МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ЗЕРНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ильиных А.В.

Пермский государственный технический университет

Рост доли использования в промышленности зернистых композитов, в особенности таких материалов, как керамики и спеченные стали, обуславливает необходимость создания теоретических основ для разработки рекомендаций по изменению структуры материалов, позволяющих улучшить их характеристики. Представленные материалы обладают низким коэффициентом трещиностойкости, что существенно сужает область их применения и не позволяет в полной мере использовать их прочностные свойства.

Структура зернистых композиционных материалов оказывает существенное влияние на процессы деформирования и разрушения. Особую роль в процессе накопления повреждений играют такие факторы как наличие пористости, включений различных типов и разориентации зерен в объеме композита. В настоящей работе структура представленных композитов рассматривается в виде ортотропных зерен с заданными деформационно-прочностными характеристиками.

Исследование механического поведения зернистых композитов проводилось на основе стохастической краевой задачи механики деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред. Метод конечных элементов и процедура метода переменных параметров упругости позволяет выявить на структурном уровне особенности процессов разрушения рассматриваемых композиционных материалов, которые протекают по различным механизмам, описываемым совокупностью критериев прочности.

Разработаны алгоритмы компьютерного синтеза плоских случайных структур зернистых композитов с учетом заданных законов распределения параметров ориентации, размеров и формы структурных элементов.

Представлены результаты численного моделирования плоских зернистых структур, имеющих заданные значения пористости и геометрических параметров зерен, и процессов разрушения с построением полных диаграмм деформирования для различных видов сложного макрооднородного напряженно-деформированного состояния. Проанализированы особенности механического поведения материалов на закритической стадии деформирования, характеризуемой процессами накопления повреждений на структурном уровне. Выявлено, что на такие эффективные характеристики материала, как прочность и трещиностойкость, существенное влияние оказывают сочетание вида макрооднородного напряженно-деформированного состояния и ориентации зерен в пространстве, а также наличие пор и\или жестких включений. Показано, что с увеличением содержания в материале более жестких элементов повышается значение коэффициента трещиностойкости, и, как следствие, рассматриваемые композиционные материалы с заранее заданными упруго-хрупкими свойствами элементов структуры обладают способностью к пластическому деформированию.

Созданные алгоритмы и программы являются основой для получения случайных объемных структур с заранее заданными законами распределения параметров зерен, выявления зависимостей эффективных характеристик материала от структурных особенностей и вида макрооднородного напряженнодеформированного состояния, а также для учета неоднородности полей напряжений и деформаций в структурных элементах. Полученные диаграммы деформирования позволяют оценить способность материала нести нагрузку при наличии трещин и повреждений по виду ниспадающей ветви. На примере керамических композиционных материалов в модели планируется учесть фазовые переходы, протекающие под воздействием высоких температур, что приводит к скачкообразным изменениям напряженно-деформированного состояния.

Работа выполнена при финансовой поддержке по гранту РФФИ-Урал № 01-01-96479.

СТАБИЛЬНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МИКРОРЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ H:TI:LINB03 ВОЛНОВОДНЫХ СЛОЕВ

Калабин И.Е. **, Азанова И.С. *, Атучин В.В. **, Щеглов Д.В. **', Шевцов Д.И. *

*Пермский государственный университет,

**Институт физики полупроводников СО РАН

Легирование титаном монокристальных подложек ниобата лития (LN) на сегодняшний день является одной из основных технологий получения планарных и канальных волноводных структур, используемых

винтегральной оптике. Основным преимуществом получаемых слоев состава Ti:LiNb03 является высокая стабильность оптических свойств во времени, а также от температуры эксплуатации интегрально-оптических устройств. Однако в процессе производства таких волноводов используются высокотемпературные операции, температура при которых близка к температуре Кюри LN. Кроме того,

в[1] было отмечено формирование фаз LiNb30 8 и HNb03 на поверхности LN после

высокотемпературных обработок при температурах в диапазоне 400-850°С, а в [2] показано, что высокотемпературные отжиги (400-1000°С) существенно влияют на-морфологию поверхности LN. Помимо прочего, данные волноводные слои поддерживают пропускание света обеих поляризаций - ТЕ и ТМ, что во многих практически важных приложениях недопустимо. Подавить свет одной из поляризаций в волноводе возможно, используя дополнительное легирование Ti:LN волноводного слоя водородом. Системы получаемого при этом состава H:Ti:LN в настоящее время слабо исследованы.

В связи с этим, было изучено изменение морфологии поверхности кристалла, а также фазовый состав приповерхностного слоя в процессе изготовления волноводного слоя H:Ti:LN.

Микрорельеф контролировался с помощью атомной силовой микроскопии (ACM). Измерение набора эффективных показателей преломления волноводного слоя производилось с использованием методики призменного ввода [3]. По набору эффективных показателей преломления были восстановлены профили показателя преломления по глубине с использованием обратного ВКБ-метода [4].

Для подложки (100) LN ACM зафиксировал типичное изображение для полированных поверхностей с рядом царапин. При увеличении времени отжига было зафиксировано сглаживание поверхности. При достижении 9 часов отжига, ACM показал формирование плоских террас с минимальной высотой ступени -0,24 нм. Ti:LN волноводный слой был сформирован диффузией пленки Ti толщиной 400А при 980°С в течении 8 часов. Полученный волновод поддерживал по две моды ТЕ и ТМ поляризации на >.=632,3 нм. Мольная концентрация Ti, оцененная по приращению необыкновенного показателя преломления на поверхности Дпс(0)=0,022, составила ~8мол% [5]. На картине ACM видны случайно распределенные холмы с характерной высотой порядка 25-35 нм и полное отсутствие царапин. Таким образом, изменение морфологии поверхности LN, связанное с легированием титаном, настолько сильно, что приводит к полному исчезновению таких поверхностных дефектов, как царапины. Для подавления света ТМ поляризации, Ti:LN волноводный слой был подвергнут ионному обмену в расплаве бензойной кислоты при температуре 240°С в течение 6,5 часов. В результате был получен волноводный слой состава H:Ti:LN, Дпс(0)~0,1385, поддерживались только моды, соответствующие ТЕ поляризации. Существенного изменения поверхности кристалла LN зафиксировано не было. Известно, что в слоях состава HxLi1.xNb03 имеет место формирование высокотемпературных фаз, распад которых приводит к длительным нестабильностям показателя преломления. В связи с этим, была изучена стабильность показателя преломления волноводного слоя H:Ti:LN с использованием закалок в диапазоне температур 20-250°С. Было показано отсутствие заметного влияния повышенной температуры на показатель преломления.

Список литературы

1..D. Pokrovsky, J. Of Structural Chemistry. 2000. V. 41. P. 1079-1084.

2. H. Nagata, K. Shima, and J. Ichikawa, J. Am. Ceram. Soc. 1997. V. 80. P. 1203-1207. 3. Hidetohi Onodera, Ikuo Awai, Jun-ichi Ikenoue, Appl. Opt., 1983. V. 22. P. 1194-1197.

4. Панькин В.Г., Пчелкин В.Ю., Шашкин В.В., Квантовая электроника, 1977. Т. 4, № 7, С. 1497-1502. 5. V.V. Atuchin, С.С. Ziling, D.P. Shipilova and N.F. Beizel, Ferroelectrics 1989. N. 100. P. 261-269.

ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫЕ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫЕ МАРТЕНСИТНЫЕ СТАЛИ (НМС) ДЛЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ, Сто,2 = 80<М400 Н/мм2, ТЕРМОУПРОЧНЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ И

СЛОЖНЫХ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СПЕЦИАЛЬНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Клейнер Л. М.

Пермский государственный технический университет

Новый класс конструкционных сталей (НМС) разработан в конце 20 века. Уникальное сочетание характеристик механических и технологических свойств позволил создать новые конструкции с повышенными техническими характеристиками и оригинальные технологические процессы.___________

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ОФСЕТНОЙ БУМАГИ

Ковтун Т.Н., Хакимова Ф.Х., Хакимов Р.Х. Пермский государственный технический университет

Введение в бумагу минеральных наполнителей осуществляется в основном для удешевления бумаги, так как обычно цена минеральных наполнителей ниже цены волокнистых волокон минеральным наполнителем представляет определенный экологический интерес. Наличие минерального наполнителя в композиции улучшает такие свойства бумаги как белизна, непрозрачность, гладкость, впитывающая способность (в том числе и к типографической краске), а также уменьшает склонность бумаги к скручиванию. Эти свойства особенно необходимы для писчей бумаги и бумаги для печати.

До настоящего времени основным традиционным наполнителем служил каолин. В последние годы при производстве особенно офисных видов бумаги в нейтральной среде более широко стали использовать мел.

Авторами исследована возможность использования отходов содового производства в качестве наполнителя при получении офсетной бумаги № 2 при pH 5,0-5,5. Исследования проведены с использованием в композиции бумаги волокнистых полуфабрикатов (бисульфитной целлюлозы и древесной массы) Камского ЦБК. В качестве наполнителя использовали отходы содового производства, представляющие собой порошок белизной 92 %, состоящий на 90 % из карбоната кальция и, для сравнения, каолин.

Предварительно было исследовано влияние вида наполнителя на обезвоживаемость бумажной массы и удержание волокна. Использование отходов содового производства в качестве наполнителя в композиции офсетной бумаги ( при принятых условиях) потребовало значительного увеличения расхода глинозема. Сравнение результатов, полученных при одинаковых условиях проведения опытов, но с различными наполнителями показывает, что бумажная масса с использованием отходов содового производства значительно труднее обезвоживается и в этом случае несколько ниже удержание волокна и наполнителя.

Механизм удержания частиц наполнителя зависит от размеров и формы частиц. Вероятно, отходы содового производства, состоящие на 90 % из карбоната кальция, имеют структуру и округлую форму частиц, аналогичную мелу, который, как известно, имеет низкое удержание.

Положительное влияние на скорость обезвоживания и удержание компонентов бумажной массы в сравниваемых образцах оказало использование в композиции бумаги совместно с отходами содового производства флокулирующего агента - катионоактивного полиакриламида Праестол 851 ВС.

Аналогичные композиции по составу волокна и химикатов, что и при исследовании свойств бумажной массы (при pH 5,0-5,5), были использованы для получения отливок офсетной бумаги массой 60 г/м2 У полученных образцов были определены показатели, характеризующие пригодность бумаги для печати: зольность бумаги, степень проклейки и показатели механической прочности.

Результаты сравнительного анализа показателей отливок офсетной бумаги с использованием в качестве наполнителя отходов содового производства и каолина показали, что при равных расходах наполнителя зольность отливок бумаги при использовании отходов ниже, чем при использовании каолина, а степень проклейки и механическая прочность выше. Для получения требуемого для данного вида бумаги значения зольности при использовании отходов содового производства необходимо увеличение расхода наполнителя или подбор реагентов, способствующих значительному удержанию наполнителя.

Авторами была исследована возможность использования указанных выше отходов при получении офсетной бумаги в щелочной среде с использованием в композиции современных химических вспомогательных веществ (катионного крахмала, модифицированного клея и ПАА).

Проведено сравнительное изучение свойств бумажной массы (обезвоживаемости и удержания волокна) в зависимости от применяемого наполнителя в щелочной среде и влияние состава композиции на свойства отливок бумаги.

Получение образцов офсетной бумаги в щелочной среде показало, что удержание отходов содового производства и в этом случае ниже, чем каолина, однако возможно получение бумаги с требуемой степенью проклейки и достаточно высокими показателями механической прочности.

Таким образом, для решения о целесообразности использования отходов содового производства при получении офсетной бумаги необходимо продолжение исследования.