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:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников

«Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.

НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ:

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ Сборник материалов Международной заочной научной конференции для молодых ученых, студентов и школьников Саратов 2012 2 14 февраля-11 мая 2012, Саратов ББК 30.3 УДК 6-022.532, 539.216.1, 621.38-022. Материалы Международной заочной научной конференции для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»: электронное научн. издание. – ФГУП НТЦ «Информрегистр», Депозитарий электронных изданий, 2012 – 253 с.

В сборнике представлены материалы Международной заочной научной конфренции для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы», которая проводилась с 14 февраля по мая 2012 года в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. в соответствии с приказом СГТУ № 87-П от 09.02.2012г.

Основными целями конференции являлись выявление и развитие у ее участников творческих способностей и интереса к изучению чрезвычайно актуального направления современной науки – нанотехнологии и связанных с нею прикладных дисциплин, эффективное использование информационных технологий в научно-образовательном процессе, создание условий для выявления одаренной и талантливой молодежи с целью ее дальнейшего интеллектуального развития и профессиональной ориентации, развития международных связей между молодыми учеными с целью обмена опытом и установления общеполезных связей в научно-практической сфере, определения современных тенденций в указанном научном направлении в общемировой практике.

Сборник предназначен для широкой аудитории читателей, в частности школьников, студентов, аспирантов, магистрантов, молодых ученых, интересующихся современными проблемами науки.

Организационный комитет Проф. Сытник А.А., проф. Лясникова А.В., проф. Лясников В.Н., проф. Гусаров В.В., проф. Синицын Н.И., проф. Вениг С.Б, проф. Скрипаль А.В., проф. Елинсон В.М., проф. Фетисов Г.П., доц. Стаффорд О., проф. Ромбах В., проф. Сайдахмедов Р.Х., проф. Руденская Н.А., доц. Чекан Н.М., проф. Сироткин О.С., проф. Мерсон Д.Л., проф. Лепилин А.В., проф. Каменских Т.Г., доц. Суетенков Д.Е., проф. Перинский В.В., доц. Протасова Н.В., доц. Дударева О. А., доц. Перинская И.В. (отв. секретарь) Ответственность за содержание и достоверность сведений, представленных в материалах конференции, возлагается на авторов.

© Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., © Авторы статей, Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

СОДЕРЖАНИЕ СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА ПОДЛОЖКАХ ИЗ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ Е.А. Тарасов...................................................................................................................................... NANO-COATINGS FOR PREVENTION OF CORROSION O. Stafford........................................................................................................................................ ПРИМЕНЕНИЕ ПРОВОДЯЩИХ ПЛАЗМЕННЫХ КАНАЛОВ НАНОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ОБРАБОТКИ Д.В. Козырь..................................................................................................................................... ОЦЕНКА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С.Н. Веневцева...........................................................................................



..................................... ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ВОЛЬФРАМА С.Н. Веневцева, А.С. Патрушев..................................................................................................... ОБРАЗОВАНИЕ СПИРАЛЕВИДНЫХ МАКРОСТРУКТУР ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НЕФТЯНОГО ПЕКА А.Н. Щипакин, Т.М. Кучуков......................................................................................................... ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЗАЩИТНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ХРОМА, НАНЕСЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ Ф. Дж. Хамдамов, Г.А. Юлдашева................................................................................................... ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НАНО-ТОЛЩИНЫ НА МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ СТЕКЛЯННЫХ ПОРОШКАХ А.В. Иванов, М.С. Саломатников................................................................................................... МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМ АППАРАТОМ В ПРОЕКТЕ «МОРСКОЙ СТАРТ»

С.М. Наумов.................................................................................................................................... НАНОИМПУЛЬСЫ И НАНОШЕРОХОВАТОСТЬ ПРИ МИКРОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРЕМНИЯ И. А. Никишин, А. Р. Абитов......................................................................................................... НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ПОКРЫТИЯ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ О.А. Маркелова, И.П. Гришина, О.А. Дударева............................................................................ СЕРЕБРОСОДЕРЖАЩИЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ Е.С. Миндрина, Р.Р. Садыков, О.А. Дударева............................................................................... ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ЭМИССИОННОЙ СПОСОБНОСТИ МЕТАЛЛОПОРИСТЫХ КАТОДОВ С.В. Веселухина.............................................................................................................................. 14 февраля-11 мая 2012, Саратов РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТОВ С АНТИМИКРОБНЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ УСТАНОВКИ В ЛУНКУ УДАЛЕННОГО ЗУБА О.С. Мостовая................................................................................................................................. ФОРМИРОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПЛАЗМОНАПЫЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТАХ О.О. Чекалина, В.А. Протасова, М.С. Мишина, Е.В. Гомон......................................................... ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ БАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ В.А. Протасова, М.С. Мишина, О.О. Чекалина, Е.В. Гомон......................................................... ПОЛИМЕРИЗАЦИОННОНАПОЛНЕННЫЙ ПОЛИАМИД-6 НА ОСНОВЕ ПОЛИТИТАНАТОВ КАЛИЯ М.Ю.Трофимов, А.А.Зайцев.......................................................................................................... НАНОТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ Е.Д. Перинская, М.Ю. Воробьев, С.В. Бурин.............................................................................. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОСТРУКТУРНОЙ МОДИФИКАЦИИ ИОНАМИ АРГОНА В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА В.В. Крыночкина, Н.А. Перехвальский, Е.Д. Перинская............................................................ ЛУЧЕВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РЕЗИСТОРОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Е.Д. Перинская, И.В. Перинская.................................................................................................. ФОРМИРОВАНИЕ МЕЖСЛОЙНЫХ СВЧ КОНДЕНСАТОРОВ НАНОСТРУКТУРНОЙ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКОЙ Н.А. Перехвальский, В.В. Перинский, Е.Д. Перинская............................................................... НАНОТЕХНОЛОГИИ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ А.А. Развин................................................................................................................................... ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЛОНГИРОВАННЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ ПОЛИМЕРОВ М.В. Гаврилин, А.И. Медвецкий, Л.И. Щербакова, В.А. Компанцев, И.Н. Дьякова, О.М. Маркова................................................................................................................................ НОВЫЕ МЕТОДЫ В ДИАГНОСТИКЕ ПЕРВИЧНОЙ ОТКРЫТОУГОЛЬНОЙ ГЛАУКОМЫ Н.Р. Лопатинская, А.А. Сагайдачный.......................................................................................... НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ БИОСОВМЕСТИМЫХ ПОКРЫТИЙ ВНУТРИКОСТНЫХ ИМПЛАНТАТОВ И.П. Мельникова, А.В. Лясникова, В.Н. Лясников..................................................................... ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА И МЕДИ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ С.В. Веселухина............................................................................................................................ Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»





ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВЧ-ПЛАЗМОТРОНА НА РАЗЛИЧНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ Т.С. Кузнецова............................................................................................................................. СОЧЕТАНИЕ МЕТОДОВ КОНФОКАЛЬНОЙ И КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ В ДИАГНОСТИКЕ ПАТОЛОГИИ РОГОВИЦЫ А.С. Орлова................................................................................................................................... ОСОБЕННОСТИ КАПСУЛЫ И ЯДРА ХРУСТАЛИКА ПРИ ВОЗРАСТНОЙ И ДИАБЕТИЧЕСКОЙ КАТАРАКТЕ А.С. Тишкова, Т.Г. Каменских, А.В. Скрипаль, В.А. Галанжа, А.Б. Бучарская......................... НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ А.Г. Авакян................................................................................................................................... НАНОТЕХНОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ Н.И. Пугаченко............................................................................................................................. АДРЕСНАЯ ДОСТАВКА ЛЕКАРСТВ А.Д. Смирнова, К.А. Проскурина................................................................................................. РИСКИ, СВЯЗАННЫЕ С НАНОТЕХНОЛОГИЯМИ В.Г. Хохлютина, Е.А. Семенова, Н.А. Петрова........................................................................... МЕТРОЛОГИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Н.А. Петрова................................................................................................................................. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТАТОВ С ЦЕЛЬЮ ПРИДАНИЯ ИМ СПЕЦИАЛЬНЫХ СВОЙСТВ М.С. Мишина, И.П. Гришина, О. Стаффорд................................................................................ ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ О.А. Маркелова, Р.Р. Абсалямова, Р.Р. Садыков......................................................................... ГЛАЗА И ПАЛЬЦЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ Д.А. Каплей, А.А. Каплей............................................................................................................. НАНОРАЗМЕРНЫЕ ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ КОМПОЗИТЫ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ НАНОГРАФИТ, ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ А.М. Михайлова, Н.Н. Ковынёва................................................................................................. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИОНООБМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ СЕРЕБРА А.М. Михайлова, К.С. Зубцова.................................................................................................... ЭЛЕКТРОАКТИВНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИАЦЕТИЛЕНА А.Г. Яшин, Е.Д. Михайлов........................................................................................................... 14 февраля-11 мая 2012, Саратов СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА ПОДЛОЖКАХ ИЗ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ Е.А. Тарасов Научный руководитель: заместитель директора по научной работе СФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Н.И. Синицын Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН, г. Саратов Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают уникальными физико химическими свойствами [1], вследствие чего являются перспективным материалом для создания на их основе газовых сенсоров [2], сквозных межслойных соединений в интегральных схемах [3], полевых транзисторов [4,5], холодных источников электронов [6,7]. Одним из приоритетных направлений в области практического применения УНТ является создание автоэмиссионных катодов (АЭК) для электровакуумных приборов нового класса [8].

На данный момент актуальной становится задача получения тонких пленок из УНТ непосредственно на плоских торцевых поверхностях дисковых подложек, выполненных из молибдена, ниобия и вольфрама.

Предполагается, что такие структуры могут быть использованы в качестве холодных катодов при создании ЛБВ и клистронов.

Обзор литературных источников показал, что за последнее время не опубликовано ни одной работы, посвященной проблеме синтеза УНТ на подложках из молибдена. Однако в [9] отмечалось, что подобные структуры, названные «нитевидными кристаллами графита», были выращены на тугоплавких металлах путем разложения углеводородов над поверхностью подложек при помощи лучистого нагрева. Также Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

указывалось, что для образования указанных структур температура подложки должна быть более 900 °С.

Авторами работы [10] показана возможность синтеза УНТ на поверхности циркониевых сплавов с применением металлического никеля и органических веществ в качестве катализаторов. При этом отмечено, что в случае использования никеля на поверхности подложки наблюдался неравномерный рост УНТ.

В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований, направленных на изучение возможности синтеза УНТ методом термо-CVD на подложках из молибдена, ниобия и вольфрама с применением тонкопленочного железа в качестве катализатора. Показано, что для роста УНТ на молибдене температура подложки должна быть более 900 °С. При этом равномерных пленок из УНТ на торцевых поверхностях молибденовых дисковых подложек получить не удалось.

Установлено, что при использовании ниобия в качестве материала подложки оптимальной температурой роста УНТ является 890 °С. При этом, как и в предыдущем случае, на поверхности ниобия наблюдался неравномерный рост нанотрубок. Осуществить процессы синтеза УНТ на вольфраме не удалось.

Синтез УНТ осуществлялся методом термо-CVD. В качестве подложек использовались дисковые заготовки из молибдена, ниобия и вольфрама. В качестве катализатора использовались тонкие пленки технически чистого железа марки АРМКО, напыленные на рабочую поверхность подложек методом термического испарения в вакууме с резистивным нагревом. Источником углерода служили пары гептана (эталонный нормальный по ГОСТ 25828-83). Полученные образцы исследовались на растровом электронном микроскопе AURIGA CrossBeam (РЭМ) и металлографическом оптическом микроскопе Olympus BX-51.

14 февраля-11 мая 2012, Саратов Исследования на оптическом микроскопе проводились в поляризованном свете с применением дифференциально-интерференционного контраста.

При постановке данной работы предпринимались попытки синтезировать УНТ на молибдене при температурах порядка 830 – 890 °С с применением тонких пленок железа толщиной 7 – 30 нм. Однако в ходе экспериментальных работ установлено, что для роста УНТ в случае использования молибдена в качестве материала подложки необходимо не только повышать температуру техпроцесса, но и увеличивать толщину пленки металлического катализатора.

Рис. 1. Углеродные нанотрубки на молибдене:

а – оптическое изображение поверхности подложки после проведения процессов термо-CVD (метка соответствует 10 мкм);

б – РЭМ-изображение УНТ (метка соответствует 3 мкм) На рис. 1,а представлено оптическое изображение торцевой поверхности дисковой молибденовой подложки после проведения процессов термо-CVD при рабочей температуре 950 °С. Толщина пленки каталитического железа составила 70 нм. На фотографии чётко видны темные области, которые, как было показано при дальнейшем анализе на РЭМ (см. рис. 1,б), представляют собой локальные участки тесно переплетенных УНТ площадью 200 – 500 мкм2. Очевидно, что УНТ не полностью покрывают поверхность подложки и отдельные площадки из Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

УНТ (темные области) расположены на различных удалениях друг от друга.

Рис. 2. Углеродные нанотрубки на ниобии:

а – оптическое изображение поверхности подложки после проведения процессов термо-CVD (метка соответствует 10 мкм);

б – РЭМ-изображение УНТ (метка соответствует 1 мкм) На рис 2,а представлено оптическое изображение поверхности подложки из ниобия после проведения процессов термо-CVD при температуре разложения гептана 890 °С. Данное значение температуры установлено как наиболее оптимальное для образования и роста УНТ на поверхности ниобия. Следует отметить, что подобранная толщина слоя каталитического железа, напыленного на поверхность подложки, составила 12 нм. На фотографии с оптического микроскопа (рис. 2,а) показаны темные области, которые являются локальными участками тесно переплетенных УНТ площадью от 50 до 300 мкм2. На рис. 2,б представлено РЭМ-изображение полученных углеродных структур. Как и в предыдущем случае (для молибдена), наблюдается неравномерный рост УНТ на поверхности подложки из ниобия.

На рис. 3,а и рис. 3,б представлены РЭМ-изображения поверхностей дисковых подложек из вольфрама после проведения процессов каталитического пиролиза гептана при температурах 950 и 1008 °С соответственно. Толщина слоя железа в обоих случаях составила 50 нм. Из 14 февраля-11 мая 2012, Саратов рис. 3(а, б) видно, что полученные пленочные структуры не содержат нанотрубок. Таким образом, синтезировать УНТ на поверхности вольфрама даже на отдельных участках на данный момент не удалось.

Рис. 3. РЭМ-изображения поверхностей подложек из вольфрама после проведения процессов термо-CVD:

а – при температуре пиролиза гептана 950 °С;

б – при температуре пиролиза гептана 1008 °С. Метки соответствуют 1 мкм Экспериментально осуществлены процессы синтеза углеродных нанотрубок методом термо-CVD на поверхности подложек из молибдена и ниобия с применением в качестве катализатора тонкопленочного железа.

Установлено, что для роста УНТ на поверхности молибдена температура подложки и, соответственно, катализатора должна быть выше 900 °С.

Показано, что в случае использования ниобия в качестве материала подложки синтез УНТ возможно осуществлять при температуре 890 °С.

При этом в обоих случаях наблюдался неравномерный рост УНТ на отдельных (локальных) участках поверхностей тугоплавких металлов.

Следует отметить, что в случае синтеза УНТ на молибдене использовались относительно толстые пленки железа толщиной 70 нм, в то время как для ниобия толщина слоя катализатора составила 12 нм.

Осуществить процессы синтеза УНТ на поверхности вольфрама не удалось.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Возможно, что эффект локального роста УНТ на подложках из молибдена и ниобия связан с образованием локальных участков карбидов Mо2C и NbC [11]. При этом встают вопросы об определении необходимого рельефа поверхности подложек из тугоплавких металлов при их обработке для создания наиболее благоприятных условий формирования частиц катализатора при нагреве до температуры синтеза УНТ.

Литература 1. М. Р. Anantram, F. Lonard. Physics of carbon nanotube electronic devices // Reports on Progress in Physics, 2006. Vol. 69, №. 3. P. 507-561.

2. M. Penza, R. Rossi, M. Alvisi1 and E. Serra. Metal-modified and vertically aligned carbon nanotube sensors array for landfill gas monitoring applications // Nanotechnology, 2010. Vol. 21, №10. 105501 (14 рр).

3. Mizuhisa Nihei, Akio Kawabata, Daiyu Kondo, Masahiro Horibe, Shintaro Sato and Yuji Awano. Electrical Properties of Carbon Nanotube Bundles for Future Via Interconnects // Japanese Journal of Applied Physics, 2005. Vol. 44, № 4A. P. 1626 – 1628.

4. Atsuhiko Kojima, Chan Kyeong Hyon, Takafumi Kamimura, Masatoshi Maeda and Kazuhiko Matsumoto. Protein Sensor Using Carbon Nanotube Field Effect Transistor // Japanese Journal of Applied Physics, 2005.

Vol. 44, № 4A. P. 1596 - 1598.

5. Takashi Mizutani, Shinya Iwatsuki, Yutaka Ohno and Shigeru Kishimoto. Effects of Fabrication Process on Current–Voltage Characteristics of Carbon Nanotube Field Effect Transistors // Japanese Journal of Applied Physics, 2005. Vol. 44, № 4A. P. 1599 - 1602.

6. Xiomara Caldern-Coln, Huaizhi Geng, Bo Gao, Lei An, Guohua Cao, Otto Zhou. A carbon nanotube field emission cathode with high current 14 февраля-11 мая 2012, Саратов density and long-term stability // Nanotechnology, 2009. Vol. 20, № 32. (5 рр).

7. Hirofumi Suto, Shunjiro Fujii, Kumiko Yoshihara, Kazuhiro Ishida,Yuya Tanaka, Shin-ichi Honda, and Mitsuhiro Katayama. Fabrication of Cold Cathode Ionization Gauge Using Screen-Printed Carbon Nanotube Field Electron Emitter // Japanese Journal of Applied Physics, 2008. Vol. 47, № 4.

P. 2032 - 2035.

8. А.В. Елецкий. Холодные полевые эмиттеры на основе углеродных нанотрубок // Успехи физических наук, 2010. Т. 180, № 9. С. 897 - 930.

9. Дерягин Б.В., Федосеев Д.В. Рост алмаза и графита из газовой фазы.- М.: Наука, 1977. 116 с.

10. Мелешевич К.А., Боголепов В.А., Адеев В.М., Кондратенко И.Г., Головченко Т.Н., Пишук В.К., Старчик Н.И., Бегенев В.А., Каменецкая Е.А., Щур Д.В. Отработка технологии синтеза углеродных нанотрубок на циркониевой подложке // Материалы XI Международной конференции «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов»

(25 – 31 августа 2009 г., Ялта – Крым, Украина). Под ред.: Д.В. Щур, С.Ю.

Загинайченко, Т.Н. Везироглу, В.В. Скороход.- С. 788 – 789.

11. Диаграммы состояний двойных металлических систем.

Справочник в трех томах. Под общей редакцией академика РАН Лякишева Н.П.- М.: Машиностроение, 1996. Т. 1.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

NANO-COATINGS FOR PREVENTION OF CORROSION O. Stafford South Dakota State University Brookings, SD USA Introduction Prevention of corrosion of metals is a long standing problem of immense economic importance. One of the principal means of preventing surface corrosion of metals is a nano-coating such as polymer based coatings, e.g. paint.

These coatings often fail because of the ingress of water ions.

Experimental Method Since both the capacitance and resistance of a nano-coating coating change as it absorbs water, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) gives a general idea of how much water a given polymer sample has absorbed and is often used to test for water absorption by polymer coatings. Research is being done for a EIS problem and to investigate electromagnetic response of a coating for water inclusions of various shapes, sizes and distributions and their effect on EIS measurement.

Experimental Setup Picture of a Gamry Instruments Potentiostat that has been used for the data collections.

14 февраля-11 мая 2012, Саратов Brasher-Kingsbury approximation Brasher-Kingsbury equation is a well known approximation for volume fraction of water in a nano-coating.

C C0 82VF / Where C0 is initial capacitance, 82 is permittivity of water, and VF is volume fraction of water.

Results The dependence of the capacitance as a function of volume fraction for random distributed water inclusions. Finite element method calculations show that capacitance change is much greater for high aspect cylinders than for spheres (Brasher-Kingsbury) for a given volume fraction of water.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Conclusions EIS analysis indicates that the Brasher-Kingsbury approximation is valid for a random distribution of spherical inclusions, but can underestimate capacitance change by as much as 50% if the water is distributed as cylinders.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОВОДЯЩИХ ПЛАЗМЕННЫХ КАНАЛОВ НАНОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ОБРАБОТКИ Д.В. Козырь Научный руководитель: д.т.н., профессор В.В. Любимов Тульский государственный университет, г. Тула В настоящее время в машиностроении предъявляются все большие требования к точности и надежности деталей машин и механизмов.

Повышается качество функциональных поверхностей, усложняются формы обрабатываемых изделий. Это обуславливает применение более прочных и современных материалов. Однако их обработка традиционными 14 февраля-11 мая 2012, Саратов методами затруднена. В связи с этим необходимо применение более производительных и совершенных методов обработки материалов.

Перспективным является применение нетвердотельных электродов инструментов, позволяющих избавится от основных недостатков традиционных инструментов. Под нетвердотельным электродом инструментом подразумевается некий виртуальный проводник, обеспечивающий подведения электроэнергии в рабочую область. Такой проводник должен обладать высокой электропроводностью и иметь необходимую геометрическую определенность.

В качестве нетвердотельных электродов-инструментов в работе [1] было предложено использовать проводящий плазменный канал (рис.1), полученный в результате оптического пробоя среды. Импульсные плазменные каналы в течение длительного времени являлись объектами фундаментальных исследований. В работах [2-4] рассмотрены механизмы получения протяженных плазменных каналов в различных средах, проведены исследования зависимости структуры плазменных каналов от среды, в которой он формируется, применяемых для фокусировки излучения оптических систем, параметров лазеров, используемых для создания плазменных каналов.

Рис. 1. Импульсный плазменный канал в воздухе Такие плазменные образования обладают высокой электропроводностью и локализацией и могут быть сформированы с большим отношением длины к диаметру, а их начальный диаметр может достигать всего десятков микрометров.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Применение плазменных инструментов в электрофизических методах обработки является перспективной задачей, так как позволяет устранить ряд ограничений накладываемых на твердотельный электрод-инструмент, таких как механическая прочность и максимальная электрическая нагрузка.

Метод электрофизической обработки с помощью проводящих плазменных каналов заключается в следующем - плазменный канал формируется в рабочей области, где между ним и обрабатываемой деталью создается разность потенциалов, причем на детали положительный, а на канале отрицательный потенциал. В созданной двухэлектродной системе в межэлектродный промежуток подается рабочая жидкость, либо обработка происходит в воздушной среде. При превышении определенного порога напряжения, подаваемого на электроды, между каналом и обрабатываемой деталью формируются электрические разряды, с помощью которых происходит съем материала.

Рис. 2. Технологическая установка 1 – излучатель, 2 – фокусирующая система, 3 – технологическая ячейка, 4 – бак с рабочей жидкостью, 5 – источник питания ячейки, 6 – источник питания лазера 14 февраля-11 мая 2012, Саратов Для организации электрофизической обработки с применением плазменных каналов наносекундного лазерного излучения была разработана технологическая установка, которой представлена на рис.2.

В качестве излучателя использовался импульсный Nd:YAG лазер LQ929. Лазер позволяет производить генерацию лазерного излучения с длиной волны = 1064 нм, длительностью импульса = 9 нс, энергией импульса E = 1,5 Дж, частотой следования импульсов f = 10 Гц.

Фокусировка лазерного излучения производилась оптической системой, состоящей из сферической линзы с фокусом 118 мм, установленной на оптическом столе в приспособлении. Импульсный плазменный канал формировался в технологической ячейке, установленной на координатном столе. Питание ячейки осуществлялось источником постоянного напряжения. В процессе обработки технологическая ячейка перемещалась с помощью координатного стола. Наличие импульсного тока в процессе обработки фиксировалось с помощью измерительного компьютера, работающего на основе АЦП.

а б Рис. 3. Технологические схемы электрофизической обработки с использованием проводящих плазменных каналов наносекундного лазерного излучения: а – схема формирования заданного рельефа;

б – схема вырезки;

1 – обрабатываемая деталь;

2 – плазменный канал;

3 – токоподвод;

4 – изолирующая пластина Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Электрофизическая обработка может производиться по нескольким технологическим схемам, представленным на рис.3. Схем делятся на схемы с фронтальным подведением плазменного канала к детали (рис.3, а) и схему с торцевым подведением (рис.3, б). Данное разделение обусловлено различными условиями формирования плазменного канала вблизи поверхности заготовки. Первая схема (рис.3, а) с торцевым расположением плазменного канала, когда электрические разряды происходят с боковой поверхности инструмента. Данная схема во многом напоминает проволочную электроэрозионную вырезку, однако вместо проволоки используется лазерная плазма. Во втором случае разряды происходят с фронтальной поверхности плазменного канала. В ходе проведения эксперимента было обнаружено, что часть разрядов происходит между токоподводом и деталью. Возможно, это явление было вызвано постоянным приложенным напряжения и высокой ионизации межэлектродного промежутка. В связи с этим в схему установки пришлось ввести дополнительный элемент – изолирующую пластину с целью электрической изоляции токоподводящего элемента.

Обработка проводилась с использованием источника питания постоянного напряжения ИП-26 (U=165 В). Образец из нержавеющей стали 12Х18Н10Т предварительно подготавливался путем шлифования и обезжиривания. Обработка происходила либо на воздухе, либо с использованием деионизированной воды в качестве рабочей жидкости.

Время обработки во всех случаях составляло 3 минут при частоте f = 10 Гц.

следования импульсов лазерного излучения На рис. представлены результаты обработки по схеме с боковым подведением плазменного канала.

В первом случае (рис.4 а) воздействие осуществлялось на воздухе при отсутствие токоизолирующей пластины. Электрические разряды 14 февраля-11 мая 2012, Саратов происходили на всей поверхности образца и копирование формы электрода-инструмента не происходило. При использовании токоизолирующей пластины (рис.4 б) на образце наблюдались выраженная область локализация электрических разрядов, повторяющая размеры сформированного плазменного канала. Применение рабочей жидкости (рис.4 с) позволило улучшить локализации воздействия и качество обработанной поверхности.

б а д с Рис. 4. Результаты электрофизической обработки образцов образец из нержавеющей стали 12Х18Н10Т: а – среда обработки: воздух;

не изолированный токоподвод;

б среда обработки: воздух;

изолированный токоподвод;

с - среда обработки: вода;

изолированный токоподвод;

д - участок поверхности образца с Таким образом, в ходе экспериментальных исследований была установлена принципиальная возможность проведения электрофизической обработки с применением импульсных плазменных каналов в качестве Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

электродов-инструментов. Необходимо отметить дальнейшие направления исследований:

1) Синхронизация электрических импульсов с лазерным излучением.

2) Исследование влияния различных рабочих сред на процесс обработки.

3) Применение специальных фокусирующих систем.

Предложенный способ обработки позволит расширить круг технологических задач, решаемых в рамках электрофизических методов обработки и исключить ряд негативных явлений, присущих обработке с применением твердотельных электродов-инструментов.

Литература 1. Любимов В. В., Грачев О. Е., Сабинин Е. А. Анализ плазменных каналов, как инструментов, при импульсном лазерном излучении наносекундной длительности // Современная электротехнология в промышленности центра России. Труды XI региональной научно технической конференции. Тула: ТулГУ, 2010. С. 53 – 64.

2. Пятницкий Л.Н., Коробкин В.В. Волновые пучки с компенсированной дифракцией и протяженные плазменные каналы на их основе // Труды Института Общей Физики РАН. 2000. Т. 57.

3. Структура искрового канала при оптическом пробое газов атмосферного давления в каустике аксикона / В.В. Коробкин [и др.] // Квантовая электроника. Т. 16. №9. 1989. С. 1885 - 1894.

4. Создание в вакууме протяженного плазменного канала при воздействии квазибесселева пучка на мишень / В.М. Батенин [и др.] // Квантовая электроника. Т. 31. № 5. 2001.

14 февраля-11 мая 2012, Саратов ОЦЕНКА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С.Н. Веневцева Тульский государственный университе, г. Тула В работе проведены исследования реализации метода размерной электрохимической обработки с использованием сверхмалых межэлектродных зазоров;

проведен анализ влияния электрохимической обработки на качество поверхностного слоя;

сформулированы основные выводы и рекомендации.

Специфика процесса электрохимической обработки (ЭХО) определяет особенности качества обработанной поверхности. Силовой и тепловой факторы практически не участвуют в образовании поверхностного слоя. Поверхностный слой формируется в результате электрохимического растворения материала и химического воздействия среды.

Шероховатость. Формирование микрорельефа поверхности при ЭХО зависит от структуры материала заготовки, от состава, температуры, скорости прокачки электролита, электрических параметров режима. Все эти факторы постоянно изменяются по времени, и процесс анодного растворения в каждой точке протекает по-разному. Отличия могут быть незначительными и практически не влияют на скорость съема металла, но вызывают образование микронеровностей.

Если ЭХО выполняют после механической обработки, то в начале процесса анодного растворения микрорельеф повторяет профиль заготовки. Характер микронеровностей зависит от структуры обрабатываемого материала.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Глубина микронеровностей зависит от плотности тока. При высоких плотностях тока ускоренное растворение сплавов может наблюдаться не по границам, а по самому зерну, на котором образуются местные углубления, определяющие шероховатость поверхности.

При обработке в электролитах на базе хлорида натрия шероховатость поверхности нержавеющих сталей и сплавов — Rа = 1,25...0,32 мкм [1].

Наиболее интересным является формирование нанорельефа на поверхности после ЭХО и вносимые изменения в геометрические параметры поверхности. Однако исследование нанорельефа проведено не было.

Цель проведения исследований заключалась в исследовании качества поверхности нержавеющей полированной стали (на примере Х18Н10Т) после электрохимической обработки (ЭХО).

Процесс электрохимической обработки осуществлялся на сверхмалых электродных зазорах (СММЭЗ), были выбраны образцы из полированной нержавеющей стали Х18Н10Т. В таблице 1 указаны условия проведения экспериментов.

Таблица № образца Электролит Зазор z, Площадь Плотность тока обработки S, см2 J, A/см мм №1 5% NaNO3 2, 0,2 0, №2 5% NaCl 4, 14 февраля-11 мая 2012, Саратов Рис. 1. Схема реализации:

1 – катод, 2 – электролит, 3 – анод, 4 – изоляторы с гарантированной толщиной мкм, S – межэлектродный промежуток Методика проведения экспериментов:

1. Исследование параметров поверхностного слоя образца из нержавеющей стали (Х18 Н10Т) до обработки;

2. Подготовка образцов для обработки;

3. Осуществление ЭХО на сверхмалых межэлектродных зазорах;

4. Оценка параметров шероховатости поверхностного слоя образцов после ЭХО с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver Pro;

5. Анализ полученных результатов.

Результаты исследований приведены на рисунках 3-8.

Образец до обработки, размер скана 2020 мкм:

а б Рис. 2. Сканированная поверхность образца из нержавеющей стали до обработки:

а – 2D изображение с сечением А-А;

б – 3D Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

а б Рис. 3. Профилограмма сечения А-А образца до обработки (а);

статистические параметры образца до обработки (б) Из рис. 3 видно, что элементы поверхности имеют высоту 15 – 42, нм, угол при вершине составляет 10,3 – 19,20. Средний шаг неровностей профиля – 3,06 мкм.

а б Рис. 4. Сканированная поверхность образца №1 (размер скана 20 20 мкм) из нержавеющей стали после обработки ЭХО в электролите 5 % NaNO3:

а – 2D изображение с сечением А-А;

б – 3D 14 февраля-11 мая 2012, Саратов а б Рис. 5. Профилограмма сечения А-А образца №1 после ЭХО (а);

статистические параметры образца №1 после ЭХО (б) Из рис. 5 видно, что элементы поверхности имеют высоту 106,3 – 160,9 нм, угол при вершине составляет 11,26 – 21,57. Средний шаг неровностей профиля – 4,47 мкм.

а б Рис. 6. Сканированная поверхность образца (размер скана 2020 мкм) из нержавейки после обработки образца №2 в электролите 5 % NaCl:

а – 2D изображение;

б – 3D Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Рис. 7. Профилограмма сечения А-А образца №2 после ЭХО (а);

статистические параметры образца №2 после ЭХО (б) Из рис. 7 видно, что элементы поверхности имеют высоту 223,2 – 328,5 нм, угол при вершине составляет 9,54 – 21,19. Средний шаг неровностей профиля – 2,12 мкм.

Полученные данные сведем в таблицу 2.

Таблица Статистические До После обработки После параметры обработки в электролите обработки в NaNO3 электролите NaCl Разброс высот, нм 136,5 1406,1 670, Rz, нм 69,7 703 336, Ассиметрия 0,097 -0,158 0, Разупорядоченность -0,365 -0,34 -0, Дисперсия 71 834,2 324, Проведя анализ полученных данных можно придти к следующим выводам. Во-первых, шероховатость после обработки увеличилась, об 14 февраля-11 мая 2012, Саратов этом говорят увеличившиеся показатели - по разбросу высот, по высоте неровностей по десяти точкам(Rz). В большей степени это касается детали, обработанной в 5% растворе электролита NaNO3. Во-вторых, как видно из таблицы 2, так же произошло изменение параметров ассиметрии и разупорядоченности высот профиля. Это говорит о том, что рельеф стал более регулярным, то есть неровности поверхности носят систематический характер. Показатель дисперсии так же увеличился, что говорит о большем разбросе по форме профиля, особенно для заготовки обработанной в 5% растворе электролита NaNO3.

Из всего этого следует сделать вывод, что электрохимический метод при сверхмалых зазорах и при данных параметрах обработки позволяет получать регулярный, упорядоченный нанорельеф с вершинами порядка 600 нм. При этом предпочтительней использовать 5% раствор электролита NaCl нежели 5% NaNO3, так как различные показатели (Rz, разупорядоченность и т.д.) после обработки до 3-х раз меньше.

Литература 1. Артамонов Б. А., Волков Ю. С, Дрожалова В. И. и др.

Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов:

учеб. пособие (в 2-х томах). Т. I. Обработка материалов с применением инструмента/Под ред. В. П. Смоленцева. М.: Высш. шк.. 1983. 247 с. ил.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ВОЛЬФРАМА С.Н. Веневцева, А.С. Патрушев Научный руководитель: д.т.н., профессор В.К. Сундуков Тульский государственный университет, г. Тула Целью исследования является оценка топографии поверхности монокристаллического вольфрама с помощью зондовой микроскопии.

Объектами исследования являются образцы из монокристаллического вольфрама различного размера и формы, обработанные различными способами. Оценку геометрических характеристик образцов из монокристаллического вольфрама предполагается проводить при помощи сканирующего зондового микроскопа Solver PRO в контактном атомно-силовом режиме.

В данном методе сканирования кончик зонда находится в контакте с поверхностью. При сканировании закрепленный на чипе конец кантилевера поддерживается на постоянной высоте. Соответственно, величина отклонения (изгиба) кантилевера пропорциональна (при малых отклонениях) силе прижима кантилевера, и отражает рельеф поверхности образца.

Фрагменты монокристаллического вольфрамового кольца размером 5х10 мм были вырезаны по схеме, представленной на рис.1.

14 февраля-11 мая 2012, Саратов а б Рис.1. Схема вырезки образцов для исследования (а) и схема (стрелкой показано направление исследования) измерения образца №1 в семи точках (б) Экспериментальные образцы проходят предварительную очистку перед началом процесса исследования, в том числе с помощью ультразвуковой ванны UM-1. Обезжиривание поверхности образцов производится с помощью спирта. На рисунках 2–4 представлены СЗМ изображения поверхности, профилограммы сечений и статистические данные для поверхности монокристаллического вольфрама в точке 1.

Рис. 2. 3D изображение монокристаллического вольфрама в точке 1 (200 мкм) Рис. 3. Статистические параметры геометрических свойств поверхности монокристаллического вольфрама в точке 1: а – таблица статистических параметров, б – гистограмма плотности распределения значений функции Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

С помощью программы «Nova», предназначенной для работы с приборами, выпускаемыми компанией “НТ–МДТ”, были рассчитаны такие характеристики рельефа как Ra, Rz, средняя шероховатость поверхности и другие значения, а также построена гистограмма плотности распределения высотных параметров и таблица статистических параметров геометрических свойств поверхности монокристаллического вольфрама после электрохимической обработки (рис.3). На рисунке 4 представлены СЗМ-изображение участка поверхности монокристаллического вольфрама размером 20х20 мкм и профилограмма сечения А-А поперек нескольких элементов.

а б Рис. 4. СЗМ изображение поверхности сечения А-А для точки 1 (а), профилограмма монокристаллического вольфрама в точке 1 (б) В результате проведенных исследований при помощи разработанной методики с использованием зондового сканирующего микроскопа получены двухмерные и трехмерные изображения заданных участков поверхности травленых образцов из монокристаллического вольфрама. По профилограммам сечений произведена оценка параметров микрорельефа исследованных образцов (размер элементов микрорельефа, глубину выступов и впадин, шероховатость, углы между гранями элементов микрорельефа и т.п.).

14 февраля-11 мая 2012, Саратов ОБРАЗОВАНИЕ СПИРАЛЕВИДНЫХ МАКРОСТРУКТУР ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НЕФТЯНОГО ПЕКА А.Н. Щипакин, Т.М. Кучуков Научный руководитель: д.т.н., профессор И.Р. Кузеев Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа Пек – остаток от перегонки каменноугольного, торфяного, древесного дёгтя, а также нефтяной смолы пиролиза. При ударе раскалывается с раковистым изломом;

под постоянной нагрузкой проявляет пластичность. Твердая (иногда вязкая) масса черного цвета. Он имеет чрезвычайно сложный компонентный состав. В зависимости от типа исходного сырья и особенностей получения он может содержать до нескольких тысяч индивидуальных химических соединений, от коротких парафиновых цепочек до высококонденсированной многокольчатой нафтено-ароматики. В составе пека преобладают высокомолекулярные ароматические углеводороды;

содержатся высшие фенолы и органические основания. Пеки неэлектропроводны, нерастворимы в воде (торфяной и древесный содержат малые количества водорастворимых веществ), растворяются во многих органических растворителях (пиридине, бензоле и др.);

устойчивы к действию кислот. Нефтяной пек, в отличие от асфальтитов, асфальтенов и лакового битума, содержит карбены, которые не растворяются в толуоле и подобных растворителях.

Ранее считалось, что нефтяной пек в силу своего состава представляет собой аморфное вещество, не способное кристаллизоваться.

Однако при производстве нефтяных пеков было выявлено интереснейшее Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

явление — формирование на металлических стенках реакционных сепараторов отпечатков, морфология которых состояла из круговых и эллиптических областей со структурой спиралей, концентрических окружностей и др. Подобные отпечатки также были обнаружены Кузеевым И. Р. в лабораторных условиях при изучении явления адгезии в нефтяных пеках (рис. 1) [1].

Рис. 1. Отпечатки, обладающие спиралевидной структурой (а), структурой в виде концентрических окружностей (б) Сложность химического состава нефтяных пеков не позволила тогда найти приемлемого объяснения их возникновению, что оставило этот вопрос открытым.

Процесс карбонизации в пеках носит многостадийный характер и протекает по иерархическому принципу. Очевидно, что карбонизуемое углеводородное сырье – открытая неравновесная система. Вводимая в процессе термолиза тепловая энергия диссипирует в виде образования асфальтеновых парамагнитных молекул. Они обладают большим потенциалом парного взаимодействия и имеют сильную тенденцию к самоассоциации. В случае если мы прекращаем нагрев и от термолиза переходим к охлаждению пека, в системе реализуется неравновесность за счет нескомпенсированности большого числа магнитных моментов парамагнитных асфальтеновых молекул. Эта нескомпенсированность выливается в формирование упорядоченных структур в соответствии с законами самоорганизующихся систем. Ассоциирование в пеке 14 февраля-11 мая 2012, Саратов происходит по стохастическому механизму, поэтому его результатом должны быть случайные кластеры. Они хорошо описываются фрактальными соотношениями.

Формирование упорядоченной макроскопической структуры в нефтяных пеках является коллективным эффектом, возникающим в результате процессов самоорганизации, при котором одновременно приходит в движение огромное число структурных элементов. Как результат самоорганизации, на макроуровне возникают силы дальнодействия, и система начинает действовать как единое целое [2].

Эксперименты по изучению макроструктуры проводились на образцах готовых нефтяных пеков путем их плавления, выдержки при заданной температуре и последующего охлаждения в присутствии твердой свободной поверхности. На стадии нагрева происходит разрушение связей между элементами высшего уровня надмолекулярной структуры. На стадии выдержки благодаря каталитическому влиянию твердой свободной поверхности осуществляются коллективные эффекты, приводящие к диффузионному пространственному перераспределению элементов надмолекулярной структуры. В результате этого в расплаве пека формируется «виртуальная» упорядоченная структура, которая фиксируется на этапе охлаждения.

За управляющие параметры были выбраны максимальная температура нагрева tmax и продолжительность термообработки образца — время выдержки Tвыд (время, считая от начала нагрева от комнатной температуры до достижения той же температуры при охлаждении)[2].

Множество полученных структур было разбито на несколько характерных типов, отличающихся по своей морфологии [2]:

1) спиральные;

2) крупнозернистые круговые;

3) мелкозернистые круговые;

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

4) крупнозернистые лепестковые;

5) мелкозернистые лепестковые;

6) с обширными гомогенными и крабовидными областями.

Спиральные структуры получались при длительных временах термообработки и значительной максимальной температуре. Это можно интерпретировать следующим образом: правильные спиральные структуры являются своего рода идеальной морфологической матрицей, формирование которой возможно лишь при идеальных условиях.

Лимитирующим фактором при этом является скорость диффузии парамагнитных компонентов к тем местам, где в результате происходящих процессов самоорганизации они должны встраиваться в общий каркас структуры. Пек является высоковязким продуктом, поэтому при низких значениях обоих управляющих параметров парамагнитные компоненты не успевают продиффундировать требуемое для построения идеальной структуры расстояние и формируют какую-либо искаженную структуру типа крабовидной, круговой или лепестковой.

В последние десятилетия было установлено, что структура вещества, образующегося в условиях, далеких от термодинамического равновесия, может быть описана при помощи математического аппарата фрактальной геометрии. Поэтому мы можем предполагать, что структура вещества, составляющего критический зародыш новой конденсированной фазы, образующейся в процессах кристаллизации сталей и сплавов, фрактальна и является, по всей видимости, фрактальным кластером. Можно привести несколько подтверждений.

Одно из основных свойств фрактальных структур – способность захватывать большое пространство при использовании малого количества вещества. Это становится возможным за счет создания ажурной, сильно разветвленной структуры. Такое «хищническое» поведение фракталов при 14 февраля-11 мая 2012, Саратов захвате пространства делает понятным тот факт, почему вообще в кристаллизующихся системах происходит преодоление энергетического барьера при образовании зародыша критического размера rс.

С другой стороны, чтобы частицы новой фазы могли участвовать в хаотическом тепловом движении, необходима их седиментационная устойчивость, т.е. низкая скорость оседания частиц на дно сосуда.

Фрактальные кластеры обладают гораздо большей седиментационной устойчивостью по сравнению с плотными трехмерными кластерами в силу своей рыхлой структуры и, следовательно, меньшей плотности.

Еще одним доводом, говорящим в пользу фрактального строения зародышей новой фазы является меньшее по сравнению с плотным кластером количество частиц, необходимое для его образования.

Фрактальная структура критического зародыша более реалистична и с точки зрения статистической вероятности столкновения небольшого числа частиц жидкой фазы (расплава).

И, наконец, наиболее существенным фактором, благодаря которому кристаллизующаяся система отдает предпочтение фрактальной структуре зародышей новой фазы, является тот факт, что плотность частиц фрактального кластера снижается от центра к периферии. Поэтому для него, фактически, не существует поверхности раздела с окружающей средой [3].

Учитывая то, что процесс кристаллизации нефтяного пека и металла имеют фрактальный характер и то, что в железоуглеродистых сплавах обнаружены фуллерены, образующиеся в процессе кристаллизации, можно говорить о возможности моделирования процессов кристаллизации железоуглеродистых сплавов на примере нефтяного пека.

Ранее Куликовым Д.В. в работе [2] была предпринята попытка моделирования роста спиралевидных образований при помощи ЭВМ. В результате моделирования были получены изображения, схожие с Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

экспериментальными. Морфологическое сходство микроструктур и структур, полученных при помощи модельных экспериментов, указывает на адекватность методов, применяемых при моделировании начальных стадий роста макроструктуры.

Литература 1. Кузеев И. Р. Совершенствование технологий и повышение долговечности реакционных аппаратов термодеструктивных процессов переработки углеводородного сырья: Дис. … докт. тех. наук. – Уфа: Уфим.

нефт. ин-т, 1987. – 429 с.

2. Куликов Д. В. Структурная иерархия нефтяных пеков: Дис. … канд. техн. наук. – Уфа: УГНТУ, – 1998.

3. Куликов Д.В., Мекалова Н.В., Закирничная М.М. Физическая природа разрушения: Учебное пособие / под ред. И.Р.Кузеева. 2-е изд., перераб., испр. и доп. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. – 395 с.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЗАЩИТНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ХРОМА, НАНЕСЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ Ф. Дж. Хамдамов, Г.А. Юлдашева* Научный руководитель: д. т. н., профессор Р. Х. Сайдахмедов Ташкентский государственный технический университет, г. Ташкент *Андижанский машиностроительный институт, Андижан В последние годы существенно возрос требования к материалам применяемые различным областям техники. Это привело к поискам решения 14 февраля-11 мая 2012, Саратов ряд новых задач связанные с качеством материалов. Одна из этих задач — улучшения механических свойств материалов путем обработки их поверхности. Одним из методов формирования наноструктурных покрытий является магнетронный ионно-плазменный метод нанесения покрытий.

Проводились экспериментальные исследования формирования покрытий хрома ионно-плазменным (магнетронным) методом распыления.

Для нанесения износостойких покрытий хрома на образцы из быстрорежущей стали Р6М5 использовался магнетрон в качестве распылителя. При этом проводилась предварительная обработка поверхности образцов источником ионов [1]. Вакуумная рабочая камера установки УВН-75Р была оснащена магнетронным источником распыления типа МАГ 5ЦМ и источником ионов с холодным катодом, создающим трубчатый поток ионов. Катодом магнетронного источника распыления являлся диск диаметром 130 мм, состоящий из медной основы и слоя хрома толщиной около 5мм, который и подвергался распылению (рис. 1, 2).

Рис. 1. Блок-схема модернизированной установки нанесения покрытий УВН-75Р. 1 – вакуумная рабочая камера, 2 – устройство магнетронного распыления, 3 – источник ионов, 4 – вращающаяся оснастка, 5 – вакуумный пост, включающий насосы и запорную арматуру Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Рис. 2. Схема напыления покрытий на установке УВН-75Р Температура образцов во время осаждения покрытий не превышала 150оС. Толщина вакуумно-осажденных покрытий хрома определялась по контрольной кремниевой пластине, которая находилась в тех же условиях обработки, что и образцы из стали.

Измерение толщины проводилось на микроинтерферометре типа МИИ-4 по стандартной методике [2]. Для этого на кремниевой полированной пластине с осажденным сплошным покрытием хрома формировались ступеньки в виде полос или островков хрома. На поверхность покрытий наносился химически стойкий лак (ФП-383) и проводилось травление хрома в концентрированной серной кислоте в присутствии алюминия (на поверхность участка хрома опускался зонд из алюминия для активации травления). Затем слои лака удалялись в диметилформамиде.

Рис. 3. Микрофотография интерференционной картины 14 февраля-11 мая 2012, Саратов На интерферометре исследовалась возникающая ступенька на границе покрытие - кремниевая подложка. Так как обе поверхности имели высокий коэффициент отражения и небольшую шероховатость в области границы возникала четкая интерференционная картина. Толщина покрытий d определялась по смещению линий интерференционной картины согласно известной формуле:

d = 0,5 · NL где N – число линий смещения интерференционной картины, L – длина волны света (примерно 550 нм). Смещение на 1 линию соответствует ступеньке около 0,27 мкм, таким образом, удобно определять ступеньки размером порядка 1-2 мкм. По проведенным измерениям максимальная толщина покрытия хрома составила около 2,4 мкм для времени осаждения минут. Интерференционная картина в области ступеньки на покрытии хрома приведена на микрофотографии (рис. 3). Исследования показали, что толщина покрытий хрома пропорциональна времени осаждения в интервале 2-20 минут. Впервые 1-2 минуты распыления хрома скорость осаждения покрытий ниже среднего значения. Адгезионная прочность покрытий исследовалась методом нормального отрыва от поверхности покрытий приклеенных металлических стержней.

Образец с покрытием помещался в кассету с вертикальными стержнями (диаметр приклеиваемой части 1 мм), которые приклеивались к покрытию и отрывались с использованием разрывной машины.

Исследования показали, что адгезионная прочность превышала 70-80 МПа (700 кг/см2), так как разрыв происходил по клею.

Исследования химической устойчивости покрытий (образцов) в растворе азотной и плавиковой кислоты показали высокую стойкость защитных покрытий хрома. Для покрытий толщиной менее 1 мкм количество точек коррозии (пор в покрытии) было в 5-10 раз больше, чем для покрытий толщиной 2,3-2,5 мкм.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Информация о рельефе поверхности и размере агломератов наночастиц хрома получена при помощи просвечивающей электронной микроскопии ПЭМ-100. Для исследования поверхности получали двухступенчатые Pt/C реплики [3, 4]. Сначала получали отпечаток, прижимая образец к стеклянной пластинке, покрытой полистиролом, в специальной пресс-форме при 80оС, часа. Затем образец удаляли с поверхности полистирола. На первичный отпечаток напыляли платину и углерод под углом 30-40о в вакуумной установке ВУП-4, затем отпечатки разместили на сеточки с пленкой подложкой и растворяли полистирол в ксилоле.

Суть метода заключается в том, что с объекта снимается тонкая пленка, воспроизводящая рельеф его поверхности, которая и изучается в электронном микроскопе. Первоначально метод реплик предназначался для исследования массивных, не просматривающихся в электронном микроскопе объектов, например, металлов, однако в настоящее время область его применения значительно расширилась, и он приобрел первостепенное значение в прикладной электронной микроскопии. Выяснилось, что в ряде случаев в электронном микроскопе целесообразнее изучать реплики, а не сам объект, если даже последнее представляется возможным.

Объект, исследуемый в электронном микроскопе, помещается в некоторых случаях непосредственно на сеточку или диафрагму, однако наиболее часто объект помещается на пленку-подложку, предварительно расположенную на сетке. Пленки-подложки имеют то же значение, что и предметные стекла в световой микроскопии. Так же как предметные стекла не должны заметно поглощать световые лучи, пленки- подложки не должны поглощать электроны и возможно слабее их рассеивать. Поэтому пленки подложки должны приготовляться из вещества с малым атомным номером и иметь малую толщину. Обычно толщина пленки не должна превышать 10- нм.

14 февраля-11 мая 2012, Саратов 1-образец 2-образец х 15000, 1 см = 660нм.


3-образец 4-образец 15000х, 1см = 660нм.

Рис. 4. Электронно-микроскопические снимки покрытий хрома Пленки изготавливаются из коллодия, формвара, полистирола, кварца.

Наиболее широкое применение нашли коллодиевые пленки. Коллодиевые пленки чаще всего приготовляются непосредственно на поверхности воды.

На очищенную поверхность дистиллированной воды в сосуде диаметром 90мм и глубиной 60мм опускается капля 1%-ного раствора коллодия в амилацетате. Капля растекается по поверхности воды на большой площади, практически при высокой чистоте поверхности до стенок сосуда. На поверхность пленки помещаются несколько сеток параллельными рядами.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Расстояние между соседними сетками должно быть 5-6мм. Осторожно каким-либо чистым предметом надавливают на каждую сеточку для того, чтобы пленка коллодия прилипла к сетке.

Электронно-микроскопические исследования показали, что в покрытиях полученным магнетронным распылением наблюдаются структуры с наночастицами хрома с размером 66-230 нм.

На основе проведенных исследований можно сделать заключение о широких возможностях использования вакуумно-осажденных магнетронным распылением покрытий хрома взамен гальванических.

Литература 1. Сайдахмедов Р. Х., Кадырбекова К. К., Камардин А. И. Электронная микроскопия защитных покрытий, нанесенных магнетронным распылением / Материалы Всероссийского совещания заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов. Саратов, 2010. С. 62-68.

2. Сайдахмедов Р. Х., Кадырбекова К. К. Исследование защитных покрытий хрома, нанесенных магнетронным распылением/Вакуумная наука и техника. Сочи, 2010. С. 51-58.

3.Техника электронной микроскопии. Под редакцией Д. Кей. М.: Мир, 1965.

4. Jayme G., Hunger G. Mikroskopie. 13, 24 (1958).

14 февраля-11 мая 2012, Саратов ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НАНО-ТОЛЩИНЫ НА МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ СТЕКЛЯННЫХ ПОРОШКАХ А.В. Иванов, М.С. Саломатников Научный руководитель: д.т.н., профессор Сундуков В.К.

Тульский государственный университет, г. Тула В настоящее время все более широкое применение в различных областях промышленности находят тонкие пленки различных металлов от десятков нанометров до нескольких микрометров и их соединений на неметаллических основах.

Создание новых материалов защищающих от воздействия электромагнитного и теплового излучения, является актуальной задачей для развивающейся промышленности. Предлагается использовать, в качестве наполнителя в различных материалах, стеклянных порошок, представляющий собой пустотелые шарики, с металлическим покрытием.

Существующие методы металлизации (плакирования) порошковых материалов (электролитическая, химическая, газопламенная металлизация) [1], не обеспечивают получение металлических покрытий с высокой адгезией, а в случае газопламенной металлизации возможно разрушение частиц стеклянного порошка в результате температурного воздействия.

В качестве альтернативы предлагается использовать технологию получения покрытий на поверхности стеклянных микросфер, основанную на электродуговом испарении материала катодов метод КИБ (конденсация вещества в вакууме с ионной бомбардировкой), традиционно используемую для нанесения износостойких покрытий на поверхность режущего инструмента [2]. Метод лишен вышеуказанных недостатков, позволяет тонко контролировать толщину формируемого покрытия, имеет Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

возможность формирования равномерной оболочки титана и его соединений на электропроводных и неэлектропроводных порошках с высокой адгезией к материалу основы и скоростью осаждения покрытия.

Целью работы - разработка методики нанесения металлических покрытий нанометровой толщины на образцы мелкодисперсных стеклянных порошков (на примере полых стеклянных микросфер) методом КИБ на модернизированном оборудовании – установке ВУ-1Б.

При выполнении исследования были использованы образцы мелкодисперсного стеклянного порошка – полые стеклянные микросферы диаметром 6…235 мкм, полученные из предварительно измельченного многокомпонентного стекла в газопламенных печах с последующим разделением продукта сферолизации по плотности и его поверхностной обработкой.

Образцы стеклянных микросфер перед плакированием прогревали в резистивной печи модели СНВС – 4,5.4,5.4/З И1, для подсушки и создания благоприятных условий формирования металлического покрытия с высокой адгезией. Выбор температуры прогрева и времени выдержки порошка в печи проводили по результатам предварительных экспериментов, которые показали, что при температуре в печи в диапазоне 100…150 0С и времени до 5 минут термическое разрушение микрочастиц не происходит.

Для металлизации стеклянных микросфер использовали метод электродугового испарения материала катодов (КИБ), традиционно используемый для нанесения износостойких и защитных покрытий на поверхности режущего инструмента. Нанесение покрытий осуществляли на промышленной модернизированной установке ВУ-1Б, оснащенной специальным приспособлением для перемешивания порошковых материалов и нагревательным элементом (теном) для подогрева образцов и 14 февраля-11 мая 2012, Саратов создания благоприятных условий формирования покрытия с высокой адгезией к поверхности стеклянных микросфер.

Одной из главных задач при металлизации порошковых материалов, является уменьшение доли непропыленных частиц. В связи с чем, было разработано приспособление (рис. 1), обеспечивающее перемешивание порошка с наложением вибрации в процессе вакуумной металлизации.

После прогрева в резистивной печи, образцы стеклянного порошка 7, объемом около 20 мл (масса 4,2115 гр.) засыпали в ванну 4, выполненную в виде круглого короба из нержавеющей стали. Ванна располагалась на установочной платформе 5, которая была повернута на угол относительно вертикальной оси, для создания условий пересыпания порошка. При помощи гибкого вала 6, соединенного с поворотным столом 8 установки, ванна проводилась в движение. Для интенсификации процесса перемешивания стеклянного порошка, к основанию ванны закреплялось зубчатое колесо, по которому при вращении производились удары кулачком 3.

Далее производили откачку воздуха в камере до значения давления остаточных газов - 8·10-3 Па. Перед нанесением покрытия на стеклянные микросферы производили их вторичный прогрев в течение 3 мин нагревательным элементом (тэном), ванна с порошком при этом вращалась, тем самым обеспечивался прогрев частиц.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Рис. 1. Схема металлизации порошковых материалов методом КИБ с использованием перемешивающей ванны:

1 – катод-распылитель;

2 – поток напыляемых частиц;

3 – кулачок;

4 – ванна;

5 – установочная платформа;

6 – гибкий вал;

7 – стеклянные микросферы;

8 – поворотный стол Покрытия, получаемые в работе на образцах мелкодисперсного стеклянного порошка, формировались из потока плазмы 2, генерируемого с катода-испарителя 1. Материал катода-испарителя – титан марки ВТ1- ГОСТ 22897-86 (99,99 % чистоты). Ток дуги составлял – 85 А. Расстояние от катода-испарителя до металлизируемого порошка составляло от 250 до 300 мм.

Получение металлизированных титаном образцов стеклянного порошка происходило при циклическом вращении ванны. Полный оборот ванны совершался за время 2 с, далее в течение времени около 2,5 с вращения не происходило. Общее время металлизации в вакуумной камере составляло: для первой партии порошка – 2 мин;

для второй партии порошка – 5 мин;

для третьей партии порошка – 10 мин;

для четвертой партии порошка – 11 мин.

14 февраля-11 мая 2012, Саратов В результате экспериментов получили образцы металлизированных полых стеклянных микросфер, у которых в дальнейшем оценивали долю непропыленных частиц и толщину формируемого покрытия титана с помощью оптического микроскопа Zasilacz ZM 6/50.

Образцы стеклянных микросфер закрепляли в матрице из эпоксидной смолы и после ее застывания вручную шлифовали бумажной шлифовальной шкуркой нескольких номеров с последовательно уменьшающейся зернистостью. Далее производили полировку войлоком с использованием пасты ГОИ ТУ 6-18-176-75. Для удаления загрязнений, полученных при шлифовке и полировке, из внутреннего объема полых микросфер, образцы помещались в ультразвуковую ванну наполненную бензином БР1 (ГОСТ 443-76) на 4 минуты.

В результате исследования по нанесению металлических покрытий, получены образцы полых стеклянных микросфер с покрытием титана (рис.

2).

Экспериментально установлено, что доля непропыленных частиц стеклянного порошка с увеличением времени обработки уменьшается.

Результаты экспериментов по формированию покрытия титана на поверхности мелкодисперсного стеклянного порошка представлены на рис. 3.

Рис. 2. Фрагменты металлизированных стеклянных микросфер с покрытием титана: 1 – микросфера с покрытием титана;

2 – микросфера без покрытия титана Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Из анализа рис. 2, 3, следует, что при осаждении титана во временном диапазоне от 2 до 11 мин, от 40% до 95% стеклянных микросфер имеет металлическое покрытие. Однако получить покрытие из титана на всех стеклянных микросферах не удалось, ввиду большого разброса размеров фракции стеклянного порошка.

Можно сделать вывод, что частицы порошка за короткое время обработки не успевают перемешиваться так, чтобы каждая частица оказалась на поверхности, поэтому решением задачи нанесения металлического покрытия на все частицы является либо увеличение времени обработки, либо улучшение перемешивания порошка, либо уменьшение его количества. Резкое уменьшение доли непропыленных частиц за время осаждения титана 11 мин. (рис. 3), объясняется не только увеличение времени, но и возможно, снижением сил сцепления между частичками стеклянного порошка, что приводит к улучшению его перемешивания в результате формирования на них пленки титана.

Доля непропыленных частиц,% 2 5 10 Время обработки, мин Рис. 3. Гистограмма доли непропыленного порошка от времени обработки Установлено, что толщина покрытий на поверхности стеклянных микросфер составляла, примерно, до 1 мкм (рис. 4).

14 февраля-11 мая 2012, Саратов а б Рис. 4. Изображение сечений стеклянного порошка:

1 – матрица из эпоксидной смолы;

2 – сечение микросферы;

3 – титановое покрытие;

а – стеклянная микросфера без покрытия;

б – стеклянная микросфера с покрытием титана Разработана методика ионно-плазменного плакирования покрытием титана мелкодисперсных стеклянных порошков, методом КИБ на модернизированном оборудовании.

Для уменьшения доли непропыленных частиц, было предложено, как подтвердилось экспериментально – увеличивать время металлизации.

Увеличением времени обработки порошка объемом 20 мл (масса 4,2115)до 11 минут, сократили количество непропыленных сферических микрочастиц до 5 %.

Проведенные исследования показали, что толщина покрытия на стеклянных микросферах составляет, примерно, до 1 мкм.

Микросферы с полученными характеристиками титанового покрытия могут использоваться экранирования электромагнитного излучения, например, для защиты кардиостимуляторов, в качестве наполнителя для теплоизоляционных материалов, с целью отражения излучения в ИК-диапазоне длин волн.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Литература 3. Копилов В.І., Смирнов І.В., Сєліверстов І.А. Процеси іонно плазмового плакування порошків для газотермічних покриттів // Наукові вісті НТУУ "КПІ", 2009, №3, С. 11-20.

4. Саломатников М.С. Металлизация маложестких и несвязанных объектов // Научные труды. «XXXVII Гагаринские чтения».

Международная молодежная научная конференция. Москва, 2011. – Т.3. – С. 141-142.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМ АППАРАТОМ В ПРОЕКТЕ «МОРСКОЙ СТАРТ»

С.М. Наумов Научный руководитель: к.т.н., доцент В.В. Вельтищев* СОШ № 2030, г. Москва *Московский госудратственный технический университет им. Н.Э.Баумана, г. Москва Организация деятельности человека в морях и океанах (как на глубинах, так и на дне) в широком масштабе просто немыслима без привлечения разнообразных роботов всех поколений. Необитаемые подводные аппараты (НПА) являются самым безопасным для человека средством при освоении морских глубин.

Особую роль подводным аппаратам уделяют разработчики проекта «Морской старт». Морской старт (англ. Sea Launch) — плавучий космодром для запуска ракет. После запуска ракеты, отработавшие ступени и иные части ракеты падают в океан. Важной задачей становится 14 февраля-11 мая 2012, Саратов изучить их состояние после запуска, для чего необходимо осуществить их поиск и подъём. С этими задачами успешно справляются необитаемые подводные аппараты (НПА).

Для управления такими аппаратами необходимо создание специальных программ. В МГТУ им. Н.Э.Баумана создается программный комплекс для обучения персонала управлением НПА. Его можно использовать и для отладки характеристик вновь создаваемых НПА. Это позволит снизить затраты на реальные эксперименты, что приведет к существенному экономическому эффекту.

Прямое назначение программного комплекса – тренажёр для обучения обслуживающего персонала управлению подводным аппаратом.

Также его можно использовать для других целей. Например, для визуального наблюдения и качественной оценки работы системы управления на данном подводном аппарате.

Разработанный продукт оснащён графическим интерфейсом пользователя, позволяющим задавать параметры физической модели подводного аппарата, а также его геометрическую модель для отображения на экране. Также имеются средства для задания звеньев системы управления для подводного аппарата.

В качестве задающего устройства используется джойстик с шестью степенями свободы с дифференцированным сигналом по каждой степени 3D Connexion Space Navigator.

Управление аппаратом ведётся по скорости.

Благодаря модульности объектного кода программного комплекса, он позволяет, не влезая в исходные коды всех его программ, подключать модули, работающие с другими джойстиками. Для этого надо только написать соответствующую DLL библиотеку и заменить. Для этого нужно знать, как определяется область оперативная память, через которую идёт обмен данными и при необходимости сделать также поддержку файла Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

настройки максимальных скоростей. Этот файл редактируется с помощью графического интерфейса пользователя программного комплекса.

Программный комплекс включает в себя:

Пакет МВТУ 3.7, Проект, созданный в среде МВТУ 3. DLL библиотеки:

dinmodelling.dll fizmodel.dll irrlicht.dll spacenav.dll velocity.dll Программа «Характеристики НПА» - графический интерфейс пользователя. Также имеются вспомогательные файлы, среди которых графические, настроечные и др.

Для запуска моделирования нужно открыть проект в среде МВТУ 3. и нажать Моделирование-Расчёт.

Для отладки и слежения за работой программы используются программы-вьюверы для просмотра файлов оперативной памяти.

Структурная схема взаимодействия модулей программного комплекса показана на рисунке 1.

Взаимодействие блоков осуществляется через оперативную память компьютера.

Через каждый файл оперативной памяти обмен осуществляется в одном направлении, т.е. одна программа имеет право на запись в данный файл, а другие только на чтение. Содержимое файлов оперативной памяти можно контролировать с помощью программ просмотра файлов оперативной памяти, входящих в программный комплекс тренажёра.

14 февраля-11 мая 2012, Саратов В пакете МВТУ собрана система управления подводным аппаратом, которая интегрируется в режиме реального времени. Передаточные функции корректирующих звеньев системы управления и обратные связи заданы в среде пакета МВТУ с помощью его инструментальных средств. А передаточная функция аппарата и движителей реализована в программе физической модели «dinmodelling.dll».

Связь между ними организована в виде передачи сигналов через оперативную память. С корректирующих звеньев в физическую модель передаются 6 напряжений, формирующих желаемый главный вектор сил и моментов, действующих на аппарат. По этим данным программа физической модели должна посчитать режимы работы движителей, обеспечивающие максимально возможное приближение вектора сил и моментов аппарата к заданному и задать эти режимы движителям. После этого она должна проинтегрировать систему дифференциальных уравнений и отослать телеметрию положения подводного аппарата в систему управления в пакете МВТУ 3.7.

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

Рис. 1. Структурная схема пакета моделирования НПА Программа физической модели состоит из пяти частей:

- вспомогательный интегрирующий блок;

- отрисовщик модели;

- блок управления манипулятором;

- блок интегрирования уравнений динамики аппарата и манипулятора;

- автоматическая раскладка движителей.

Программа реализована в виде четырех частей:

1) Инициализация 14 февраля-11 мая 2012, Саратов 2) Главный цикл 3) Деструктор программы 4) Приёмник событий При инициализации программа ищет свой файл настроек “data.ini” и читает его. Там содержатся все настройки, задаваемые с помощью программы редактирования параметров физической модели. Чтение файла сделано с использованием потокового файлового ввода/вывода, т.к. это наиболее удобно и текст программы получается самый компактный.

Далее программа проверяет наличие на жестком диске файлов 3D сеток аппарата, манипулятора и системы координат. Затем происходит создание файлов в оперативной памяти. Эти файлы InputCoordinates и OutputCoordinates – соответственно файлы задаваемых координат аппарату и телеметрии с аппарата. После этого происходит обнуление глобальных переменных программы, выбирается тип используемого драйвера (OpenGL) и создаётся окно отрисовщика. Для отрисовки всего в программе и работы с видеодрайвером используем 3D движок реального времени IrrLicht. Затем создаём все объекты виртуального мира. Это окружение небо-земля, вода, дно моря, аппарат, манипулятор и свет на аппарате. Тут же создаём ещё приёмник событий от клавиатуры для управления манипулятором.

Далее идёт главный цикл программы. В главном цикле происходит следующее:

- читаем данные с джойстика, интегрируем их и посылаем на вход САУ в пакете МВТУ;

- считываем желаемый главный вектор сил и моментов управлением аппарата из файла оперативной памяти из пакета МВТУ;

- рассчитываем возможный главный вектор в соответствии с конфигурацией движителей;

Международная заочная научная конференция для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»

- считаем главные векторы сил и моментов от гидродинамических сил, силы Архимеда и добавляем вектор силы тяжести;

- интегрируем систему дифференциальных уравнений подводного аппарата;

- передаём полученную телеметрию в САУ в МВТУ через файл оперативной памяти;

- интегрируем динамику манипулятора;

- отрисовываем всё на экране с помощью IrrLicht.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:





 
© 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.