Осипов О. В. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы . 2006 . Т . 9, 4 . С . 64–69 .16 . Ерофеенко В. Т. Теоремы сложения . Мн ., 1989 .17 . Ерофеенко В. Т. // Весці НАН Беларусі . Сер . фіз .-мат . навук . 2010 . 2 . С . 41–45 .18 . Ерофеенко В. Т. // Вестн . БГУ . Сер .1 . 2012 . 2 . С . 71–76 .19 . Ерофеенко В. Т., Малый С. В. // Вестн . БГУ . Сер . 1 . 2010 . 2 . С . 11–16 .20 . Ерофеенко В. Т. Демидчик В. И., Малый С. В., Корнев Р. В. // Инженерно-физический журн . 2011 . Т . 84, 4 . С . 740–746 .

V. T. EROFEENKO, V. F. BONDARENKONUMERICAL INVESTIGATION OF INTERACTION OF ELECTROMAGNETIC FIELDS OF ELECTRICAL

AND MAGNETIC DIPOLES WITH COMPOSITE SCREEN

SummaryAn analytical solution to boundary-value problem of penetration of electromagnetic fields of electrical and magnetic dipoles through

a screen from bi-isotropic material is obtained . The solution in integral form by means of Bessel functions is presented . The results of computational experiment for concrete screens from chiral metamaterials are investigated . The conditions of focusing of fields are discovered .

Рис . 4 . Прохождение поля магнитного диполя через слой c одновитковыми проводящими спиралями: 1 − |E2φ|, 2 − |E2ρ|, 3 − |E2Z|; параметры: f = 3,36·109, Δ = 0,05 м, εr = 1 + 0,8i, μr = 1 + 0,2i, Gr = −0,2, Zr = − 0,2,

h = 0,1 м, А = 10, В = 0, z = 0,4 м



Беларуси

121


УЧЕНЫЕ БЕЛАРУСИ

ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ ПЛЕСКАЧЕВСКИЙ

(К 70-летию со дня рождения)

22 октября 2013 г . исполнилось 70 лет известному ученому в области механики композиционных материалов и конструк-ций, заслуженному деятелю науки Республики Беларусь, члену-корреспонденту НАН Беларуси, доктору технических наук, про-фессору Юрию Михайловичу Плескачевскому .

Ю . М . Плескачевский родился в 1943 г . в с . Садовое Акмо-линской области Казахстана . После окончания средней школы в г . Гомеле Ю . М . Плескачевский поступил в Киевский политех-нический институт, который с отличием окончил в 1965 г . Уже в 1966 г . он работает в гомельском Институте механики метал-лополимерных систем под научным руководством академика В . А . Белого, где произошло его становление как ученого . Трудо-любие, энергичность, компетентность и целеустремленность способствовали его научной (успешно защищены в 1972 г . кан-дидатская диссертация, в 1984 г . – докторская, в 1999 г . присвое-но звание профессора, в 1991 г . избран членом-корреспондентом Академии наук БССР) и научно-организационной деятельности на все более высоких уровнях: ученый секретарь Института (с 1972 г .), заместитель директора по НИР (1979–1989 гг .), заведующий отделом (с 1989 г .), директор Института (1991–2002 гг .), вице-президент НАН Беларуси с одновременным выполнением обязанностей академика-секретаря Отделения физико-технических наук (2002–2003 гг .) . В 2003–2005 гг . Ю . М . Плескачевский – председатель Государственного комитета по науке и технологиям и член правительства Респу-блики Беларусь . В настоящее время Ю . М . Плескачевский занимает должность Председателя Президиума Гомельского филиала НАН Беларуси и одновременно на общественных началах яв-ляется заведующим кафедрой микро- и нанотехники Белорусского государственного техниче- и нанотехники Белорусского государственного техниче-и нанотехники Белорусского государственного техниче-ского университета .

Научный путь Ю . М . Плескачевского связан со многими актуальными проблемами в области металлополимерных систем, материаловедения, механики материалов и конструктивных эле-ментов . Особое место в сфере его научных интересов занимают металлополимерные системы – обширный класс материалов и конструкций, эффективность использования которых обусловле-на уникальными возможностями сочетания металлов и полимеров в композиционных системах . На основе результатов исследований им разработаны классификация металлополимерных си-стем и принципы их формирования, отраженные в энциклопедиях, учебниках и справочниках .

Выполненные Ю . М . Плескачевским и его учениками теоретические исследования в области механики деформируемого твердого тела включают систематику и решения задач о напряжен-но-деформированном состоянии слоистых, пористых и гранулированных композитов с учетом выраженной анизотропии, физической и геометрической нелинейности указанных сред . Значи-тельным вкладом в теорию межфазного и фрикционного взаимодействия являются полученные расчетные оценки адгезионной составляющей силы трения и предложенный им механизм фик-



Беларуси

122

сации внутренних напряжений при сшивании молекулярной структуры, описание терморелакса-ционных свойств (эффекта «памяти формы») радиационно-модифицированных полимеров . На уровне открытий могут быть оценены экспериментальные данные в области механики и физико-химии поверхности, включающие обнаружение эффекта растворения металлов и их восстановле-ния из окислов расплавами полимеров и кристаллизацию полимеров по радикальному механизму . Это позволило создать основополагающую концепцию механизма взаимодействия полимеров с металлами при динамическом фрикционном и статическом термоадгезионном контактировании, релаксационно-диффузионную теорию адгезии в металлополимерных системах .

Возглавляя длительное время Институт механики металлополимерных систем им . В . А . Бе-лого Ю . М . Плескачевский сумел сохранить не только его высокий рейтинг, но и развить, учиты-вая мировые тенденции механики и материаловедения, новое зарождающееся направление ме-ханики функциональных, активных и адаптивных материалов . В работах созданной научной школы показана возможность моделирования и прогнозирования свойств подобных «интеллек-туальных» материалов будущего на основе принципов синергетики, термодинамики и методов мезомеханики . Наиболее интересными и многообещающими объектами представляются адап-тивные материалы, реализующие обратные связи и имеющие свойства, близкие к биосистемам .

Полученные Ю . М . Плескачевским научные результаты изложены в более 550 публикациях, включая 16 монографий, 3 словаря и более 100 изобретений .

Юрий Михайлович много сил и энергии отдает научно-организационной, педагогической и общественной работе . В 1991 г . он поддержал инициативу организации в Белорусском государ-ственном университете транспорта кафедры «Прогрессивные методы обработки материалов», в 1994 г . там же создал и возглавил объединенную кафедру технической физики и теоретической механики . За время его работы на посту Председателя Государственного Комитета по науке и технологиям Республики Беларусь реализована идея инновационной цепи «научные исследо-вания – разработки – плановое освоение производства» .

Ю . М . Плескачевский – один из инициаторов и организаторов ряда крупных международных научно-технических конгрессов, форумов, конференций . Им были предложены и приобрели международную известность бренды «Поликом» и «Белтриб», под которыми регулярно прово-дились представительные конференции и симпозиумы . При его непосредственном участии в ка-честве председателя программного комитета впервые в Беларуси в феврале 1995 г . состоялся I Белорусский конгресс по теоретической и прикладной механике «Механика-1995», в июне 1999 г . – II конгресс «Механика-1999» . С октября 2007 г . данные конгрессы проводятся регуляр-но . С 1971 г . он неизменно выступает одним из организаторов и постоянным участником между-народных школ по физике элементарных частиц, проводимых Объединенным институтом ядер-ных исследований (Дубна) в г . Гомель . Юрий Михайлович неоднократно выступал с лекциями и докладами в научных центрах и фирмах США, ФРГ, Великобритании, Франции, Китая, Ин-дии, Республики Корея и других государств, стажировался в ФРГ и США . Установлению широ-ких международных научных связей способствует его деятельность в качестве председателя секции «Полимерные материалы» научного Совета по новым материалам Международной ассо-циации академий наук .

Столь внушительный багаж многогранных начинаний и научных достижений Ю . М . Плеска-чевского во многом обусловлен его активной жизненной позицией . Он неоднократно избирался депутатом Гомельского горсовета, три срока подряд возглавлял постоянную комиссию по делам молодежи, а в качестве члена Гомельского ГК КПБ около 20 лет руководил Гомельским отделе-нием общества советско-германской дружбы . Принимал активное участие в создании Гомель-ских отделений инженерной академии и профессорского собрания, а также Гомельского город-ского клуба директоров . В 1981 г . в качестве первого председателя Республиканского совета по НИР в области ресурсосбережения и снижения материалоемкости производства он поднял эти проблемы на уровень государственной политики . В начале 90-х годов прошлого века руководил разработкой концепции экономического развития постчернобыльской Гомельщины . Ю . М . Пле-скачевский был инициатором формирования и первым научным руководителем Гомельской ре-гиональной научно-технической программы, руководил рядом государственных программ фун-



Беларуси

даментального и научно-технического характера . По указу Президента Республики Беларусь в 2004–2005 гг . являлся председателем Республиканской тендерной комиссии по закупке меди-цинской техники, что позволило существенно улучшить оснащение медицинских учреждений и обеспечить значительную экономию бюджетных средств . Юрий Михайлович и сейчас активно и плодотворно работает в качестве научного руководителя ряда заданий государственных про-грамм научных исследований, реализуемых академическими институтами и вузами Беларуси .

В настоящее время научная школа Ю . М . Плескачевского насчитывает 7 докторов и 11 кан-дидатов наук . В работах учеников проведены систематизированные исследования на стыке ряда наук: механики, физики, биологии, физико-химии и инженерии поверхности, что позволило раз-вить важные фундаментальные и прикладные аспекты в материаловедении и трибологии .

Ю . М . Плескачевский − основатель и главный редактор журнала «Материалы . Технологии . Инструменты», издаваемого с 1996 г ., им инициировано издание журналов «Новости науки и технологий», «Вестник Белнефтехима», ежегодника «Проблемы современного материаловеде-ния» . Одновременно Юрий Михайлович заместитель главного редактора международного науч-но-технического журнала «Механика машин, механизмов и материалов», член редколлегий жур-налов «Доклады НАН Беларуси», «Известия НАН Беларуси . Серия физико-техни ческих наук», «Механика композитных материалов» (Латвия) и др .

Научные и общественные заслуги Ю . М . Плескачевского отмечены премиями НАН Беларуси (2007 г .), Ленинского комсомола в области науки (1973 г .) и ВЦСПС (1983 г .), орденами «Знак Почета» (1979 г .) и «Отечества III степени» (2002 г .), международной премией им . академика В . А . Коптюга (2010 г .), в июне 2013 г . Указом Президента Республики Беларусь ему присвоено звание «Заслуженный деятель науки Республики Беларусь» за многолетний плодотворный труд, образцовое выполнение служебных обязанностей и выдающиеся достижения в области науки .

Разносторонние способности Юрия Михайловича проявили себя в таких областях как гео-физика, нефтехимия и палеонтология . Он обладает прекрасными человеческими и профессио-нальными качествами: отзывчивость, трудолюбие, компетентность, принципиальность и взве-шенность гражданской позиции . Его ученики говорят, что работать с Юрием Михайловичем не просто, но интересно и перспективно, так как он заряжает своей энергетикой, обладает большим заделом идей и знаний и не боится тернистых дорог .

Отделение физико-технических наук, редколлегия журнала, коллеги и ученики поздравляют Юрия Михайловича Плескачевского с юбилеем, желают крепкого здоровья, профессиональных и творческих успехов, счастья и удачи во всех начинаниях .



Беларуси

124


РЕФЕРАТЫ

УДК 620.1+621.7

Гордиенко А. И. Физико-технический институт НАН Беларуси – традиции, достижения, перспек-тивы // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 5–11 .

Приведены результаты работ последних лет, выполненных в Физико-техническом институте НАН Беларуси . Рассмотрены примеры научных результатов по основным направлениям исследований (мате-риаловедению, обработке металлов давлением, модификации поверхности материалов при высокоэнер-гетическом воздействии), ставших основой для создания практически значимых инноваций . Особое внимание уделено разработкам, внедренным в реальном секторе экономики .

Ил . 2 . Библиогр . – 7 назв .

УДК 621.74

Марукович Е. И., Пумпур В. А. Институт технологии металлов НАН Беларуси: от фундаментальных исследований к инновационным разработкам // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2013 . 4 .

С . 12–17 .

Представлены основные результаты фундаментальных и прикладных научных исследований, а так-же инновационные разработки ученых Института технологии металлов НАН Беларуси . Кратко описа-ны свойства новых литейных материалов и изделий, преимущества технологий литья и соответствую-щих технологических процессов, созданных с целью внедрения в Республике Беларусь и за рубежом . Приводятся примеры и результаты наиболее успешного сотрудничества с белорусскими и зарубежны-ми предприятиями и организациями .


УДК 620.179.111

Мигун Н. П., Новиков С. А. Развитие неразрушающего контроля и технической диагностики в Ин-ституте прикладной физики НАН Беларуси // Весці НАН Беларусі . Сер . фіз .-тэхн . навук . 2013 . 4 .

С . 18–27 .

Приведены данные фундаментальных и прикладных исследований, полученные в Институте при-кладной физики НАН Беларуси в области физики неразрушающего контроля . Представлены результаты важнейших практических работ по созданию и внедрению инновационных разработок в области нераз-рушающего контроля и технической диагностики, а также изложены ближайшие перспективы развития этого важного для республики направления научной и научно-технической деятельности .


УДК 621.74:669.714

Марукович Е. И., Стеценко В. Ю., Баранов К. Н. Влияние охлаждения отливок из заэвтектического силумина на их структуру при вертикальном центробежном литье // Весці НАН Беларусі . Сер . фіз .-

тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 28–31 .

Исследовано влияние интенсивностей охлаждения стальных литейных форм и внутренних поверх-ностей отливок из силумина АК15МЗ при вертикальном центробежном литье на их структуру без ис-пользования модификаторов . При охлаждении литейной формы с внутренним диаметром 135 мм и тол-щиной стенки 7 мм водой с расходом 0,42 м3/ч получаются отливки с эвтектической модифицированной микроструктурой . При охлаждении литейной формы с внутренним диаметром 90 мм, толщиной стенки



Беларуси

125

5 мм водой с расходом 0,42 м /ч и внутренней поверхности отливки водой в количестве 2,5·10–4–5 .10–4 м3 получаются биметаллические заготовки с полностью модифицированной микроструктурой .


УДК 621.1

Есьман Р. И., Марукович Е. И. Расчет теплопереноса в контактной зоне отливки и формы // Весцi НАН Беларусi . Сер . фіз .-тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 32–36 .

Предлагается математическая модель расчета полей температур, температурных напряжений и де-формаций в отливках прямоугольного и цилиндрического сечений . Исследован механизм теплоперено-са в контактной зоне отливки из высокопрочных алюминиевых сплавов и металлической формы . Раз-работаны расчетные методы определения теплообмена при взаимодействии отливки и формы в много-слойных покрытиях и газовоздушной прослойке на начальной стадии затвердевания литых заготовок . Получено численное решение задачи нестационарных температурных полей и температурных напряже-ний в отливке и форме в процессе их термодеформационного взаимодействия .

Разработанная математическая модель применяется для расчетов затвердевания и охлаждения вы-сокопрочных отливок цилиндрического и прямоугольного сечений . Решение реализовано численными методами по разработанным алгоритмам .

Библиогр . – 2 назв .

УДК 537.622:538.216.2

Федосюк В. М. Магнитные наноматериалы и наноструктуры // Весці НАН Беларусі . Сер . фіз .-тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 37–42 .

Дан обзор существующих в настоящее время нанострутурных магнитных материалов . Показано, что применение метода импульсного электроосаждения из одного электролита позволяет варьировани-ем его состава и условий электролиза получать наноструктурные материалы с широким спектром маг-нитных характеристик . Более подробно описаны магнитные свойства пленок гранулированных спла-вов, в которых при известных условиях реализуется суперпарамагнитное состояние, а также нанопро-волок, являющихся базовым модельным объектом изучения магниторезистивных свойств . Реализация многослойных нанопроволок со сложным периодом (так называемых спин-клапанных структур) позво-ляет достичь высоких значений чувствительности магниторезистивного элемента .

Табл . 1 . Ил . 8 . Библиогр . – 5 назв .

УДК 621.791

Поболь И. Л. Состояние и перспективы применения электронно-лучевых технологий в промыш-ленности Республики Беларусь // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 43–56 .

Рассмотрены основные направления исследований по технологическому применению электронных пучков для реализации термических и радиационных процессов в мире и Беларуси . Показано, что при-менение нерелятивистских и релятивистских потоков электронов обеспечивает значительное улучше-ние свойств обработанных материалов или изделий и дает существенные экономические преимущества перед другими технологиями выплавки чистых материалов, получения соединений, инженерии поверх-ности, стерилизации материалов и изделий и формирования у материалов новых потребительских свойств .


УДК 667.613.3:620.197.6

Шутова А. Л., Прокопчук Н. Р., Лещинская И. К., Винглинская Е. И. Влияние состава грунтовочных композиций на электрохимическое поведение систем металл – покрытие // Весці НАН Беларусі .

Сер . фіз .-тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 57–63 .

Установлено влияние состава грунтовочных композиций на защитные свойства покрытий на их ос-нове с помощью электрохимических методов: измерение стационарных потенциалов образцов без по-



Беларуси

126

крытия и с покрытием, снятие анодных поляризационных кривых, что позволило получить более пол-ное представление о коррозионных процессах, протекающих под покрытием, оценить влияние на них типа антикоррозионного пигмента и степени наполнения лакокрасочных композиций .


УДК 537.84:621.03

Баштовой В. Г., Рекс А. Г., Аль-Джаиш Таха Малик Мансур. Топологическая неустойчивость полу- ограниченной капли магнитной жидкости // Весці НАН Беларусі . Сер . фіз .-тэхн . навук . 2013 . 4 .

С . 64–69 .

Теоретически и экспериментально исследовано явление распада на части капель магнитной жидко-сти во внешнем однородном магнитном поле (топологическая неустойчивость) . Проанализирована роль отдельных механизмов, приводящих к распаду, и получены аналитические соотношения и эксперимен-тальные зависимости для критических параметров .


УДК 621.923

Акулович Л. М., Сергеев Л. Е., Бабич В. Е., Сенчуров Е. В., Шабуня В. В. Особенности технологии маг-нитно-абразивной обработки поверхности плафонов // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук .

2013 . 4 . С . 70–74 .

В результате теоретических исследований предложен математический расчет по определению тем-ператур на поверхности плафонов при МАО . Анализ теплофизической модели МАО плафонов позволил определить параметры управления температурным режимом обработки .

По результатам проведенных экспериментальных исследований установлены зависимости свето- отражательной способности Ф от величин магнитной индукции В, скорости резания Vрез, скорости ос-цилляции Vо и величины рабочего зазора δ . Определены оптимальные режимы МАО, которые обеспе-чивают высокую светоотражательную способность плафонов .

Ил .6 . Библиогр . – 8 назв .

УДК 621.039.5

Днепровская Н. М., Касюк Д. М., Лицкевич Д. Н., Рубин И. Е . Применение метода коррекции коэффици-ентов диффузии для нейтронно-физических расчетов реактора типа ВВЭР // Весцi НАН Беларусi .

Сер . фiз .-тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 75–81 .

Нейтронно-физические расчеты реакторов типа ВВЭР в диффузионном конечно-разностном при-ближении выполняются методом коррекции коэффициентов диффузии (Аскью–Такеды) . Метод позво-ляет значительно повысить точность определения потоков нейтронов при небольшом числе расчетных точек путем уточнения результирующих токов между ячейками . Токи уточняются с помощью поправок коэффициентов диффузии, учитывающих распределения потоков, полученных на предыдущих итера-циях . Для повышения устойчивости решения в работе предлагается при получении поправок использо-вать сигмоидные функции . Методика апробирована в расчетах международных тестовых задач AER-FCM-101 и AER-DYN-002 . Результаты показали заметное улучшение точности по сравнению с традиционным методом коррекции коэффициентов диффузии .


УДК 621.039.7

Днепровская Н. М., Касюк Д. М., Лицкевич Д. Н., Рубин И. Е., Циунель Е. Ю. Методика восстановления макрораспределения величин и наложения на соответствующие микрораспределения в ТВС ре-актора ВВЭР-1000 (ВВЭР-1200) с последующей визуализацией // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн .

навук . 2013 . 4 . С . 82–87 .

Макрораспределение величины в реакторе, полученное при решении в двухгрупповом диффузион-ном приближении стационарного уравнения пространственно-энергетического распределения нейтро-нов конечно-разностным методом, аппроксимируется в плане по ТВС с помощью ортогональных функ-



Беларуси

127

ций, зависящих от пространственных переменных х и у . Затем полученное разложение макрораспреде-ления накладывается на потвэльное распределение этой величины f(xj, yj), взятое из заранее насчитанной по коду ТВС-М библиотеки . При этом может учитываться и положение поглощающих стержней . Расчет коэффициентов системы ортогональных функций выполняется численным интегрированием . Данный выбор сделан на основе сравнения аналитического и численного расчетов коэффициентов системы, а также подтвержден после апробирования методики в блоке визуализации соответствующей обучаю-щей программы .


УДК 532.546.6

Сорокин В. В. Расчет параметров толстого вращающегося слоя частиц в вихревой камере// Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 88–92 .

Рассчитываются параметры толстого плотного слоя частиц, вращающегося внутри неподвижной вихревой камеры . Учтены следующие особенности процесса: слой опирается на боковые и торцевые стенки, движение частицы по стационарной круговой орбите обеспечивается равнодействующей сил реакции опоры (стенки и других частиц) и гидродинамического сопротивления, скорость вращения слоя определяется балансом момента сил трения о стенки и момента импульса, переданного слою от жидкости, квазижидкое состояние слоя обусловлено колебаниями частиц, источником колебаний явля-ются частицы, прижатые и огибающие рельеф направляющего аппарата, размещенного на боковой стенке вихревой камеры .

Результаты расчета: скорости вращения слоя, пористости, перепадов давления, размеров устройств, свойства устойчивости удовлетворительно соответствуют имеющимся качественным и количествен-ным экспериментальным данным и данным визуализации .

Результаты могут быть использованы при разработке устройств передела зернистых сред, жидко-стей, а также в некоторых типах ядерных реакторов с топливом в форме микротвэлов .


УДК 621.31:621.56

Пашинский В. А., Бутько А. А., Молокович Е. М., Петровская В. В. Влияние изменения климата на по-требление тепловой энергии в г. Минск // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз-тэхн . навук . 2013 4 . С . 93–100 .

Представлены результаты исследований изменения средней температуры и продолжительности отопительного периода в г . Минск с 1980 по 2011 гг . Результаты исследования средней температуры за отопительный сезон с нормативными значениями показывают, что в настоящее время они завышены на 0,56–092 °С, а продолжительность отопительных сезонов на 11–23 сут .


УДК 658.512.22.011.56:004(076.5)

Бородуля А. В., Соловьев А. Н., Напраcников В. В., Мирзаванд М. А. Построение спектра конечно-эле-ментных моделей для принятия рациональных инженерных решений при ремонте морских плат-

форм // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 101–107 .

Рассматриваются особенности построения параметрических моделей компонентов конструкций морских платформ и систем для их ремонта, а также результаты анализа этих конструкций . Приводится возможная схема связи пользовательского комплекса оптимизационных вычислений с существующими программами конечно-элементного анализа .

Табл .1 . Ил .10 . Библиогр . – 3 назв .

УДК 53.087.92-621.382

Хатько В. В. Многослойные стеки Pd/Al2O3 и Pt/Al2O3 в термокаталитических газовых сенсорах на кремнии // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 108–112 .

Исследованы каталитические свойства многослойных стеков Pd/Al2O3 и Pt/Al2O3, сформированных последовательным осаждением ультратонких слоев соответствующих материалов . Толщина индивиду-альных металлических и оксидных слоев составляла 1,25 и 5,0 нм и соответствовала островковой и про-



Беларуси

тяженной структуре пленки соответственно . Эффекты, отвечающие за усиление каталитических свойств систем Pd/Al2O3 и Pt/Al2O3, обсуждаются .


УДК. 537.8 : 517.958:

Ерофеенко В. Т., Бондаренко В. Ф. Численное исследование взаимодействия электромагнитных по-лей электрического и магнитного диполей с композитным экраном // Весцi НАН Беларусi . Сер . фiз .-

тэхн . навук . 2013 . 4 . С . 113–120 .

Получено аналитическое решение краевой задачи проникновения электромагнитных полей элек-трического и магнитного диполей через экран из биизотропного материала . Решение представлено в интегральном виде через цилиндрические функции . Исследованы результаты компьютерного экс-перимента для конкретных экранов из киральных метаматериалов . Выявлены условия фокусировки полей .




Беларуси

СОДЕРЖАНИЕcsl.bas-net.by/xfile/v_fizt/2013/4/04v8s6.pdf · Гордиенко А. И....

Documents