3169

Наблюдаемая эволюция свободного объема при спекании компактов ГА требует рассмотрения механизма движения и коалесценции пор, который, исходя из особенностей кристаллохимического строения ГА (сложный состав, наличие структурных элементов с ковалентной связью образующих их атомов, объединенных посредством ионной связи), может иметь недиффузионную природу. Одним из предполагаемых механизмов изменения формы свободной поверхности внутри поры может являться испарение и конденсация элементов материала на ее поверхности. При в целом равновесном процессе «испарениеконденсация» со всей площади поверхности поры, на отдельных гранях может возникать смещение равновесия, зависящее от их кристаллографической ориентации, а также от температурного градиента в объеме материала.

Задачей работы являлось установление принципиальной возможности термического испарения ГА при температуре, близкой к температуре начала эволюции пористой структуры в керамике ГА (600-750°С [3]) при спекании. Для этого проводили термостатирование порошка ГА в кварцевом реакторе в течение 2,5 часов при остаточном давлении 10-3 Па. На расстоянии около 2 мм от засыпки порошка располагали подложку (111)Si. Химический состав Si подложек до и после термостатирования исследовали методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА). В таблице представлен химический состав приповерхностного слоя Si подложки после термостатирования при температуре 600 и 700°С.

Химический состав приповерхностного слоя подложки

Как следует из таблицы, термостатирование порошка при 600°С не приводит к заметным изменениям химического состава Si подложек. После термостатирования при 700°С на поверхности Si обнаружено присутствие атомов P и Ca в соотношении Ca/P=1,1÷1,2. Полученный результат позволяет рассматривать процесс «испарение-конденсация» материала внутри пор как один из возможных механизмов изменения пористости керамики ГА при спекании.

Литература

1.Royer A. Stoichiometry of hydroxyapatite: influence on the flexural strength / A.Royer, J.C. Viguie, M. Heughebaert, J.C. Heughebaert // J.Mat.Sci.Mater.Med. – 1993. – V.4. – P. 76–82.

2.Ramesh S. Densification behavior of nanocrystalline hydroxyapatite bioceramics / S.Ramesh, C.Y.Tan, S.B.Bhaduri, W.D.Teng, I.Sopyan // J.Mat.Proc.Tech. – 2008.- 206: 221–30.

3.Ievlev V.M. Structure and Nanohardness of Compact Hydroxyapatite-Based Ceramics / V. M. Ievlev, A.V. Kostyuchenko, G.S. Kochlar, V.I. Putlyaev // Inorganic Materials. – 2019. - Vol. 55. - No. 10. - pp. 1054–1060.

31

УДК 537.9

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПРОВОДИМОСТИ НА ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КЕРАМИКЕ Ba0,8Sr0,2TiO3

И.И. Попов1, С.А. Гриднев2 1Аспирант, popovich_vano@mail.ru

2Д-р физ.-мат. наук, профессор, s_gridnev@mail.ru

1-2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В работе приведены результаты исследования влияния добавки La на внутреннее трение в твёрдом растворе состава Ba0,8Sr0,2TiO3. Изменения в ходе температурных зависимостей внутреннего трения при добавлении атомов La объясняются влиянием электронов проводимости на энергию взаимодействия доменных границ с точечными дефектами.

Ключевые слова: титанат бария-стронция, внутреннее трение, легирование.

На низких частотах измерены температурные зависимости внутреннего трения Q-1 и модуля Юнга E ~ f2 в сегнетоэлектрической керамике Ba0,8Sr0,2TiO3 без добавки и с добавкой 0,2 масс. % La (рисунок). Добавка атомов La приводит к увеличению уровня внутреннего трения в сегнетоэлектрической фазе и уменьшению внутреннего трения в области фазового перехода.

Температурные зависимости внутреннего трения Q-1 (1 и 1') и модуля Юнга E (2 и 2') для Ba0,8Sr0,2TiO3 (1 и 2) и Ba0,8Sr0,2TiO3 + 0,2 масс. % La (1' и 2')

Рост уровня внутреннего трения в сегнетоэлектрической фазе связывается с уменьшением энергии взаимодействия заряженных точечных дефектов с доменными стенками. Уменьшение величины внутреннего трения вблизи температуры Кюри обусловлено закреплением доменных стенок ионами лантана.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках государственного задания (проект № FZGM-2020-0007) и РФФИ в рамках научного проекта № 20-32-90148.

Литература

1. Gridnev S.A. Influence of electron conductivity on internal friction of semiconducting barium titanate / S.A. Gridnev, B.M. Darinskii, V.N. Netchaev // Ferroelectrics. – 1982. – V. 46. P. 5–11.

32

УДК 621.59:621.643

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХРАНЕНИЯ ЖИДКОГО ВОДОРОДА В СТАЦИОНАРНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ

О.В. Калядин1, А.В. Сергеев2

1Канд. физ.-мат. наук, доцент, kaljadin@gmail.com 2Канд. физ.-мат. наук, доцент, sergeev-av@bk.ru

1-2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В данной работе приводится математическая модель, описывающая процесс длительного хранения жидкого водорода, а также результаты численного эксперимента, выполненного в рамках разработанной модели.

Ключевые слова: водород, математическая модель, стационарный резервуар, хране-

ние.

Особенности хранения криогенных продуктов в резервуарах связаны с изменением их параметров вследствие теплопритока из окружающей среды, приводящего к испарению и потере продуктов, если паровое пространство сосудов сообщается с атмосферой, или к увеличению внутренней энергии и, следовательно, давления и температуры при хранении в закрытых сосудах. Последний способ является весьма перспективным способом хранения, поскольку исключает натекание во внутренние полости резервуара воздуха, загрязнение и потери продукта. Однако в этом случае необходимо иметь возможность оценки скорости роста температуры и давления в закрытом сосуде.

В связи с наличием значительного количества параметров, влияющих на процесс, теоретическое рассмотрение реального процесса представляет значительные трудности. Поэтому при разработке представленной модели был введен ряд допущений, вполне правомерных в рассматриваемой физической ситуации: температура стенок емкости и жидкости в ней одинакова во всех точках; жидкость и пар находятся в состоянии термодинамического равновесия; параметры пара в газовом объеме емкости подчиняются зависимостям справедливым для идеального газа; удельный объем жидкости пренебрежимо мал по сравнению с удельным объемом пара; процесс течения газа по дренажному трубопроводу ввиду его малой длины считается изотермическим. Принятые допущения позволили получить систему уравнений, описывающую процесс длительного хранения криогенной жидкости.

внутренний объем резервуара, L – плотность криогенной жидкости.

Временная зависимость массы жидкого водорода в резервуаре

В основу расчетной системы были положены: закон состояния идеального газа, уравнения энергетического и материального баланса емкости, уравнение Клайперона-Клаузиуса, уравнение массообмена на границе жидкостьпар, уравнение изотермического течения дренируемого газа через трубопровод

34

газосброса. Замыкая ее интерполяционнымиE ( )зависимостями сA( ), сст( ), C( ), законом открытия дренажного клапана др и решая численно можно рассчитать параметры жидкости и пара в емкости при длительном хранении в каждый момент времени и определить массовые потери криопродукта.

На рисунке для примера показана расчетная кривая, отражающая изменение массы жидкого водорода в резервуаре объемом 22 м3, при абсолютном давлении хранения от 0,13 до 0,15 МПа и температуре порядка 21,3 К. Начальная масса жидкости составляла 880 кг, за сутки она уменьшилась на 44,2 кг. Полученные результаты хорошо согласуется с экспериментальными данными по потерям жидкого водорода (48,7 кг).

35

УДК 537.9

ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ В ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ СРЕДЕ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СУБМИКРОННОГО BaTiO3

Ф. Д. Аль Джаафари1, Л.Н. Коротков2, Н.А. Толстых3 1Аспирант, fdashoor77@mail.ru

2Д-р физ.-мат. наук, профессор, l_korotkov@mail.ru 3Ведущий инженер кафедры ФТТ, mad_nik@bk.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В работе приведены результаты исследования влияния отжига в атмосфере водорода на ферромагнитный и диамагнитный отклики в субмикронном титанате бария, полученным методом интенсивного перемалывания.

Ключевые слова: титанат бария, термическая обработка в водороде, намагниченность, диамагнитная восприимчивость.

Титанат бария - хорошо известный сегнетоэлектрик, является диамагнитным материалом в объемном состоянии. Однако ультрадисперсный BaTiO3 проявляет слабый ферромагнетизм, как и многие другие ультрадисперсные частицы оксидов [1]. Природа необычного ферромагнетизма в BaTiO3 до сих пор не ясна. Предполагается [1], что наблюдаемый в наноструктурированных материалах ферромагнетизм обусловлен точечными дефектами, которые преимущественно локализованы на поверхности наночастиц. Считается, что кислородные вакансии (VO) в титанате бария могут создавать магнитный момент в соседних катионах титана. Поэтому можно ожидать, что увеличение концентрации кислородных вакансий приведет к увеличению магнитного момента наночастиц.

Целью данной работы является исследование влияния концентрации кислородных вакансий на магнитные свойства нанокристаллического титаната бария.

Материал для экспериментов был приготовлен по традиционной керамической технологии с последующим измельчением порошка в планетарной мельнице. Полученные частицы порошка имели размер d ≈ 120 нм. Образцы в форме дисков диаметром 10 мм и толщиной 1 мм прессовали из порошка и спекали при 1000 °С в течение 4 ч.

Магнитные измерения проводились в Казанском физико-техническом институте им. Завойского с помощью магнитометра с вибрирующим образцом при комнатной температуре. Погрешность измеренных значений намагниченности (M) не превышает 10%. Для экспериментов использовали исходные образцы и образцы, отожженные в водороде при 700 oC (1,5 ч), 800 oC (3 ч) и 800 oC 7 ч). (Ранее было установлено [2], что термообработка в этих температурных условиях не приводит к заметному изменению размеров кристаллитов.)

Полученные зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля (H) представляют собой суперпозицию в виде петли ферромагнитного гистерезиса и диамагнитного отклика. На рисунке показаны петли магнитного гистерезиса, построенные после вычитания диамагнитной составляющей.

36

Зависимости M(H) для нанокристаллического BaTiO3 (d ≈ 120 нм): (1) - исходный образец, (2 - 4) - образцы, отжигаемые в атмосфере H2 при 700 oC в течение 1 ч (2), 800 oC. в течение 3 часов (3) и 800 oC в течение 7 часов (4)

Из рисунка видно, что отжиг в атмосфере водорода существенно влияет на намагниченность нанокристаллического BaTiO3. В частности, намагниченность насыщения (Ms), наблюдаемая после отжига образца при температуре 700 °C, заметно возрастает (кривая 2), что соответствует нашим предыдущим результатам [3]. Однако последующий отжиг при 800 oC (кривые 3 и 4) приводит к сильному снижению намагниченности исследуемого материала. Значительное увеличение намагниченности после «низкотемпературного» отжига нанокристаллического титаната бария в атмосфере H2 предположительно связано с увеличением концентрации кислородных вакансий [3], которые, как полагают, ответственны за магнетизм наночастиц титаната бария [1].

Анализ наших экспериментальных результатов показал:

1.Намагниченность нанокристаллического BaTiO3 зависит от его термической предыстории. Термический отжиг при температурах ниже 700 oC в атмосфере H2 приводит к заметному увеличению Ms.

2.Увеличение концентрации кислородных вакансий при длительном отжиге в водороде приводит к заметному увеличению диамагнитного отклика и

уменьшению намагниченности Ms. Мы предполагаем, что это связано с уменьшением степени окисления титана от Ti+ 3. до Ti+ 2.

3.Малая коэрцитивная сила свидетельствует о малом значении коэффициента магнитной анизотропии в нанокристаллическом титанате бария.

Литература

1.S. G. Bahoosh, et al., Origin of ferromagnetism in BaTiO3 nanoparticles // Phys. Status Solidi RRL. – 2011. – V. 5(10–11). – P. 382.

2.L.N. Korotkov, et al., Influence of the thermal treatment on structure and dielectric properties of nanostructured BaTiO3 // Eur. Phys. J. Appl. Phys. – 2017. – V. 80. – P. 10401.

3.N.A. Emelianov, et al., Ferromagnetism in barium titanate nanoparticles. Effect of annealing in hydrogen atmosphere on magnetic properties // IEEE ISAF-FMA-AMF-AMEC-PFM Joint Conference. – 2018.

37

УДК 004.942

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА ЗАХОЛАЖИВАНИЯ УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА ГАЗООБРАЗНЫМ АЗОТОМ ПРИ 80 К

М.В. Востриков1, К.Г. Королев2 1Студент, maksim.vostrikov.00@mail.ru 2Канд. физ.-мат. наук, korolev.kg@mail.ru

1-3ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Впрограмме COMSOL Multiphysics было проведено численное моделирование процесса захолаживания участка трубопровода при заданных параметрах и определены характеристики процесса.

Ключевые слова: моделирование, переходные процессы, COMSOL Multiphysics, захолаживание, газообразный азот, криогенный трубопровод.

Вданной работе приводится графическая модель трубопровода, в кото-

ром протекает газообразный азот, а также график падения температуры стенки трубопровода, выполненные в системе математического моделирования COMSOL Multiphysics [1]. В основе модели лежит разбитие всего сечения на треугольную или четырёхугольную сетку с узловыми точками в вершинах (так называемый метод конечных элементов [2]), с последующим решением систем дифференциальных уравнений в соответствии с заданными граничными условиями.

зообразного азота > = 80 К, скорость движения азота ] = 0.1 м/с, режим тече-

38

ния выбран ламинарный. В качестве материала внутренней и внешней стенок

теристика распределения температуры в трубопроводе (рисунок 1). Установ-

Таким образом, данная методика позволяет определить с течением времени распределение физических параметров переходного процесса в трубопроводе с заданными геометрическими параметрами.

Литература

1.Основы моделирования в COMSOL Multiphysics. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://www.comsol.ru/video/introduction-to-comsol-multiphysics-webinar.

2.Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. / Зенкевич О., Морган К. – М.: Мир, 1986. – 318 с.

39

УДК 537.322

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЛУБОКИХ ПРИМЕСНЫХ УРОВНЕЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СПЛАВАХ ТЕЛЛУРИДА СВИНЦА

В.В. Бавыкин1, А.Ю. Калинин2, А.В. Михайлов3, А.Ю.Лопатин4 1 Инженер 3 категории, threeroad@mail.ru

2 Доктор физ.-мат. наук, профессор kalinin48@mail.ru

3Канд. техн. наук, mihaylovav@mail.ru

4 Студент, lopatin-ayu@mail.ru

1,2,4ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

3АО «РИФ», г. Воронеж

В данной работе представлено исследование влияния концентрации индия на термоэлектрические свойства теллурида свинца, легированного йодом.

Ключевые слова: теллуриды свинца, легирование, термоэлектрическая добротность.

Эффективность преобразования энергии термоэлектрическим материалом характеризуется термоэлектрической добротностью [1]:

где S – коэффициент Зеебека; σ – электропроводность; κ – полная теплопроводность; Т – абсолютная температура.

Сплавы на основе теллурида свинца признаны наиболее перспективными для выработки электроэнергии в среднетемпературном диапазоне. Легирование теллуридов свинца некоторыми элементами [2] приводит к возникновению глубоких примесных уровней, существенно влияющих на их транспортные свойства. Наиболее интересной является замена атомов свинца атомами индия. При низкой температуре уровни примеси, создаваемые индием, будут улавливать свободные электроны, и работать в качестве накопителей заряда. С повышением температуры захваченные электроны будут высвобождаться из глубоких примесных уровней в зону проводимости, увеличивая тем самым их концентрацию. Дополнительное введение донорной примеси в количествах, не превышающих концентрацию атомов индия, также приводит к увеличению концентрации носителей заряда [3]. С научной точки зрения данные эффекты представляют большой интерес: эффективность преобразования тепловой энергии термоэлектрическим материалом максимальна при определенной концентрации носителей заряда, равной (2 ~ 3)·1019 см-3. Перспектива поддержания данной концентрации постоянной в заданном диапазоне температур выглядит заманчивой, потому нами была предпринята попытка ей воспользоваться.

Слитки теллурида свинца, легированные индием и йодом, получены методом прямого сплавления исходных компонентов. Поликристаллические образцы получены вакуумным горячим прессованием. Коэффициент Зеебека и электропроводность образцов исследовали на установке Netzsch SBA458, теп-

40