- •Минобрнауки россии__________________
- •И.А. Туркин, с.А. Суворов проблемно-целевое проектирование научного эксперимента в материаловедении высокотемпературных наноструктурированных материалов и изделий
- •1 Постановка и анализ задач проектирования научного эксперимента
- •1.1 Инвариантные понятия техники
- •1.1.1 Характеризация технических объектов и нанообъектов
- •1.1.2 Систематика задач поиска и выбора технологических
- •1.2 Критерии развития техники и технических объектов
- •1.2.1 Условия выбора и характеристики критериев
- •1.2.2 Функциональные критерии
- •1.2.3 Технологические критерии
- •1.2.4 Экономические критерии
- •1.2.5 Антропогенные критерии
- •1.3 Законы строения и развития техники
- •1.3.1 Закон прогрессивной эволюции техники
- •1.3.2 Закон соответствия между функцией и структурой
- •1.3.3 Закон стадийного развития техники
- •1.4 Списки недостатков и требований при разработке новых технических объектов
- •2 Функциональный анализ технических объектов
- •2.1 Описание функциональной структуры технического
- •2.1.1 Построение функциональной структуры технического
- •2.1.2 Описание физической операции, реализуемой с помощью технического объекта
- •2.1.3 Описание принципа реализации физико-химических
- •2.2 Методика постановки задачи по улучшению характеристик прототипа.
- •Системный выбор конкурентоспособных решений при разработке новых технических объектов
- •3 Проектирование научного эксперимента в материаловедении
- •Основные функции и критерии развития
- •3.1.1 Элементы функциональной наноструктуры
- •3.1.2 Физико-химические и размерные эффекты при изготовлении и эксплуатации высокотемпературных наноструктурированных материалов
- •3.1.3 Анализ технологических решений при разработке
- •3.2 Схемы экспериментального анализа наноматериалов
- •3.2.1 Порядок экспериментального анализа наноматериалов при заданной функции и прототипе
- •3.2.2 Порядок экспериментального анализа наноматериалов при заданной функции
- •3.2.3 Порядок экспериментального анализа при разработке новых
- •Заключение
- •190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
3.1.2 Физико-химические и размерные эффекты при изготовлении и эксплуатации высокотемпературных наноструктурированных материалов
Основные физико-химические эффекты, обуславливающие процессы, протекающие при изготовлении и использовании ВТМ, прямо или косвенно связаны с воздействием на структурные элементы объекта теплового поля. Нагрев приводит к активации в материале движения элементов фаз, слагающих объект, результатом чего является формирование вторичных энергетических полей: механического, химического, электромагнитного и др.
Таблица 4 Примеры некоторых проявлений различных видов энергии
Вид энергии |
Форма движения материи |
Вид проявления |
Механическая энергия |
Движение тел и частиц |
Перемещение, вращение, колебания твердых тел, жидкости, газа, молекул, атомов |
Упругая деформация |
Сжатие, изгиб, растяжение, кручение твердых тел |
|
Взаимодействие между частицами |
Силы поверхностного натяжения, капиллярности, сорбции |
|
Тепловая энергия |
Тепловое движение частиц (в том числе хаотичное и направленное) |
Перемещение, смещение, вращение, колебания частиц; Смещение зарядов, возбуждение электронных орбит |
Энергия фазовых переходов |
Фазовые переходы первого рода |
Изменение: агрегатного состояния, кристаллической структуры; растворение кристаллов |
Фазовые переходы второго рода |
Поляризация диэлектриков; пере-ход в сверхпроводящее состояние |
|
Химическая энергия |
Химические реакции
|
Соединение: окисление, рекомбинация, полимеризация, гидратация, ионизация присоединения Разложение: диссоциация, дегидратация Замещение: в кристаллах, в электролитах, на границе раздела сред |
Ядерная энергия |
Синтез и деление ядер |
Спонтанное, управляемое, импульсное |
Аннигиляция |
Атомов, молекул, макросистем |
|
Энергия полей |
Гравитационное взаимодействие тел |
Притяжение, гравитационные волны, коллапс |
Электрическое поле |
Поле зарядов, поляризация |
|
Магнитное поле |
Намагничивание, Взаимодействие токовых систем |
|
Электромагнитное поле |
Электрический ток, электромаг-нитные волны, МГД–волны |
|
|
Поле внутриядерных сил |
Силы спиновой ориентации |
Физико-химические эффекты, как результаты взаимодействия полей и физических объектов необходимо рассматривать и описывать на двух уровнях. Потенциал и структура возникающих энергетических полей и соответственно результирующих макроэффектов - верхний иерархический уровень - в большей степени определяют параметры физических элементов материала - частиц в твердом, жидком и газообразном состоянии. К ним относят суммарные, часто зрительно фиксируемые изменения объекта: объемные изменения (рост или усадка), пластическая деформация, разрушение за счет образования макротрещин, разрушение за счет химической коррозии и т.д. Эффекты нижнего уровня (на наноуровне) проявляются на структурных элементах фаз материала, величина и структура которых часто связана со стехиометрией и дефектами кристаллов, гомогенностью, строением пор.
Таблица 5 Примеры физико-химических эффектов
Наименование эффекта |
Воздействие |
Объект |
Результат воздействия |
Краткая сущность эффекта |
Архимеда эффект (закон) |
Гравита-ционное поле |
Тело, погружен-ное в жидкость |
Сила, движение |
Образование выталкивающей силы |
Всемирное тяготение |
Гравита-ционное поле |
Материальная точка |
Силовое поле, движение |
Действие на тело силы гравитации пропорциональной массе тала |
Диффузия |
Тепловое поле |
Вещество |
Движение |
Взаимное проникновение соприкасающихся веществ вследствие теплового движения частиц |
Упругая деформация |
Сила |
Твердое тело |
Сила, перемещение |
Обратимое изменение размеров тела в период действия сил |
Внутреннее трение |
Сила |
Твердое тело |
Перемещение, тепловое поле |
Превращение механической энергии в тепловую в процессе деформирования |
Нагревание при деформации |
Сила |
Твердое тело |
Тепловое поле, перемещение |
Переход части работы, затрачиваемой на изменение размеров или объема тела, в тепловую энергию |
Продолжение таблицы 5 |
||||
Тепловое расширение твердых тел |
Тепловое поле |
Твердое тело |
Сила, перемещение |
Изменение размеров или формы тела в процессе его изобарического нагревания |
Теплопроводность |
Тепловое поле |
Твердое тело |
Тепловой поток |
Возникновение теплового потока под действием градиента температур |
Ультразвуковое диспергирование |
Звуковое поле (ультра-звук) + силовое поле |
Твердое тело |
Силовое поле, движение |
Измельчение твердых тел под действием ультразвуковых колебаний |
Вибрационное перемещение |
Сила |
Элементы твердого тела |
Движение |
Снижение сил трения на соприкасающихся поверхностях |
Термоупругий эффект |
Тепловое поле (гради-ент) |
Твердое тело |
Сила (давление) |
Появление температурных напряжений при изменении температуры тела |
Плавление – кристаллизация |
Тепловое поле |
Твердое тело, жидкость |
Сила, движение |
Изменение агрегатного состояния вещества |
Горение |
Тепловое поле |
Вещество + кислород |
Тепловой поток, химическое соединение |
Химическая реакция окисления |