авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 21 |

«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК Сборник научных трудов VIII Международной конференция студентов и молодых ученых ...»

-- [ Страница 4 ] --

Рентгентгеноструктурные исследование (РСА) образцов выполняли с помощью дифрактометра ДРОН - 7 с автоматическим сканированием рентгеновского пучка в интервале углов 20 - 165 градусов в СoK - излучении. Использование основных дифракционных максимумов с применением известных методик позволило рассчитать параметры решетки, параметры дальнего атомного порядка и внутренние микронапряжения II рода [2]. Электронномикроскопические (ПЭМ) исследования проводили на приборе ЭМ-125. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Для исследований были приготовлены две партии образцов: 1. магнетронное напыление при нагретой до температуры 600 К с помощью разогретой спирали подложки (образцы I типа) и 2. магнетронное напыление при нагретой до температуры 600 К подложки с последующей ионной имплантацией ионов Al и B.

Результаты исследований 3.

Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что в составе покрытия первого типа находится упорядоченный интерметаллид Ni3Al со сверхструктурой L12 с параметром решетки 3,578 и фаза NiAl c В2 структурой. В покрытии второго типа после ионной имплантации дополнительно обнаружена фаза AlB12. (рис.1) В целом, во всех покрытиях параметр решетки фазы Ni3Al несколько завышен по сравнению с известными данными из литературы - 3,57 [3]. По всей видимости, это обусловлено наличием примесей внедрения, которые присутствуют в покрытии, что подтверждается данными микроанализа. Как правило, в них содержится 2-3 % углерода. В исследованных образцах, образовался интерметаллид Ni3Al, имеющий упорядоченную структуру. Об этом свидетельствует наличие сверхструктурных рефлексов рентгенограмме. По соотношению основных и сверхструктурных рефлексов определили параметр дальнего атомного порядка в этих образцах. Необходимо отметить, что параметр дальнего атомного порядка ниже 1. Это характерно для интерметаллидных покрытий, полученных методами магнетронного напыления [3].

Данные рентгеноструктурного анализа подтверждают исследования, проведенные методом просвечивающей электронной микроскопии. На рис. 1 приведены электронно-микроскопические изображения для покрытий первого и второго типов. Видно, что в покрытии первого типа присутствуют две фазы: основная Ni3Al, содержание которой в покрытии составляет 98% и фаза NiAl содержание которой около 2%. Частицы фазы Ni3Al представляют собой достаточно крупные частицы (150 нм). В стыках зерен и по границам располагаются зерна округлой формы и представляют собой фазу NiAl.





Средний размер зерен этой фазы для покрытия первого типа 50 нм.

Рис.1. Электронно-микроскопическое изображение покрытий Ni3Al первого и второго типов:

а, г - светлопольные изображения, б, д - микродифракционные картины, в, е - схемы их индицирования. - Ni3Al (111);

– сверхструктурные рефлексы Ni3Al;

–NiAl (111), –AlB12 ( 4 20 ) РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Рис.2. Распределения зерен по размерам в покрытиях первого (а) и второго (б) типов. Пунктирной линией показано средний размер для определенного типа зерен, сплошной жирной линией показан средний размер по всем типам зерен В покрытиях второго типа, имплантированных ионами алюминия и бора, средний размер зерен несколько выше и составляет 210 нм для зерен Ni3Al и 75 нм для NiAl. Пластинчатые выделения фазы AlB12 располагаются по границам зерен Ni3Al. Установлено, что фаза Ni3Al представлена тремя типами зерен: бездислокационными (БДЗ), дислокационными (ДЗ), фрагментированными (ФЗ), которые различаются по размерам. Впервые такая закономерность была обнаружена 15 лет назад в работах профессора Н.А. Коневой на чистых металлах для микрокристаллов Cu, Ni и CuAlO [14]. Для нанокристаллических упорядоченных сплавов такая закономерность была обнаружена впервые.

Микротвердость интерметаллидных покрытий, измеренная для образцов всех типов, значительно отличается. Максимальное значение она имеет для покрытий с последующей имплантацией ионов Al и B (образцы II типа).

Заключение Методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии 1.

установлено, что покрытия первого типа представляют собой интерметаллид Ni3Al в частично упорядоченном состоянии c параметром порядка равным 0.63. В покрытии, кроме основной фазы присутствует фаза NiAl в небольшом количестве. Покрытия второго типа имеют в своем составе кроме фаз Ni3Al и NiAl, небольшое количество фазы AlB12.

Микротвердость покрытий увеличивается после ионной имплантации.

2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Соколов Л.Д. Сопротивление металлов пластической деформации. – М.: Металлургия, 1963. – с.

2. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электроннооптический анализ. - Москва: МИСИС. - 1994. - 328 с.

3. Ю.Р. Колобов, Е.Н. Каблов и др. Структура и свойства интерметаллидных материалов с нанофазным упрочнением. М.: Издательский дом МИСиС. - 2008. – 240 с.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАЛЛА В НАНОПОРОШКЕ АЛЮМИНИЯ, ПОЛУЧЕННOM МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА ПРОВОДНИКA Р.У. Камалов, А.В.Пустовалов Научный руководитель: к.х.н. С.П. Журавков, Томский политехнический университет, ИФВТ, 634028, Россия, г.Томск, пр.Ленина, 2А E-mail: rabo_120@mail.ru DETERMINATION OF THE CONTENT OF METAL IN NANOPOWDERS OF ALUMINIUM, OBTAINING BY THE METHOD OF ELECTRIC EXPLOSION OF WIRE R.U.Kamalov,A.V.Pustovalov Scientific Supervisor: PhD, S.P. Zhuravkov, Tomsk polytechnic university, IPET, Russia, Lenina avenue 2A, E-mail: rabo_120@mail.ru The possibility of determination of active metal content in aluminum nanopowders by digital pressure sensor is investigated. It is shown that the activity of samples under investigation depends on energy content during aluminum nanopowders production by wire explosion process.





Электрическим взрывом проводников (ЭВП) называют явление взрывообразного разрушения металлического проводника при прохождении через него импульса тока большой плотности (более 1010А/м2). Продуктами разрушения проводника являются пары и мельчайшие частицы металла, которые в определенных условиях могут взаимодействовать с окружающей средой, образуя различные химические соединения. В зависимости от состава проводника и рода газа, окружающего проводник, можно получать порошки металлов, сплавов, порошки индивидуальных химических соединений или порошки композиционных составов [1]. Нанопорошки алюминия (НП Al), получаемые методом ЭВП, успешно использовались для создания металломатричных материалов [2], а также в качестве добавки, позволяющей на порядок снизить давление прессования при получении плотных керамик на основе Al2O3 с субмикронным размером зерна [3].

В данной работы использовались НП Al, полученные методом ЭВП в атмосфере аргона при разных энергосодержаниях (e/ec). Пассивация НП Al производилась медленным напуском воздуха в течение 2- суток.

Одной из важных характеристик НП Al является содержание металлического алюминия в нанопорошке. Традиционным способом определения концентрации металлического алюминия является волюмометрический метод [4]. Несмотря на свою простоту, он имеет ряд недостатков:

– низкая точность измерения;

– отсутствие возможности, автоматической регистрации кинетики протекания реакции;

Для устранения указанных недостатков нами была разработана оригинальная установка, для определения концентрации металла в НП Al с использованием цифрового датчика давления типа РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ДМ5007. На рис. 1 изображена схема установки.

Рис 1. Схема установки Образец НП Al (около 50 мг) насыпали в пластиковую лодочку 3, которую помещали в резервуар 4 с одномолярным раствором NaOH. Внутри корпуса лодочки 3 запаяна пластина из ферромагнитного материала. После чего установку герметично закрывали посредством зажима 5. Затем лодочку с измеряемым образцом погружали в раствор NaOH посредством постоянного магнита. При этом металлический алюминий взаимодействовал с NaOH, выделялся водород, и в объеме 2 увеличивалось давление. Датчик давления 1 преобразовывал избыточное давление в электрический унифицированный сигнал, который передавался на четырехканальный осциллограф 6 (Tektronix 2103). Молярная масса выделенного водорода рассчитывалась по уравнению Менделеева-Клайперона:

p V R T где – молярная масса выделившегося водорода;

p – давление измеренное датчиком;

V – внутренний объем установки;

T – температура окружающего воздуха;

R – газовая постоянная, мл·мм.рт.ст/(моль·К) или 8,31441 Па·м3/(моль·К) или 0,08206 атм·л/(моль·К) Затем по уравнению реакции (1) рассчитываем содержание металлического алюминия в навеске и процентное содержание алюминия в образце.

x 2Al + 6NaOH + 6H2O -- 2Na3[Al(OH)6] + 3H2 (1) 54 где x – масса Al вступившего в реакцию (мг), – молярная масса выделившегося водорода рассчитанного по (1). При этом используется формула – mAl 1000 54 (мг) и процентное содержание алюминия в m* образце c Al 100 (%). Характерные осциллограммы, описывающие процессы взаимодействия Al mAl образцов НП Al с NaOH приведены на рисунке 2. Из представленных осциллограмм видно, что в первые секунды после погружения лодочки 3 с образцом НП Al в раствор щелочи наблюдался резкий рост напряжения. Это связанно с бурным протеканием реакции взаимодействия НП Al с раствором NaOH.

Условно ход реакции можно разделить на две стадии: первая стадия характеризуется бурным РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

протеканием реакции, при котором реагирует основная масса металла в образце (длительность порядка 1 3 с) и вторая стадия - медленное продолжение реакции до установления равновесного состояния (длительность около 10-15 мин).

Нами обнаружено, что при исследовании образцов НП Al с разными энергосодержаниями (e/ec) наблюдались скачки напряжения на первой стадии реакции, что объясняется разной активностью порошка (рис. 2). Участки осциллограмм, отражающие скачки напряжения имеют разную высоту, которая зависит от соотношения e/ec. Установлено, что при увеличении соотношения e/ec, возрастает и величина скачка напряжения, что можно объяснить повышенной активностью НП Al. Для проверки данного предположения в качестве образца сравнения использовали алюминиевую проволoчку (самая нижняя кривая на рис. 2). Оказалось, что активность взаимодействия проволочки со щелочью значительно ниже, чем у исследованных НП Al, из-за малой величины удельной поверхности. К достоинствам сконструированной установки можно отнести: 1) уменьшенные габаритные размеры;

2) преобразование избыточного давления в электрический унифицированный сигнал;

3) автоматическую регистрацию кинетики протекания реакции во времени.

Рис 2. Зависимость изменения напряжения на выводах датчика от времени СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Яворовский Н.А. «Получение ультрадисперсных порошков методом электрического взрыва»

2. Заяц С.В, Иванов В.В., Кайгородов А.С., Иванова О.Ф., Медведев А.И., Мурзакаев А.М.// Металло матричные композиты, полученные магнитно-импульсным прессованием механоактивированных нанопорошков алюминия. Химия в интересах устойчивого развития. 2007. Т. 15. № 2. С. 51-57.

3. Иванов В.В., Кайгородов А.С., Хрустов В.Р., Паранин С.Н., Спирин А.В.//Прочная керамика на основе оксида алюминия, получаемая с использованием магнитно-импульсного прессования композитных нанопорошков. Российские нанотехнологии. 2006. Т. 1. № 1-2. С. 201-207.

4. Практикум по общей химии/ Под ред. Е.М. Соколовской. – М.: Издательство МГУ, 1973. – С.58-63.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ПЛАЗМЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ЖАРОСТОЙКИХ ПИГМЕНТОВ ДВУОКИСИ ЦИРКОНИЯ Каренгин А.А., Побережников А.Д., Корепанова Н.П.

Научный руководитель: доцент, к.ф.-м.н. Каренгин А.Г.

Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, E-mail: karenginaa@sibmail.com PLASMA PRODUCTION OF HEAT-RESISTING PIGMENTS OF ZIRCONIUM DIOXIDE Karengin А.А., Poberezhnikov A.D., Korepanova N.P.

Scientific Supervisor: Assoc. Prof., Cand. Sci., Karengin А.G.

Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: karenginaa@sibmail.com In foundry the great bulk of casts from a steel and iron is produced in expendable sandy forms. Casts production with a pure surface (without burning-in) and the sizes which are as much as possible coming nearer to finished product, is one of the primary goals of founders. One of the most effective ways of struggle with burning-in is application antiburning-on paints on the basis of heat-resisting pigments.

Несмотря на широкое применение противопригарных красок на основе имеющихся жаростойких пигментов, операции по обрубке и очистке деталей от пригара достигают 30% общей трудоемкости изготовления отливок, а очистка отливок от пригара является операцией вредной для здоровья [1]. В связи с этим, несомненный интерес представляет плазменное получение жаростойких пигментов для создания более эффективных противопригарных красок. По результатам проведнного обзора и анализа способов плазменного получения жаростойких пигментов рекомендовано получение пигментов двуокиси циркония из диспергированных водноорганических композиций (ГВКЦ) цирконилнитрат-вода спирт и цирконилнитрат-вода-ацетон, обладающих высокой взаимной растворимостью.

На рис. 1 и 2 показано влияние содержания цирконилнитрата и спирта (ацетона) на адиабатическую температуру горения ГВКЦ.

Рис. 2. Влияние содержания цирконилнитрата Рис. 1. Влияние содержания цирконилнитрата и спирта на адиабатическую температуру горения и ацетона на адиабатическую температуру ГВКЦ (цирконилнитрат- вода-спирт). горения ГВКЦ (цирконилнитрат- вода-ацетон).

В результате проведнных расчтов показателей горения определены следующие оптимальные горючие водноорганические композиции с максимальным содержанием цирконилнитрата, имеющие адиабатическую температуру горения 1200 оС:

ГВКЦ1 (45% цирконилнитрат: 33% вода : 22% спирт).

1.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ГВКЦ2 (45% цирконилнитрат : 35,8% вода : 19,3% ацетон).

2.

На рис. 3 и 4 представлены равновесные составы газообразных и конденсированных продуктов плазменного горения соответственно ГВКЦ1 и ГВКЦ2 в воздушной плазме при Р=0,1 МПа.

Рис 3. Равновесный состав продуктов плазменного Рис 4. Равновесный состав продуктов плазменного горения горючей композиции в воздушной плазме (55% горения горючей композиции в воздушной плазме (55% Воздух : 45% ГВКЦ1). Воздух : 45% ГВКЦ2).

Из анализа составов следует, что при температурах до 2000К основными продуктами плазменного горения являются CO2 и ZrO2(c), а отсутствие сажи и незначительное количество CO и NO указывает на экологически безопасный режим горения композиций ГВКЦ1 и ГВКЦ2 в воздушной плазме с получением требуемого целевого продукта ZrO2(c). Снижение массовой доли воздуха ниже 55% приводит к появлению сажи в продуктах плазменного горения композиций.

На рис. 5 и 6 показано влияние содержания цирконилнитрата и рабочей температуры процесса плазменного горения композиций ГВКЦ1 и ГВКЦ2 на энергозатраты на получение 1 кг ZrO2(c).

Рис. 5. Влияние рабочей температуры и содержания Рис. 6. Влияние рабочей температуры и содержания цирконилнитрата в горючей композиции ГВКЦ1 на цирконилнитрата в композиции ГВКЦ2 на удельные удельные энергозатраты получения двуокиси энергозатраты получения двуокиси циркония.

циркония.

Из анализа графиков следует, что при равном выходе целевого продукта, энергозатраты на получение 1кг пигмента двуокиси циркония из ГВКЦ2 меньше на 10%, чем из ГВКЦ1.

При рекомендуемых режимах были получены опытные партии жаростойких пигментов двуокиси циркония с удельной поверхностью 25м2/г и содержанием основного вещества 99,6%, которые переданы для приготовления и испытания противопригарных красок на литейных формах при чугунном и стальном литье.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Дорошенко С. П., Дробязко В. Н., Ващенко К. И. Получение отливок без пригара в песчаных 1.

формах. М.: Машиностроение, 1978. – 206 с.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НА ДИФРАКЦИЮ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КРИСТАЛЛЕ КВАРЦА В.Ю. Ким, С.Г. Стучебров, А.С. Гоголев Научный руководитель: ст.преподаватель, к.ф.-м.н. А.Р. Вагнер Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: utopiya87@rambler.ru THE INFLUENCE OF ULTRASONIC ACOUSTIC WAVES ON THE DIFFRACTION OF X-RAYS ON A CRYSTAL OF QUARTZ Authors: V.Yu. Kim, S.G. Stuchebrov, A.S. Gogolev Scientific head: A.R. Wagner Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin ave. 30, post index E-mail: utopiya87@rambler.ru In the article are showed results of the experiment about a research of connection between parameters of the external influence and value of the diffracted x-rays. It is observed an increase of value of the diffracted x-rays.

Прогрессивные технологии в современном мире высокими темпами преобразуют конструктивные особенности приборов и техники, необходимых для упрощения жизни и труда. Совершенствование технического оснащения затрагивает, не в последнюю очередь, и современные монохроматоры рентгеновского излучения, столь необходимых в таких отраслях как медицина и неразрушающий контроль. В современном мире существует два способа монохроматизации рентгеновского излучения:

монохроматизация белого спектра тормозного излучения и монохроматизация основанная на Комптон эффекте. Низкий КПД за счет потери энергии первичного пучка в первом случае и низкочастотный диапазон работы во втором дают основания к поиску новых инновационных методов монохроматизации пучков рентгеновского излучения.

В работах [1,2] авторы продемонстрировали возможность управления интенсивности дифрагированного пучка при наложении объмного акустического и неравномерного температурного поля на пьезокристаллические монохроматоры. Авторы работ [3-4] показали возможность управления пространственно-времеными характеристиками дифрагированного излучения с помощью поверхностных акустических волн.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. В качестве источника рентгеновского излучения использовалась рентгеновская трубка РАП 160-5. Все измерения проведены при одинаковых параметрах трубки: напряжение и средний ток были 60 кВ и 1 мА, соответственно.

Излучение формировалось коллиматором диаметром 3 мм, расположенным на расстоянии 90 мм от выходного окна рентгеновской трубки, после чего падало на кристалл кварца, установленный в дистанционноуправляемом гониометре, на расстоянии 215 мм от коллиматора.

Гониометр имеет три поступательные и три вращательные степени свободы с точностью ориентации не мм хуже 0,5 и 10 мкрад, соответственно.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Рис. 1. Схема эксперимента. B – угол Брэгга, D – угол наблюдения, n – направление нормали к поверхности кристалла.

В эксперименте использовался кристалл кварца X-среза, диаметром 15 мм и толщиной 1 мм, с серебряным напылением. Исследовалось отражение от атомных плоскостей, ориентированных перпендикулярно к большой поверхности образца (10-11) с межплоскостным расстоянием d = 3,3429.

Излучение регистрировалось в симметричной геометрии Лауэ сцинтилляционным детектором (NaI), работающим в токовом режиме, на расстоянии от кристалла-монохроматора 300 мм. В качестве рабочей была выбрана L1-линия вольфрама с энергией 9,671 кэВ, для которой угол Брэгга составил величину B = 11,09° для рефлекса (10-11). Для возбуждения ультразвука в кварце использовался генератор электрических синусоидальных импульсов с возможностью плавного изменения амплитуды от 0 до 10 В и частоты от 1 Гц до 25 МГц и широкополосный усилитель (частотный диапазон от 1 до 10 МГц, усиление от 0 до 50 В).

На рис. 2 представлены результаты исследования зависимости интенсивности дифрагированного пучка от частоты подаваемого возбуждения. Частота пьезорезонансов определяется по формуле fn = ncs/(2l), где n – нечтные целые числа, l – толщина кристалла, cs – скорость распространения ультразвуковой волны в кварце порядка 5700 м/с. Как видно из рис. 2 на частотах 2,8115 и 8,4675 МГц, соответствующие первому и третьему пьезорезонансу распространения ультразвука в используемом кварцевом монохроматоре, наблюдается увеличение интенсивности дифрагированного пучка.

Рис. 2. Зависимость интенсивности дифрагированного пучка от частоты внешнего возбуждения, амплитуда э/м колебаний бала равна 50 В.

На следующем рисунке представлены результаты исследования зависимости интенсивности дифрагированного пучка от амплитуды внешнего электромагнитного воздействия на кристалл монохроматор. С увеличением напряжения электромагнитных колебаний до 40 В линейно растт интенсивность излучения в направлении дифракции.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Рис. 3. Зависимости интенсивности дифрагированного пучка от величины внешнего воздействия в условиях первого и третьего резонансов.

На рис. 4 показаны ориентационные зависимости выхода дифрагированного излучения при напряжении U = 50 В в случае резонансов и в отсутствие внешнего поля.

Рис. 4. Кривые качания.

На рис. 4 ноль соответствует углу ориентации кристалла 11,09° относительно первоначального направления излучения. Из рисунка следует, что интенсивность дифрагированного излучения превышает интенсивность без внешнего воздействия в 2 раза, причем ширины кривых качания отличаются незначительно.

Проведенные нэксперименты показали возможность создания активных монохроматоров рентгеновского излучеия на основе кристаллов кварца с возбуждением в них объмных ультразвуковых колебаний. С помощью внешнего воздействия на кварцевый монохроматор осуществлено управляемое изменение и усиление интенсивности дифрагированного рентгеновского пучка.

Проведенные исследования о влиянии объемных акустических волн на усиление дифрагированного пучка рентгеновского излучения могут быть внедрены в промышленность для создания элементов рентгеновской оптики нового поколения, обладающих высоким КПД по сравнению с уже имеющимися.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Мкртчян А.Р., Навасардян М.А., Мирзоян В.К. Письма в ЖТФ, 1982, Т.8, В.11, С.677-680.

2. Мкртчян А.Р., Навасардян М.А., Габриелян Р.Г. и др. Письма в ЖТФ, 1983, Т.9, В.19, С.1181-1184.

3. Cerva H., Graeff W., Phys. Stat. Sol., 1984. V.(a)82, P. 35.

4. Кочарян Л.А., Сукиасян Р.Р., Борназян А.С. и др. Изв. АН Арм. ССР, Физика, 1986, Т.21, В.6, С.317- РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

EINWIRKUNG VON ELEKTRONENSTRAHLSVERARBEITUNG ANODENSUBSTRAT UND MAGNETRONSABSCHEIDUNG DES ELEKTROLYTS AUF DIE BELASTUNGSCHAKARTERISTIK DER OXIDKERAMISCHEN BRENNSTOFFZELLE A. N. Kowaltschuk Wissenschaftlicher Betreuer: Doz. Dr. А. А. Solovjeff Sprachbetreuer: Doz. N. S. Metalnikova Polytechnische Universitt Tomsk, Russland, Tomsk. Lenina Str. 30, E-mail: artemija@sibmail.com ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ АНОДНОЙ ПОДЛОЖКИ И МАГНЕТРОННОГО НАНЕСЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА А. Н. Ковальчук Научный руководитель: доцент, к. т. н. А. А. Соловьев Консультант по немецкому языку: доцент, Н. С. Метальникова Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, E-mail: artemija@sibmai.com В данной работе повествуется о твердооксидных топливных элементах, которые в нашей стране находятся на стадии испытаний. Рассмотрены основные нагрузочные характеристики элемента в различных его конфигурациях, т. е в зависимости от толщины электролита и технологии его производства. Такие как, метод магнетронного распыления для формирования плотных бездефектных пленок электролита. Так же импульсная электронно-пучковая обработка (ЭПО), позволяющая существенно изменить микроструктуру поверхности пористых анодных подложек.

Die oxidkeramische Brennstoffzelle (Solid Oxide Full Cell - SOFC) - ein vielversprechender Weg, um Energie fr die Zukunft zu produzieren. Ihre Attraktivitt beruht auf der hohen Effizienz der direkten Umwandlung der chemischen Energie des Brennstoffs in Elektrizitt. Der Entwicklung von SOFC widmet die Aufmerksamkeit eine Reihe von fhrenden Lndern der Welt, darunter in Russland. Bis heute ist ein Faktor, der den breiten Vertrieb dieser Art der Brennstoffzelle (FC) zurckhlt, ihre hohe Betriebstemperatur von ca. 800 bis 10000 С [1]. Fr die Bildung der kommerziellen und wirksamen SOFC muss man das aktuelle Problem lsen - seine Betriebstemperatur auf 6000 - 7500 C zu reduzieren. Dies kann entweder durch den Einsatz neuer Materialien Elektrolyten erreicht werden, die eine hohe ionische Leitfhigkeit bei tiefen Temperaturen haben, oder durch eine Verringerung der Dicke der wichtigsten funktionellen Schichten des FC in erster Linie die Dicke des Elektrolyt. In Zusammenhang mit den oben genannten Problemen ist ein Objekt der Forschung der ultrafeinen Niedrigtemperatur SOFC. Der Zweck der vorliegenden Arbeit ist es, den Einflussgrad der Elektronenstrahlsverarbeitung (ESV) von der Anodensubstrat und Elektrolyt, der durch die Magnetronsputteranlage auf die Charakteristiken des SOFC zum Verringern von Betriebstemperaturen aufgetragen wird. Die Aufgabe der Arbeit ist die Untersuchung den Voltamper – und Leistungscharakteristiken РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

der SOFC bei Temperaturen 5500 - 8000 C, hergestellt mit unterschiedlichen Verarbeitungsmethoden.

Zur Zeit werden die Materialien fr SOFC verwendet: leitfhiger zu Sauerstoff-Ionen aus Zirkonoxid mit Yttriumoxid (YSZ) stabilisiert, es durch Elektrolyt, Lanthan-Strontium-Manganit (LSM) - eine Kathode, eine Nickel-Cermet (Ni + YSZ) - Anode [2]. Aufgrund des gegebenen Elementes wird unmittelbar die Zelle hergestellt. Hier ist die eingestellte Eingabe des Oxydiermittels (Sauerstoff oder Luft) auf die Kathode und des Wasserstoffes auf die Anode. Ein wichtiger Teil des Brennstoffelementes ist eine einzelne Zelle. Gerade ihre Charakteristiken, und zwar, die Abhngigkeit der Ausgangsspannung von der Stromdichte bestimmen die Charakteristiken des Brennstoffelementes insgesamt. Die Verzeichnis und Beschreibung der untersuchten Probe sind in Tabelle 1 vorgestellt.

Tabelle Probe 1* Probe 2** Probe 3*** Anode Ni+YSZ Ni+YSZ Ni+YSZ YSZ – 2,7 mkm ( ~ 50 kHz, I YSZ - 5 mkm ( ~ ~ 3,2 - 3,6 А, U ~ 420 - 460 V, kHz, I ~ 3,2 - 3,6 А, U Elektrolyt YSZ (15 mkm) v ~ 2,3 mkm/st, P ~ 1,5 kWt) ~ 420 - 460 V, v ~ 2, +ESV (0,8 J/cm2, 2 Imp mit mkm/st, P ~ 1,5 kWt) Erwrmung bis 700°С) Katode LSM (50 mkm) LSM (50 mkm) LSM (50 mkm) * Das Planarefragment der Konstruktion SOFC ist mit der tragenden Anode. Er ist vom gemeinsamen Pressen der Filmkomposition und dem nachfolgenden gemeinsamen Sintern bei der Temperatur bei 11500 C im Laufe von 540 Minuten bekommen. Die Kathode war auf den Films Elektrolyt und dem nachfolgenden gemeinsamen Sintern bei der Temperatur bei 140 0 C schmiert. Das resultierende Fragment hatte eine Dicke von 165 mkm.

** Experimentells Element wurde mit der Methode der Magnetronsabscheidung hergestellt. Als Substrate hat man die restoren porsen Anoden SOFC verwendet. Die Abscheidung von den Elektrolytsfilm wurden auf einer Vakuumanlage gemacht. Sie ist mit einem unausgewogenen Magnetron Ausscheidungssystem mit einer Scheibenkathode ausgestattet. Die Kathode besteht aus der Legierung(Zr 0,86Y0,14) mit dem Durchmesser von mm und Dicke von 8 mm.

*** Verwendet wurde eine Elektronequelle. Er erzeugt den niederenergetischen hochstromen Elektronenstrahl mit Energien von bis 12 keV, Strahlstrom von ~ 15 kA, einen Strahldurchmesser von bis 80 mm und einer Impulsdauer von 2 bis 3,5 mks. Betriebsdruck in der Kammer war 3,8•10-4 Torr.

Zur Untersuchung der Elektrischeneigenschaften von SOFC mit Dnnschichtselektrolyt haben die elektrochemische Zelle vorbereitet, darstellend das System: О2, Pt, La0,7Sr0,3MnO3/ZrO2: Y2O3/(Ni/ ZrO2: Abb 1. Schema der Experimentalsanlage (1 – Elektrolyt;

2 –Anode;

3 –Kathode;

4 – Y2O3), Pt, H2. Bei der Installation der experimentellen Probe, wirden Verdichter (Glasring);

5 – Platinnetz;

6 – Platindrahten;

7 – Arbeitsvolumen von Ofen).

zwei Kissen aus dem Metalldraht (Abb. 1) verwendet, fr eine optimale Klemmung das Platinnetz mit den Elektroden.

Prsentiert in Abb. 2 Voltamper – und Leistungscharakteristiken der Probe fr die Temperatur von 750 0C wurden beim Verbrauch von Wasserstoff (40 ml/min) in dem Anodegasraum und Sauerstoff (250 ml/min) in dem Kathodengasraum erhalten.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

1,2 1, 0, U, В P, мВт 0, 0, 0,2 1 2 1 0, 0 500 1000 0 500 1000 I, мА I, мА Abb. 2. Voltamper – (links) und Leistungscharakteristiken (rechts) der Probe 1, 2, 3 bei 750 0 С.

Die Leerlaufspannung Ux von den Brennstoffzellen mit den Dnnschichtelektrolyten wurde von 1,025 bis 0,97 V bei der Betriebstemperatur von 750 0C. Whrend des Experiments behielt die Leerlaufspannung seinen Wert fr alle Muster. Aus der Voltampercharakteristik ist zu erkennen, dass der Spannungsabfall in der Probe mehr fliessend erfolgt, weil die elektrochemische Reaktion an den Elektroden schneller geschieht. Nach der Form der Spannung ber der Stromdichte der Zelle (Abb. 2) ist es klar, dass die Abhngigkeit der Leistungsdichte auf der Stromdichte auch extrem wird. Fr die Probe wurde schnelles Wachstum der Leistungabdenommenen bei der Verkleinerung der Dicke des Elektrolyts beobachtet. Maximale Leistungsdichte ist Pmax=427mW/cm2, und fr Probe 1 (ohne spezielle Behandlung der Elektroden) ist die Leistungsdichte Pmax=166 mW/cm2. Fr die experimentellen Proben ist es klar ausgeprgt, dass die Belastung des Stoffaustausches erheberen bei hohen Stromdichten ist. Damit die Leistungsdichte sinkt rasch nach dem Erreichen von maximum.

Die obengegebenen Ergebnisse zeigen die Aussichten mit der Methode der Magnetronsabscheidung fr die Bildung von dichten fehlerfreien Filmen des Elektrolyts. Gepulste Elektronenstrahlverarbeitung kann eine erhebliche nderung der Mikrostruktur der Oberflche der porsen Anodesubstrate hervorrufen. Aufgrund der Strahlung ist das Schmelzen der Oberflchenschicht auf eine Tiefe bis 1 – 1,5 mkm. Die dichtesten Abdeckungen ZrO2:Y2O3 (Gasdurchlssigkeit -1•10-6cm4/g•s) erhalten im Falle der Anwendung auf die Anodensubstrate, die vorher mit Hilfe Impuls ESV abgendert sind. Die Ergebnisse der Messung von elektrischen Charakteristiken des SOFC zeigen, dass die Methode der Magnetronsabscheidung Dnnschichtelektrolyten auf die Anodensubstrat vorher mit dem Puls des EVS vorlufig sein, erfolgreich fr die Herstellung von SOFC in Betriebstemperatur 6500-7500C verwendet werden kann.

Diese Daten zeugen davon, dass die Bercksichtigung des technologischen Schemas zur SOFC mit hohen elektrischen Parametern erhalten lsst. Es ermglicht den Betrieb bei niedrigeren Temperaturen.

LITERATUR 1. Konstantin Ledjeff. Brennstoffzellen. Aufl.Heidelberg: C.F. Mller 1995. – 56.

2. Bhlmark Johan Fundamentals of High Power Impulse Magnetron Sputtering// Dissertation No. 1014, Plasma & Coatings Physics Division, Department of Physics, Chemistry, and Biology, Linkping University, Sweden, p. 1-78.

3. Informationszentrale d. Elektrizittwirtschaft (IDE) e.V.: Strom Basiswissen. Aufl. Frankfurt:

Informationszentrale der Energiewirtschaft e.V. 1999. – 120.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ОКСИДИРОВАНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ, НАНЕСЕННЫХ НА ТИТАН И ЦИРКОНИЙ В.С. Козырева,1 Е. Г. Кряжева 2, К.С. Куляшова Научный руководитель: к.ф.-м.н., с.н.с. Легостаева Е. В., Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 634021, Россия г. Томск, пр. Академический 2/ E-mail: Veronika.5@sibmail.com COMPARATIVE INVESTIGATIVE OF INFLUENCE OF VOLTAGE OF MICRO-ARC OXIDATION ON PHYSIC AND MECHANICAL PROPERTIES OF CALCIUM-PHOSPHATE COATINGS ON TITANIUM AND ZIRCONIUM V. S. Kozyreva1, Е. G. Kryazheva 2, K.S Kulyashova2.

Scientific Supervisor: PhD Legostaeva E. V. Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, 634021, 2/4 Akademicheskii pr., E-mail: Veronika.5@sibmail.com The influence of voltage of micro-arc oxidation on the properties of calcium-phosphate coating such as thickness, porosity, pores sizes, and adhesive behavior has been studied. It was shown that at the increasing voltage the line growth of coating parameters as thickness, rougnesss takes place. The optimal range of voltage which allows to form of calcium-phosphate coating with the best characteristics was revealed.

В настоящее время имеется много работ по нанесению кальцийфосфатных (СаР) покрытий на поверхность титана микродуговым методом. В тоже время использование циркония, легированного ниобием в значительной степени позволит расширить спектр функциональных свойств разрабатываемых материалов для медицины как основы для различных имплантатов. Целью настоящей работы является сравнительное исследование влияния напряжения оксидирования на физико-механические свойства СаР покрытий, нанесенных на поверхность титана и циркония.

Объекты и методы исследования. СаР покрытия наносились на поверхность образцов из технически чистого титана ВТ1-0 и циркония, легированный ниобием (Zr-1 мас.%Nb) размером 10101 мм3.

Микродуговое оксидирование проводили на установке MicroArc–3.0 в электролите на основе водного раствора ортофосфорной кислоты, гидроксиапатита и карбоната кальция 1. Электрофизические параметры нанесения СаР покрытий были следующие. Длительность импульса – 100 мкс, частота – 50 Гц, время – до мин на титане и до 5 мин на цирконии, напряжение– 150400 В - для титана и 150300В - для циркония.

Морфологию поверхности покрытий исследовали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном микроскопе SEM 515 (Phillips) в НОЦ ТГУ. Для измерения размеров структурных элементов (сферолитов и пор) применяли метод «секущей» 2. Шероховатость поверхности определялась на профилометре-296 по Ra. Общая пористость оценивалась как отношение суммарной длины отрезков, попадающих на поры, к общей длине секущих линий 2. Испытания на адгезионную РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

прочность «методом отрыва» [3] проводили на испытательной машине Instron-1185, при этом величина адгезии характеризовалась силой, отнесенной к единице площади контакта.

Результаты и их обсуждение. На рис. 1 представлены РЭМ- изображения микродуговых СаР покрытий, сформированных на поверхности титана (рис.1 а-в) и циркония (рис. 1 г-е) при различных напряжениях оксидирования. При напряжении микродугового процесса 150 В, как на поверхности титана, так и циркония, начинается появление микроразрядов, приводящих к формированию покрытия. При этом на поверхности циркония образуются лишь «островки» CaP покрытия с пористой структурой (средний размер пор – 0,48 мкм, пористость 10%, рис. 1, г, табл. 1), в то время как на поверхности титана уже формируется покрытие, содержащее сфероидальные образования с порами (рис. 1 а). При этом пористость покрытия на титане по сравнению с цирконием возрастает практически в 2 раза при одном и том же напряжении (табл. 1, U=150 В).

По мере увеличения напряжения до 200-250 В на поверхности циркония также начинается рост сферолитов, которые содержат поры (рис. 1 д). Однако и в этом случае средние размеры сферолитов и пор, а также пористость практически в 2 раза меньше для СаР покрытия на цирконии по сравнению с титаном. Повышение напряжения до 300 В позволяет получить покрытия на поверхности циркония с рельефной структурой, представляющей чередование гребней и впадин, причм гребни представлены скоплением большого количества сферолитов (рис. 1е). Общая пористость покрытий, сформированных при напряжении 300 В увеличивается до 15%, а средний размер пор до 1,81 мкм.

б в а д е г Рис. 1. РЭМ - изображения кальцийфосфатных покрытий, нанесенных методом микродугового оксидирования при напряжениях на поверхность титана (а, б, в): а) 150 В;

б) 200 В;

в) 400 В и циркония (г, д, е): г) 150 В;

д) 250 В;

е) 300 В Таблица 1.

Результаты количественных измерений Подложка Напряжение U, В Размер пор Rпор, мкм Размер сфер Rсфер, мкм Пористость Р, % Ti 150 1,37 6,21 18, Zr-Nb 0,48 - Ti 200 3,06 14,83 20, Zr-Nb 1,44 6,69 Ti 250 4,79 21,21 22, Zr-Nb 1,49 9,66 Ti 300 3,57 24,97 17, Zr-Nb 1,81 10,32 Ti 350 2,63 31,52 17, Ti 400 5,43 22,79 21, РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

По мере увеличения напряжения происходит практически линейный рост толщины и шероховатости СаР покрытия. Так, при изменении напряжении в пределах 150–300 В толщина покрытия изменяется от 10 до 95 мкм практически линейно как для титана, так и для циркония (рис. 2, а). Как было отмечено выше, повышение напряжения оксидирования до 400 В сопровождается увеличением плотности тока и переходом процесса микродугового разряда в дуговой, что приводит к значительному росту покрытий, толщина которых может превышать 100 мкм. Для титана с увеличением напряжения шероховатость покрытия растет в диапазоне 1,96 мкм (рис. 2, в), в то же время для циркония параметр шероховатости растет в диапазоне 0,64,5 мкм с увеличением напряжения от 150 до 250 В, а при повышении напряжения до 300 В наблюдается резкий скачек шероховатости до 12 мкм, что связано с образованием гребней, представляющих собой скопление сферолитов, как было описано ранее (рис. 2, е). Что касается адгезионной прочности покрытий, то увеличение напряжения от 150 до 300 В для титана и до 250 В для цирконий приводит к ее снижению от 27-10 МПа для титана и от 24 до 4 МПа для циркония соответственно (рис. 3 г.), что связано с ростом толщины покрытий. В случае, когда толщина покрытия превышает 100 мкм (напряжение оксидирования – 400 В для титана и 300 В для циркония) адгезионная прочность покрытия к подложке падает до 2-4 МПа, что недостаточно для его эксплуатации. Для повышения адгезионной прочности может быть применена предварительная обработка поверхности. Как показывают ранее полученные данные использование пескоструйной обработки и химического травления позволяют повысить адгезию покрытия к подложке до 35 МПа и более.

140 Ti Ti Ti Адгезионная прочность, МПа Zr-Nb 120 Zr-Nb Zr-Nb Шероховатость, мкм б) Толщина, мкм 8 в) а) 150 200 250 300 350 150 200 250 300 350 150 200 250 300 350 Напряжение, B Напряжение, В Напряжение, B Рис. 2. Графики зависимостей свойств СаР покрытий, нанесенных на поверхность титана и циркония от напряжения микродугового оксидирования: а) толщины;

б) шероховатости, в) адгезионной прочности Таким образом, в ходе исследования влияния напряжения микродугового нанесения СаР покрытий на поверхность титана и циркония на их физико-механические характеристики были выявлен диапазон оптимальных напряжений, обеспечивающий формирование покрытий с наилучшими характеристиками.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П., Толкачва Т.В., Толмачв А.И., Уваркин П.В. Патент на изобретения РФ № 2385740 «Биоактивное покрытие на имплантате из титана и способ его получения».(Опубл. 10.04.2010 г. Бюл. №.10).

2. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография – М: Металлургия, 1994.- 288 с.

3. Тушинский Л. И. и др. Методы исследований материалов: Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий. – М.: Мир, 2004. – 384 с.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

REACTOR VALUATION FOR PLASMA UTILIZATION OF ISOTOPE SEPARATION INDUSTRY USED OIL R.S.Korotkov., P.V.Kosmachev.

Scientific adviser: associate professor, Ph.D in Maths & Physics, А.G.Karengin.

Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin pr, Tomsk, Russia, E-mail: razor1989@sibmail.com РАСЧЕТ РЕАКТОРА ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ МАСЕЛ ПРОИЗВОДСТВА РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ Р.С.Коротков, П.В.Космачев.

Научный руководитель: доцент, к.ф.т.н., А.Г.Каренгин.

Томский политехнический университет, 634050, Россия, г.Томск, пр.Ленина, E-mail: razor1989@sibmail.com Ежегодно в России образуются миллионы тонн горючих промышленных отходов, в том числе и отработанные масла от производства разделения изотопов, которые представляют серьзную угрозу для окружающей среды, а традиционно применяемые технологии для утилизации таких отходов (в основном, термические) связаны с получением вредных и токсичных веществ. В связи с этим является актуальным создание новых эффективных технологий для экологически безопасной утилизации таких отходов. В данной работе был проведен расчет и получены оптимальные режимы сжигания жидких горючих отходов в плазменном реакторе.

Working process of technological equipment at ISP PC «Siberian chemical enterprise» leads to formation and accumulation of used oil like И-50А and ВМ-4, which are utilized in technological furnace by burning [1, 2].

Waste gases of technological furnace contain soot, fluorine and uranium compounds, carbon and nitrogen oxides.

In connection with this, it’s urgent to create new effective technologies for environmental-friendly utilization of such wastes [3-5].

This work is devoted to the valuation and optimization of used oil burning rates in plasma reactor as dispersed combustible compositions of optimal composition (DCC), which have an adiabatic combustion temperature not less than 1200оС [6]. Reactor circuit is showed at the picture 1.

Pic.1 Plasma reactor circuit:

1 – air flow;

2 – air plasma jet;

3 – disperser;

4 – waste gases.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Air input into the reactor is carried out via impeller for an achievement of definite swirl angle, which is necessary for the uniform distribution by reactor volume of input DCC for burning and stabilization of burning flame pattern. Reactor valuations were carried out for the following combustible composition, which has adiabatic combustion temperature 1200оС (22% of used oil ВМ4 : 78% of water). Metrics for PFB reactor valuation are showed at the table 1.

Table 1.

Metrics for PFB reactor valuation Sampling Parameter Values range increment 30…100 m/s Air flow rate at reactor inlet, Vaf 10 m/s Air flow swirl angle at the reactor inlet, 30…600 5…20 m/s Air plasma jet rate at the reactor inlet, Vpj 5 m/s Temperature of the air plasma jet at the reactor inlet, Tpj 2000…4000 K 500 K 10-6…10-5 m 2·10-6 m CWFC droplets size at the reactor inlet, VCWFC 1…10 m/s CWFC droplets rate, VCWFC 1 m/s 300…600 K CWFC droplets temperature at the reactor inlet, T CWFC 100 K 500…1500 l/h CWFC flowrate at the reactor inlet, WCWFC 500 l/h Pic.3. Temperature profile of DCC combustion by:

Pic.2. PFB reactor model computational grid at the ТPJ = 2000 K;

VPJ= 20 m/s;

VAF=80 m/s;

TDCC=600 K;

Gambit 2.4 program WDCC=1000 l/h;

VDCC=3 m/s;

=600.

Pic.5. Temperature profile of DCC combustion by:

Pic.4. Temperature profile of DCC combustion by:

ТPJ = 4000K;

VPJ = 20m/s;

VAF = 0 m/s;

TDCC=600 K;

ТPJ =4000 K;

VPJ =20 m/s;

VAF =80 m/s;

TDCC = WDCC = 1000 l/h;

VDCC = 3 m/s;

=300.

600K;

WCWFC = 1000 l/h;

VCWFC = 3m/s;

= For PFB reactor valuation a software package ANSYS FLUENT 6.3 was used, which has a large database of gaseous, liquid and solid fuels and allows to estimate multi-phase laminar and turbulent flows, heat transfers, chemical reactions. For the construction of the PFB reactor model geometry and computational grid program Gambit 2.4 was used (pic. 2).

For PFB reactor valuation non-premixed combustion model was chosen. DCC droplets motion inside the reactor was estimated using discrete phase model. Exchange of momentum, heat and mass between the gas and РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

droplets included in the calculation, alternating with the valuation of droplets trajectories and the continuity equation of the gas phase. The initial conditions of the input into the PFB reactor were set by the disperser surface with uniformly distributed on its finite number of point sources.

Pictures 3 – 5 shows typical temperature profiles of DCC combustion along the reactor at different initial parameters of his work According to the results of the spent valuations and the analysis of the received results are defined and can be recommended for practical realization following reactor operation rates for environmental-friendly used oil combustion as DCC of an optimal composition (22% used oil ВМ4 : 78% water):

ТPJ = 3000 K VPJ = 20 m/s VAF = 80 m/s TDCC = 600 K WDCC = 1000 l/h VDCC = 3m/s = REFERENCES 1. Karengin А.G., Sergeev D.V., Varfolomeev N.A. Ultrafine combustion activators for waste oils utilization.

Physical chemistry of ultrafine systems. Collection of Scientific Papers V All-Russian Conference.– Publ.house: Institute of Electrophysics URO RAS,. P.2. p. 161-166.

2. Karengin А.G., Sergeev D.V., Varfolomeev N.A.. Thermocatalytic recycling of uranium-bearing waste oils //Mag. Proceedings of the TPU. – Pub. TPU. Т. 305, Iss. 3. – 2002. p. 101-104.

3. Karengin A.G., Lyakhova V.A., Shabalin A.M. Plant for the plasmacatalythic utilization of oil sludge.

// Mag. Equipment and technologies for oil and gas industry. №4, 2007, p. 10-12.

4. Karengin A.G., Shabalin A.M. RF patent for an invention №2218378. Method of oil sludge utilization and plasma-catalytic reactor for its implementation. Declared 09.12.2002;

Published 10.12.2003, Bul. № 34. p.

5. Anisimova S. The problem will burn in the plasma plume. // Mag. Entrails and FEC of Siberia. №3 (40), 2009, p. 20-21.

6. Bernadinner M.N., Shurygin A.P. Fire recycling and disposal of industrial waste. М.: Chemitry, 1990.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ПЛАЗМЕННАЯ УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ Коротков Р.С., Космачев П.В., Каренгин А.А.

Научный руководитель: доцент, к.ф.-м.н. А.Г. Каренгин Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: razor1989@sibmail.com PLASMA UTILIZATION OF ISOTOPE SEPARATION WASTE PRODUCTS Korotkov R.S., Kosmachev P.V., Karengin A.A.

Scientific adviser: Karengin А.G., Ph.D in Maths & Physics, associate professor National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin pr, Tomsk, Russia, E-mail: razor1989@sibmail.com There is contamination of vacuum oils compounds of uranium and fluorine in the process of technological equipment work at the isotope separation plant PC «Siberian Chemical Combine». Dispose of used oils is carried out by spraying and burning in the technological furnace to produce the wet water of flue gas of uranium oxide concentrate powders which due to the high content of carbon black is subjected to additional annealing.

Сжигание бывших в употреблении масел ВМ-4 и И-50А (БУМ) с добавлением различных ультрадисперсных порошков меди и различных оксидов металлов в качестве активаторов горения не позволило решить проблему экологически безопасной утилизации таких отходов [1, 2].

Для этих отходов, на наш взгляд, будет более эффективна утилизация в условиях воздушной плазмы в виде диспергированных горючих водотопливных композиций (ГВТК) оптимального состава [3,4].

В результате проведнных расчтов показателей горения БУМ определн следующий оптимальный состав ГВТК с адиабатической температурой горения 1200 оС: 22% БУМ : 78% Вода. При этом в составе БУМ содержание уранилфторида и фтора составляло соответственно 0,00087% и 0,009% [2].

Далее было проведено сравнительное термодинамическое моделирование процесса плазменной утилизации бывших в употреблении масел и бывших в употреблении масел в виде ГВТК оптимального состава при атмосферном давлении, в широком интервале температур 3004000 К и при различной массовой доле воздушного теплоносителя 2080 %.

Рис.1 Равновесный состав газообразных Рис.2. Равновесный состав конденсированных продуктов плазменной утилизации БУМ. продуктов (сажи) плазменной утилизации БУМ.

(Р=0,1 МПа, 92% Воздух : 8% БУМ) (Р=0,1 МПа, 92% воздух : 8% БУМ ) РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Рис.3. Равновесный состав конденсированных Рис.4 Равновесный состав основных газообразных продуктов (UO2) плазменной утилизации БУМ. продуктов плазменной утилизации ГВТК.

(Р=0,1 МПа, 60% воздух : 40% ГВТК) (Р=0,1 МПа, 92% воздух : 8% БУМ) Рис.6. Равновесный состав конденсированных Рис.5. Равновесный состав конденсированных продуктов (UO2(c) плазменной утилизации продуктов (сажи) плазменной утилизации ГВТК.

ГВТК. (Р=0,1 МПа, 60% воздух : 40% ГВТК) (Р=0,1 МПа, 60% воздух : 40% ГВТК) На рис. 1 – 3 представлены равновесные составы основных газообразных и конденсированных продуктов плазменной утилизации бывших в употреблении масел.

Из анализа представленных графиков следует, что в интервале рабочих температур 1200-1500 К основными продуктами плазменной утилизации БУМ являются CO2 и UO2(c). Отсутствие сажи и низкое содержание СО и Н2 указывают на полную утилизацию бывших в употреблении масел в воздушной плазме. Увеличение массовой доли БУМ свыше 8 % приводит к существенному увеличению содержания сажи C(c) в твердых продуктах плазменной утилизации. Таким образом, экологически безопасная плазменная утилизации только БУМ достигается за счт их невысокой массовой доли (не более 8 %) в воздушном плазменном теплоносителе.

Дальнейшее повышение массовой доли БУМ в процессе плазменной утилизации может быть достигнуто за счет применения ГВТК оптимального состава.

На рисунках 4-6 представлены характерные равновесные составы основных газообразных и конденсированных продуктов плазменной утилизации бывших в употреблении масел в виде ГВТК оптимального состава в воздушной плазме.

Из анализа представленных графиков следует, что в интервале рабочих температур 1200-1500 К основными продуктами плазменной утилизации бывших в употреблении масел в виде ГВТК оптимального состава также являются CO2 и UO2(c), а отсутствие сажи и низкое содержание СО и Н указывают на полную утилизацию бывших в употреблении масел в воздушной плазме.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Увеличение массовой доли ГВТК свыше 40 % приводит к существенному увеличению содержания сажи C(c) в твердых продуктах плазменной утилизации в воздушной плазме.

Таким образом, экологически безопасная плазменная утилизации бывших в употреблении масел в виде ГВТК оптимального состава происходит при более высокой массовой доли БУМ (22 %) в воздушном плазменном теплоносителе.

В таблице 1 представлены удельные энергозатраты на плазменную утилизацию 1 кг бывших в употреблении масел в виде БУМ и ГВТК оптимального состава.

Таблица Удельные энергозатраты на плазменную утилизацию 1 кг бывших в употреблении масел Tраб, K 500 1000 Эуд, МДж/кг (92 % Воздух : 8 % БУМ) 2,75 10,88 19, Эуд, МДж/кг (60 % Воздух : 40 % ГВТК) 0,75 3,55 5, Из анализа данных таблицы 1 следует, что энергозатраты на плазменную утилизацию бывших в употреблении масел в виде ГВТК оптимального состава значительно меньше, чем на утилизацию БУМ.

С учтом полученных результатов можно рекомендовать следующие условия для практической утилизации БУМ в виде ГВТК оптимального состава:

интервал рабочих температур 1200-1500К;

60% Воздух : 40% ГВТК (22% БУМ : 78% H2O).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Каренгин А.Г., Д.В. Сергеев, Н.А. Варфоломеев. Ультрадисперсные активаторы горения для утилизации отработанных масел // Физикохимия ультрадисперсных систем: Труды V Всероссийской конференции.– Екатеринбург, 2001. – Т. 2. – С. 161-166.

2. Каренгин А.Г., Д.В. Сергеев, Н.А. Варфоломеев. Термокаталитическая утилизация урансодержащих отработанных масел // Известия ТПУ. – 2002. – Т. 305. – Вып. 3. – С. 101-104.

3. Каренгин А.Г, Ляхова В.А., Шабалин А.М. Установка плазмокаталитической утилизации нефтяных шламов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2007. – № 4. – С. 10–12.

4. Пат. 2218378 РФ. МПК7 Способ утилизации нефтяных шламов и C10G15/12.

плазмокаталитический реактор для его осуществления. А.Г. Каренгин, А.М. Шабалин. Заявлено 09.12.2002;

Опубл. 10.12.2003, Бюл. № 34. 14с.:ил. 6.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИТОВ, СОДЕРЖАЩИХ НАНОМАТЕРИАЛЫ, В МИКРОВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ О.А. Кочеткова, А.Е. Леухина Научный руководитель: доцент, к. ф.- м. н. О.А. Доценко Томский государственный университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36, E-mail: apr@mail.tsu.ru ELECTROPHYSICS CHARACTERISTICS OF COMPOSITES WITH NANOMATERIALS IN MICROWAVE RANGE O.A. Kochetkova, A.E. Leukhina Scientific Supervisor: Associate professor, candidate of science O.A. Dotsenko Tomsk State University, Russia, Tomsk, Lenin str., 36, E-mail: apr@mail.tsu.ru This paper focuses on the results of electro physics characteristics measurements of polymethylmethacrylate + multiwall carbon nanotubes (MWCNT) and/or nanopowders of M-, W-, Z hexaferrite composites. Composite containing MWCNTs has a frequency dependence of permittivity.

Composite with MWCNTs and nanopowders do not have the frequency dependence of permittivity. Obtained results can be used for calculation of microwave absorbers.

Нанотрубки, полученные из углерода, дихалькогенидов, полупроводниковых материалов и т.п., нанопорошки разнообразных веществ вызывают интерес исследователей в связи с перспективами их применения в различных областях техники, включая микроволновые устройства. Необычные свойства данных веществ (малый вес, наноразмеры, температурные, механические и электрические характеристики) позволяют использовать их в качестве наполнителей в новых перспективных многофункциональных композиционных материалах. Однако исследования микроволновых свойств как самих наноструктур, так и композиционных радиоматериалов на их основе немногочисленны.

Информация о динамических характеристиках радиоматериалов – спектрах магнитной (МП) и диэлектрической (ДП) проницаемостей – необходима: при разработке микроволновых радиоэлектронных устройств (таких как фильтры, фазовращатели, трансформаторы и др.);

для создания поглощающих элементов, обеспечивающих электромагнитную совместимость блоков высокочастотной радиоаппаратуры и используемых в качестве защитных экранов и элементов безэховых камер.

Идеальным материалом для поглощения электромагнитного излучения (ЭМИ) является материал, у которого значения диэлектрической = ’ – i и магнитной = ’ – i проницаемостей равны. На практике создание материала, имеющего || = ||, является сложной задачей, так как диэлектрические и магнитные свойства обусловлены различными физическими механизмами. Близость значений ДП и МП в узком диапазоне частот может быть достигнута в многокомпонентных композиционных материалах, причем на эти характеристики существенное влияние оказывают размеры включений.

Цель работы – исследование динамических характеристик (спектров ДП и МП) образцов композитов РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

на основе полиметилметакрилата с добавлением наноструктурных оксидных ферримагнетиков и наноразмерных углеродных материалов.

Композиты были изготовлены в Институте катализа СО РАН. В качестве наполнителей применялись многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) с внешними диаметрами: 8–10 нм и длиной 10–30 мкм, а также порошки гексаферритов с линейными размерами частиц, не превышающими 100 нм. Для измерений были отобраны материалы с 2%-ой весовой концентрацией МУНТ и 35% весовой концентрацией феррита. Экспериментальные образцы представляли собой длинные тонкие плоскопараллельные стержни шириной 2–3 мм и длиной 60–70 мм. Толщина образцов составляла 0,20±0,03 мм.

Для измерения ДП композита в работе использовался резонансный метод. Измерительными ячейками являлись прямоугольные многомодовые резонаторы. Экспериментальная установка состояла из векторного анализатора цепей Agilent Teсhnologies E8363B и набора трех прямоугольных резонаторов, охватывающих частотный диапазон от 3 ГГц до 13 ГГц.

В соответствии с методикой измерения, сначала снимается амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) пустого резонатора, а затем АЧХ резонатора с помещенным в него образцом. При этом измеряются: 0 и – резонансные частоты, и полуширины резонансных кривых Е или H-моды пустого и нагруженного резонатора, соответственно. После этого строятся частотные зависимости ДП или МП, рассчитанные по известным формулам [1].

Проведенные измерения показали, что образцы не вносят сколько-нибудь существенные изменения в АЧХ резонансной кривой, соответствующей H-волне. Из этого можно заключить, что магнитная проницаемость данных образцов в рассматриваемом частотном диапазоне близка к 1. При измерении АЧХ резонансных кривых, соответствующих Е-волне, оказалось, что образцы обладают большими потерями. В связи с этим не удалось вычислить мнимую составляющую диэлектрической проницаемости. Измерения проводились при температуре окружающего воздуха 22,5±0,5 °С.

На рисунке 1 приведены спектры действительной составляющей ДП ’(f) образцов, содержащих МУНТ и порошки ферритов М-, W- и Z-типа. У композитов, содержащих порошки ВаМ и Со2Z, ДП имеет значение порядка 20, причем во всем рассматриваемом диапазоне. Композит, содержащий порошок Рис. 1. Изменение диэлектрической проницаемости образцов композитов, содержащих МУНТ и порошки гексаферритов М-, W- и Z-типа.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

феррита Со0,6Zn1,4W, имеет ярко выраженную частотную зависимость ДП – наблюдается ее спад от отн.ед. на частоте 3 ГГц до 25 отн.ед. на частоте 12 ГГц.

Для уточнения влияния того или иного включения на характеристики композитов была измерена ДП композитов состава ПММА + МУНТ (диаметр 8–10 нм) и/или порошок феррита (рисунок 2).

Композиты, наполнителями которых являются ферритовые порошки (ПММА + Ba3Co2Fe24O41 и ПММА + BaFe12O19), имеют значения ’ 3 отн. ед., что соответствует ДП полиметилметакрилата.

Добавление в ПММА углеродных нанотрубок приводит к возрастанию ДП композита. Данный параметр исследуемых составов ПММА + МУНТ + порошок гексаферрита примерно равен 20 отн. ед. во всем рассматриваемом диапазоне.

а б Рис. 2. Изменение диэлектрической проницаемости образцов композитов, содержащих МУНТ и/или: (а) порошок гексаферрита Co2Z;

(б) порошок гексаферрита BaM.

Таким образом, анализ результатов проведенных исследований показал, что композиты с МУНТ имеют частотную зависимость ДП в рассматриваемом диапазоне, а добавление в них наноразмерных порошков гексаферритов М- и Z-типов приводит к стабилизации ДП на уровне 20 отн.ед. Наноразмерный порошок гексаферрита W-типа, добавленный в композит, содержащий МУНТ, увеличивает величину его ДП примерно на 5–7 отн.ед.

Полученные спектры позволяют рассчитать характеристики (коэффициенты поглощения и отражения) поглотителя, который можно использовать в качестве элемента защиты от вредного воздействия микроволнового излучения.

Выражаем благодарность за любезно предоставленные материалы для измерений сотрудникам Института катализа им. К.Г. Борескова СО РАН (г. Новосибирск) В.Л. Кузнецову и И.Н. Мазову.

Работа выполнена при частичной поддержке проектами АВЦП № 2.1.1./13631, № 2.1.1./13220 и государственным контрактом № 8691р/13125.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Сусляев В.И. Прямоугольный многомодовый сверхвысокочастотный резонатор / Методическое 1.

пособие. – Томск, Изд-во ТГУ. – 1994. – 22 с.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

КОНТРОЛЬ ЯДЕРНОЙ И РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ В СИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ОБЛУЧЕННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Н.И. Кравченко, Ф.В. Гнетков, С.Д. Кадочников Научный руководитель: ст. преподаватель, к.ф.-м.н. С.В. Беденко Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, E-mail: kravn@tpu.ru NUCLEAR AND RADIOACTIVE SECURITY CONTROL OF IRRADIATED NUCLEAR FUEL IN SHIPPING AND STORING SYSTEMS N.I. Kravchenko, F.V. Gnetkov, S.D. Kadochnikov Scientific Supervisor: senior teacher, candidate of physic-mathematical science S.V. Bedenko Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: kravn@tpu.ru There was made a research of the security control of «dry» storing of used nuclear and radioactive fuel after discharge it from the reactors PWR and BWR. Problem with storing used fuel is one of the most important nowadays, because the fuel from PWR and BWR is not converted and it is stored in «wet»

temporary fuel storage pools at nuclear plants. The main theme of this work is to examine a storability of dry nuclear fuel storage. There is given an analyze of multiplication constant k эфф for dry storage. The summary of the work is that there is an ability of storing irradiated nuclear and radioactive fuel in «dry» storing systems and it is much more safety than «wet» storage.

Состояние исследований.

Темпы развития ядерной энергетики в значительной степени определяются внешними составляющими ядерно-топливного цикла, в частности, долговременным хранением ОЯТ и его переработкой.

Прогнозы, сделанные в различных странах, показывают, что в ближайшие 20–30 лет ожидается увеличение объемов накопления ОЯТ в мире примерно в 2–3 раза, при этом особенно острой проблемой будет являться хранение ОЯТ реакторов типа РБМК. В связи с этим возникает необходимость в хранилищах большой емкости, удовлетворяющих требованиям ядерной и радиационной безопасности.

Хранилища ОЯТ РБМК-1000, ВВЭР-440, -1000, БН-600, ЭГП-6 были спроектированы в 60–70 годах.

В последние годы, когда одновременно с фактическим изменением концепции замкнутого топливного цикла изменились требования безопасности, возникла необходимость уплотнения хранения топлива и увеличения вместимости существующих хранилищ. В первую очередь это связано с увеличением ОЯТ реакторов РБМК и ВВЭР, так как топливо РБМК-1000, ВВЭР-1000, ЭГП-6 не перерабатываются и находятся на хранении «мокрым» способом в промежуточных бассейнах-хранилищах на АЭС, которые близки к заполнению. Для снятия этой проблемы существует необходимость ввода в эксплуатацию дополнительной мощности по долговременному хранению (50 и более лет) ОЯТ.

Еще одна причина повышения вместимости связана с необходимостью иметь резервные места для РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

выгрузки в любой момент аварийной активной зоны или е частей. Новые требования безопасности потребовали анализа обширного перечня аварийных ситуаций, в том числе и запроектных аварий.

После заметного распада короткоживущих радионуклидов при предварительной выдержке ОЯТ в воде с целью снижения тепловыделения становится целесообразным переход на «сухой» метод хранения ОЯТ.

Именно контроль нейтронно-физических параметров в системах «сухого» хранения ОЯТ будет рассмотрен в этой работе. Также на примере сухого хранилища ОЯТ (СХОЯТ) на ФГУП «Горно химический комбинат» будут рассмотрены различные схемы загрузок, позволяющие существенно снизить уровни нейтронного излучения в некоторых точках хранилища до предельно допустимых значений.

Нейтронно-физические параметры СХОЯТ.

Мировой опыт проектирования «сухих» хранилищ позволяет прогнозировать значительно более высокий, чем в бассейнах с водой, уровень ядерной безопасности, что достигается конструкцией прочных и герметичных гнезд хранения и пеналов, способных выдержать различные проектные и запроектные аварии, и отсутствием замедлителей нейтронов в камерах и пеналах.

Хранение ОТВС в России предусматривается в специальных гнездах, в которых размещаются герметичные пеналы с ОТВС. Каждая камера хранения имеет 242 гнезда для герметичных пеналов с ОТВС РБМК-1000, расположенных в гнезде в два яруса. В каждом гнезде размещается 3,503 т (по урану) ОЯТ реактора РБМК-1000 (или 2,4 тонны ОЯТ реактора ВВЭР-1000).

Для расчетов kэфф СХОЯТ использован программный комплекс SCALE 5.0.

Расчет проводился для облученного топлива реактора РБМК со следующими характеристиками:

урановое, при содержании диоксида урана с обогащением от 1,6 % до 2,8 %;

уран-эрбиевое, при содержании смеси диоксида урана с обогащением 2,0, 2,4, 2,6 и окиси эрбия с массовой концентрацией эрбия в уране 0,41 %;

уран-эрбиевое, при содержании смеси диоксида урана с обогащением 2,8 % и окиси эрбия с массовой концентрацией эрбия в уране 0,6 %.

Дополнительно были сделаны следующие консервативные приближения:

Топливо в пеналах «свежее» (проектная авария).

Объем пенала полностью гомогенизирован.

Анализ ядерной безопасности для запроектных аварий производен с учтом глубины выгорания.

Значения концентраций делящихся материалов (U235, Pu239, Pu241) увеличиваются на оцененную погрешность.

Из основных продуктов деления рассматривается только Sm149.

Второстепенные продукты деления не учитываются.

Основными источниками спонтанных нейтронов является изотопы Pu, Am и Cm.

Основными источниками (,n)-нейтронов являются следующие диоксиды: Pu238О2, Am241О2, Cm242О2 и Cm244О2.

Система является ядерно-безопасной только в том случае, если kэфф0,85.

Результаты расчетов.

Расчетное значения kэфф и нейтронная составляющая радиационных характеристик ОЯТ с начальным обогащением 2 % по U235 приведены на рисунке ниже.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

Рис. 1. Значение потоков быстрых нейтронов в зависимости от расположения юнита в массиве.

Выводы.

Полученные результаты показывают целесообразность и возможность разработки регламентных схем «загрузки» и регламентов процедуры «загрузки» и перемещения пеналов с ОТВС в СХОЯТ. Это вызвано тем, что на параметры подкритичности и, следовательно, на параметры потока нейтронов в СХОЯТ влияют:

схема размещения пеналов;

1) начальное обогащение и состав ОТВС;

2) последовательность заполнения СХОЯТ пеналами с ОТВС.

3) CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Внуков В.С. Глубина выгорания как параметр ядерной безопасности хранилищ и транспортных 1.

упаковочных комплектов с отработавшим ядерным топливом. – Атомная техника за рубежом, 1990, № 12, с. 9 – 11.

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

INFLUENCE OF THE X-RAY IRRADIATION ON THE HYDROGEN DESORPTION FROM TITANIUM ALLOY VT1- V. Kudiyarov, N. Evteeva.

The scientific advisor: A. Lider, PhD. Physics, Associate professor The language advisor: A. Parnyugin, PhD. Education, Associate professor Tomsk Polytechnic University, 634050, Russia, Tomsk, Lenin Avenue, E-mail: victor31479@mail.ru ВЛИЯНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ДЕСОРБЦИЮ ВОДОРОДА В ТИТАНЕ ВТ1- Кудияров В. Н., Евтеева Н. А.

Научный руководитель: Лидер А. М., к.ф.-м.н., доцент Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, E-mail: victor31479@mail.ru Исследовано влияние облучения рентгеновским излучением на десорбцию водорода из титанового сплава ВТ1-0. Представлены методы подготовки образцов, насыщения водородом, облучения рентгеновским излучением и обсуждены полученные результаты Researching of hydrogen influence on the metal properties and opportunity of using hydrogen as a fuel makes it necessary to study the behavior of hydrogen in metals. One of the methods of preparing experimental samples is the hydrogen saturation from the gas environment. The aim of our study is to study the influence of X-rays on the hydrogen desorption from titanium alloys VT1-0.

Experimental technique. Experimental samples were prepared from titanium alloy 5 10 mm. The process of sample preparation included grinding, polishing and annealing. Grinding was carried out with sandpaper with different grain sizes from 500mkm to 2500mkm. When changing the sandpaper from one to another the direction of grinding (horizontal or vertical) with respect to the samples was changed and the samples were rubbed with alcohol to remove the accumulated metal dust. In the horizontal direction of grinding amplitude of the arm swing is maximum and in the vertical direction - minimal. Polishing was performed with very fine sandpaper (4000) in the horizontal direction to the luster of the samples. The samples were then annealed in a vacuum oven at 7500C for 60 minutes.

Hydrogenation was performed at the facility «Gas Reaction Controller» (Fig. 1). The vacuum chamber was evacuated to the pressure p0 = 10-6 atm and heating of the samples was carried out to the temperature of 5500C. After Figure 1. The equipment «Gas Reaction Controller».

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

pumping out the gases that are desorbed from the sample during heating, the chamber was quickly filled with hydrogen to a predetermined pressure.

The initial hydrogen pressure was 2 atm., while the time of keeping the samples in a hydrogen atmosphere was 60 and 180 minutes for different samples. Depended of the chamber pressure on time and temperature is automatically recorded by the computer. In the same mode two samples were placed in the camera. In one sample, the hydrogen concentration was Fig. 2. X-ray machine INTROVOLT - 180.

measured immediately after the saturation in the gas phase and the second sample had previously been irradiated and then examined for the hydrogen content in it. The samples were irradiated by X-ray machine INTROVOLT - 180 (Fig. 2) (anode material is tungsten). Irradiation parameters: current 5mkA, 120 volt, 30 minutes.

The measurement of hydrogen concentration in the samples was carried out using the RHEN602 hydrogen gas analyzer (Figure 3).

Fig. 3. Hydrogen analyzer RHEN-602.

RHEN602 analyzer is used to measure hydrogen in large quantities of metals and inorganic materials, using the principle of melting in an inert atmosphere. The pre-weighed sample is placed in the gateway, and after the degassing of the graphite crucible is dropped into it. The sample is melted in a reducing atmosphere of the graphite crucible in an inert gas. Hydrogen present in the sample is released as molecular hydrogen and measured in the hot cell. Averaged results of measurements of hydrogen concentration are presented in table 1.

Table 1.

The hydrogen content in the samples in weight percent.

Saturation times H H+X-ray 60 minutes 0,0145 0, 180 minutes 0,0162 0, Discussion of results. The hydrogen content in the irradiated samples was on average 25% less than the hydrogen content in the samples measured without irradiation. In the process of x-irradiation the sample was exposed to an intense flux of ionizing radiation. As a result, hydrogen as the most lightweight and mobile impurity could be redistributed in the analyzed layer or leave the sample through the surface.

The development of theoretical ideas about mechanisms of radiation-stimulated migration is presented in the theory proposed in [1], it is assumed that radiation-stimulated migration of light impurity atoms and defects is stimulated by the heavy traffic of hydrogen. As a result of studies a new phenomenon has been founded - excitation of the hydrogen subsystem by radiation. Hydrogen occupies the equivalent position within the metal forms its own sub system in the crystal lattice, having frequencies that lie outside the phonon spectrum of the crystal. When the energy is supplied by radiation the excitation of vibrational degrees of freedom of the hydrogen subsystem occurs.

Nonequilibrium fluctuations in the hydrogen subsystem are long-lived in the time scale of electron relaxation in metals. Thus, migration in and out of the hydrogen atoms is not driven by the energy of thermal fluctuations equal to kT and the energy of the nonequilibrium fluctuations of the hydrogen subsystem is significantly greater than kT.

The cause of the acceleration of hydrogen desorption from metals and alloys under the action of ionizing radiation may be a reduction in the surface potential barrier to the neutralization of H +,the formation of H molecules and its desorption into the gas phase. Desorption of molecules, as a rule, energetically more favorable compared to desorption of atoms [1].

РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

At the X-ray irradiation of titanium alloy VT1-0, pre-saturated with hydrogen, hydrogen desorption observed, which confirms the theoretical concepts of the influence of X-radiation on metal-hydrogen system.

REFERENCES И.П. Чернов, Ю.П. Черданцев, Ю.И.Тюрин. Методы исследования систем металл-водород. - М.:

1.

Энергоатомиздат;

Томск: STT, 2004. - 270 с.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДА И ОКСИНИТРИДА ТИТАНА Е.Н. Кудрявцева, В.С. Сыпченко, Н.С. Морозова Научный руководитель: профессор, д.ф.-м.н. Н.Н. Никитенков Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30, 634050, E-mail: keti-2007@mail.ru STUDY of TITANIUM OXIDE and OXYNITRIDE COATS E.N. Kudryavtseva, V.S. Sypchenko, N.S. Morosova Scientific Supervisor: Prof., Dr. N.N. Nikitenkov Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, E-mail: keti-2007@mail.ru Examinations of a composition of the TiO2 and TiNxOy structures gained by a plasma spraying on stainless steel and ability of their structures to hydrogen accumulate are presented. Examinations were made by thermo-stimulated gas extraction method, together with the secondary ion mass spectrometry and electron auger- spectrometry methods.

Введение. Интерес, проявляемый к исследованию пленок на основе диоксида титана, связан с их необычными физическими и химическими свойствами, такими как уникальные свойства поверхности, сенсорные и оптические свойства, биологическая совместимость, каталитическая активность. Покрытия на основе титана, такие как его оксиды и нитриды, способны улучшить антитромбогенные свойства сердечнососудистых имплантатов [1].

Изучение проблемы взаимодействия покрытия с биологическим окружением показывает, что биосовместимость по прежнему далека от идеала. В работе [2] показано, что синтезируемые TiO2 пленки улучшают биосовместимые свойства поверхности имплантируемого материала.

В свою очередь, гемосовместимость оксида титана может быть улучшена посредством дополнительного введения азота в состав покрытия. Установлено, что адгезия тромбоцитов и адсорбция фибриногена ниже для TiNxOy по сравнению с TiO2, что коррелирует с меньшей гидрофобностью и более высоким значением полярной компоненты поверхностной энергии для TiN xOy. Наилучшая гемосовместимость была обнаружена у покрытий состава TiN0.4O1.6 [3].

Параллельно исследованиям составов указанных структур образцы насыщались водородом и РОССИЯ, ТОМСК, 26 – 29 АПРЕЛЯ 2011 г. ФИЗИКА VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК»

исследовались методом термостимулированного газовыделения на предмет их способности к накоплению и хранению водорода, поскольку есть данные, что структуры такого типа могут являться эффективными хранителями водорода, создание которых является одной из актуальных задач водородной энергетики.

Материалы и методика эксперимента.

Биосовместимые покрытия на основе оксидов (TiO2) и оксинитридов титана (TiON) наносились на образцы площадью 11см методом реактивного магнетронного распыления на экспериментальной установке «УВН-200МИ» [4]. Напыление производилось при давлении 10-6 атм. в среде кислорода или азота, либо в смеси указанных газов с аргоном.

Соотношение газов для пленки TiO2 (режим I) Рис. 1. Распределение элементного состава пленки оксида титана кислород: аргон = 3,5:0,05, для TiON (режим II) по глубине. 1 – углерод;

2 – титан;

3 – кислород;

4 – железо.

- кислород:азот:аргон = 2,0:2,5:0,05.

В качестве подложки для нанесения покрытий использовалась нержавеющая сталь медицинского назначении 12Х18Н10Т. Напряжение разряда составило 335 В, ток 2,3 А, время напыления для пленки TiON составило 1 ч 20 мин, для пленки TiO - 1 ч 30 мин. Толщина покрытий ~230 нм.

Насыщение водородом осуществлялось с использованием метода Сивертса при давлении водорода P=2 атм. и P=5 атм. и температуре образца Т=773 К в течение 2 и 4 ч.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 21 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.