№ 2 (2023)

В работе подробно исследуются процессы и продукты горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) порошка оксида цинка ZnO из смесей таких распространенных реагентов, как окислитель нитрат цинка и восстановитель (топливо) глицин, а также применение синтезированного высокодисперсного субмикронного и наноразмерного порошка ZnO для фотокаталитического разложения фенола под действием ультрафиолетового облучения. Сжигался водный раствор смеси реагентов (процесс СВС-Р или Solution Combustion Synthesis – SCS) и гель из смеси исходных сухих реагентов, полученный при их увлажнении за счет гигроскопичности (процесс СВС-Г или Gel Combustion Synthеsis – GCS). Исследовались фазовый и химический составы, структура продуктов горения, влияние на них и на их фотокаталитическую активность таких факторов, как обжиг в окислительной воздушной среде (прокаливание) и измельчение в барабанной шаровой и планетарно-центробежной мельницах, а также в ступке. Показано, что прокаливание существенно повышает фотокаталитическую активность продуктов горения за счет значительного уменьшения примеси углерода в остатках несгоревшего топлива, а измельчение в мельницах уменьшает фотокаталитическую активность за счет загрязнения железом и укрупнения агломератов частиц ZnO. Разница между фотокаталитической активностью продуктов СВС-Г и СВС-Р в разложении фенола заметна только на начальной стадии ультрафиолетового облучения, затем эта разница исчезает. Обсуждается направление дальнейшего исследования для существенного повышения фотокаталитической активности синтезируемого при горении оксида цинка с целью его эффективного использования для разложения фенола под действием видимого света.

Поликристаллические композитные материалы из углепластиков находят все более широкое распространение в машиностроении и становятся основным материалом при производстве современных видов скоростного транспорта. Так, в конструкции пассажирских летательных аппаратов их доля уже достигла 35–45 %. Однако технология механической обработки поверхностей деталей из этих материалов, в частности отверстий, отличается недостаточной изученностью, отсутствием нормативов режимов резания и основывается чаще всего на производственном опыте предприятий. При изменении условий обработки и материала длительность технологической подготовки производства становится причиной существенного увеличения себестоимости изготовления деталей вследствие необходимости опытного подбора рациональных элементов режима резания. Для исключения эмпирического подбора рациональных элементов режима резания на станочном оборудовании была рассмотрена возможность использования цифровых двойников для исследования процессов сверления отверстий в заготовках из композиционных материалов, в том числе (для повышения качества и производительности обработки) с введением в зону формообразования новых поверхностей энергии ультразвукового поля. При моделировании использовалась программа LS-DYNA. Подготовка моделей и обработка результатов выполнялась в программе LS-PrePost 4.8. В процессе исследований применялся явный метод моделирования с предварительной валидацией и калибровкой результатов тестовых испытаний композитов. Калибровка осуществлялась на тестовых операциях растяжения, трехточечного изгиба и межслойного сдвига широко используемого в отечественном машиностроении полимерного композиционного материала на основе углеродных волокон (углепластика) ВКУ-39. Разработанные конечно-элементные компьютерные модели позволяют имитировать технологические процессы сверления без проведения достаточно сложных и затратных натурных испытаний. В результате моделирования был получен файл симуляции, который отражает процесс сверления отверстий в заготовке из полимерного композиционного материала, максимально приближенный к реальной ситуации со снятием стружки.

Сплавы системы Cu–Pd и Cu–Pd–Ag, благодаря малому электросопротивлению, могут найти применение в качестве коррозионностойких проводников слабых электрических сигналов. Работа посвящена сопоставлению структуры и физико-механических свойств Cu, сплавов Cu–3Pd и Cu–3Pd–3Ag (ат. %) после деформации при комнатной или криогенной температуре и последующих отжигов. Исследованы образцы, находящиеся в различных исходных состояниях: закаленном, деформированном при комнатной и криогенной температурах. Для изучения процессов перестройки структуры и эволюции свойств проводили отжиги в интервале температур от 100 до 450 °C с последующим охлаждением в воде. Продолжительность термообработок составила 1 ч. Зависимости предела текучести и удлинения до разрушения от температуры отжига показали, что криодеформация существенно повышает термическую стабильность структуры как чистой меди, так и тройного сплава Cu–3Pd–3Ag. По температурной зависимости удельного электросопротивления деформированного сплава Cu–3Pd–3Ag при нагреве со скоростью 120 град/ч установлено, что вызванное рекристаллизацией снижение электросопротивления начинается выше 300 °C. Зависимости удельного электросопротивления от истинной деформации показали, что механизмы перестройки структуры в ходе деформации у чистой меди и сплава Cu–3Pd–3Ag различны. По результатам математической обработки пиков на дифрактограммах установлено, что в сплаве Cu–3Pd–3Ag после криодеформации и отжига возникают две фазы, одна из которых обогащена серебром, а другая обеднена. Показано, что при отжиге деформированного (особенно после криодеформации) сплава Сu–3Pd–3Ag наблюдается аномальное повышение прочностных свойств. Обнаружено, что легирование меди палладием и серебром приводит к повышению температуры рекристаллизации. Таким образом, сплавы меди с малыми добавками палладия и серебра представляют очевидный интерес для практических приложений, так как имеют повышенные прочностные свойства, удовлетворительную электропроводность и более высокую температуру рекристаллизации по сравнению с чистой медью.

Проанализированы особенности проявления сигналов акустической эмиссии (АЭ) при плазменно-электролитическом оксидировании (ПЭО) алюминиевого сплава АМг6 в биполярном (анодно-катодном) импульсном режиме внутри каждого цикла приложения напряжения. Исследован диапазон режимов ПЭО, который практически полностью перекрывает все типовые технологические режимы обработки алюминиевых сплавов по плотностям тока (6–18 А/дм²) и токовому соотношению в полупериодах (0,7–1,3), что позволило зафиксировать и изучить АЭ, сопровождающую формирование оксидных слоев различного назначения. Впервые благодаря регистрации АЭ выявлена новая стадия ПЭО, на которой отсутствует микродуговой пробой до подложки, но которая сопровождается приростом толщины слоя и природа которой пока не выяснена. По известным признакам стадий оксидирования систематизированы повторяющиеся формы проявления АЭ в циклах воздействия и установлено пять их типов и три подтипа. Показано, что используемый сегодня подход установления стадий ПЭО по параметру «амплитуда акустической эмиссии» обладает большой погрешностью, так как не учитывает форму сигналов и полупериод их регистрации. Поэтому разработан и апробирован подход анализа кадров АЭ синхронно с циклами изменения формовочного напряжения при ПЭО и предложен новый параметр «акустико-эмиссионная медиана», позволяющий выявить основные типы и подтипы сигналов, сопровождающих стадии оксидирования. Выполнено экспериментальное исследование предложенного параметра оценки АЭ для обнаружения названных стадий ПЭО, которое подтвердило работоспособность, большую точность и чувствительность предложенного параметра к подтипам сигналов АЭ, регистрируемых на катодной стадии «мягкого искрения». Последнее представляет особый интерес, так как является средством исследования данной стадии оксидирования с разрешающей способностью, равной циклу воздействия.

В современной литературе практически отсутствуют данные об электрических характеристиках битумных вяжущих, модифицированных углеродными нанотрубками и графеновыми нанопластинками, между тем как они необходимы для проектирования и разработки инновационных составов асфальтовых покрытий, восприимчивых к сверхвысокочастотному микроволновому излучению. Современные битумные вяжущие представляют собой многокомпонентные системы, которые могут содержать полимеры, каучуки, синтетические или природные смолы, неорганические соли и даже ароматизаторы. В результате применения модифицирующих добавок битум приобретает высокие эксплуатационные характеристики. Особый класс модификаторов составляют микро- и наноразмерные электропроводящие волокна и частицы (стальная вата, углеродные волокна, технический углерод, углеродные нанотрубки, графеновые нанопластинки), применение которых позволяет обеспечивать восприимчивость битумных вяжущих к сверхвысокочастотному микроволновому излучению и реализацию процесса залечивания трещин в асфальтовом покрытии с его последующей регенерацией. В рамках исследования разработана оригинальная методика получения битумных вяжущих, модифицированных углеродными нанотрубками и многослойным графеном. Экспериментально получены модифицированные битумные составы в диапазоне концентраций от 0,2 до 6 и от 0,2 до 11 масс. % для многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) и многослойных графеновых нанопластинок (МГ) соответственно. Впервые проведено исследование зависимости удельной объемной электрической проводимости нанокомпозитов на основе битума от концентрации наноструктурного углеродного наполнителя (МУНТ и МГ). Максимальные значения электрической проводимости составили 4,76×10⁻⁴ См/см и 3,5×10⁻⁴ См/см для нанокомпозитов, содержащих 6 масс. % МУНТ и 11 масс. % МГ соответственно. Определены объемные доли наполнителя на пороге перколяции для нанокомпозитов, содержащих МУНТ и МГ. Они составили 0,22 и 2,18 соответственно. Образование перколяционного контура у нанокомпозитов, содержащих МУНТ, происходит при значительно меньших концентрациях наполнителя по сравнению с битумными композициями, имеющими в своем составе МГ.