Выводы.

В результате проведения экспериментов по изучению адсорбции паров ацетона на поверхность железа установлено, что при нагреве исследуемой системы происходит окисление ацетона на поверхности металла до образования сложных эфиров и солей железа.

Источники используемой литературы:

1.Киселев А.В., Лыгин В. И. Инфракрасные спектры поверхностных соединений и адсорбированных веществ. М., 1972. 459 с., 15

2.Нечаев Е.А. Хемосорбция органических веществ на оксидах и металлах. Харьков: Высш.шк., 1989. С. 38.

3.Молекулярная теория адсорбции газов на неспецифических адсорбентах. Пошкус Д.П. М., «Наука»,1970, с. 483

Summary.

Susliakova T.N., Zaitsev A.L.

Study of adsorption of acetone on the surface of iron.

Institute of heat and mass transfer of National Academy of Sciences of

Belarus

The article describes a study of the adsorption interaction of acetone with the surface of iron. Results revealed that on the surface of the metal formed esters and iron salt.

УДК 621.391.26

Сухорукова И. Г., Оробей И. О., Гринюк Д. А.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ НАСТРОЙКИ ЦИФРОВОГО АДАПТИВНОГО ФИЛЬТРА

Белорусский государственный технологический университет, Минск

Актуальность. Цифровая фильтрация является важнейшей областью цифровой обработки сигналов. В первую очередь цифровые фильтры отличаются высоким качеством формирования частотной характеристики, стабильностью параметров, простотой изменения параметров амплитудно-частотной характеристики, возможностью адаптации параметров фильтра и в современных условиях малой энергоемкостью при реализации. Адаптивные фильтры применяются при обработке видеоизображений, в радиолокации и телекоммуникационных приложениях и т. д.

Цель исследования. Для процесса адаптации цифрового фильтра можно использовать критерий серий [1]. Предложенный алгоритм автоподстройки цифровых фильтров может быть использован в измерительной технике для обработки информативных сигналов, в системах идентификации неизвестных устройств и системах адаптивного управления технологическими процессами, в шумоподавителях, эквалайзерах и подавителях сигнала эхо, в детекторах модулированных сигналов для систем телеметрии и т. д. Применение критерия серий (критерия Вальда-Вольфовица) при адаптации фильтров позволяет снизить требования к вычислительной мощности микропроцессорных структур их реализующих и позволяет ограничиваться малой длиной выборки [2]. Наличие нормального распределения не является обязательным условием адекватной работы адаптивного фильтра. В то же время методика эффективного использования, определение настроек остаются открытыми.

379

Методы исследования. Влияние параметров и поиск оптимальных значений этих параметров критерия Вальда-Вольфовица при его использовании в адаптивном фильтре анализировались с помощью математического моделирования в пакете MATLAB.

Серией называется последовательность однотипных наблюдений, перед и после которой следуют наблюдения противоположного типа или же вообще нет никаких наблюдений [2, 3]. Для последовательности N наблюдений случайной величины y каждое наблюдение значения yi (i = 1, 2, …, N) можно отнести к одному из двух классов, обозначаемых как (+) и (–). Например, при вы - полнении условия yi ≥ Yср, где Yср – среднее значение или медиана всей выбранной последовательности yi, наблюдение можно отнести к классу (+), т.е. к классу наблюдений с ошибкой е ≥ 0; в противном случае наблюдение относят к классу (–) (к классу наблюдений с ошибкой е < 0).

Считается, что если последовательность N наблюдений состоит из независимых исходов одной и той же случайной величины, т. е. если вероятность отдельных исходов ((+) или (–)) не меняется от наблюдения к наблюдению, то выборочное распределение числа серий r является случайной величиной, распределенной по нормальному закону [3], со средним значением по одной из формул

где N+, N– – число исходов, относящихся к классам (+) и (–) соответственно; и дисперсией

Стандартный алгоритм критерия серий после определения , 2 и r требует задания уровня значимости и сравнения экспериментально определенного числа серий r с границами принятия гипотезы статистической независимости процесса, определяемыми относительно по уровню значимости. Если r окажется вне этой области, то гипотезу статистической независимости отвергают с принятым уровнем значимости, иначе процесс считают статистически независимым.

Вероятность статической независимости можно определять по упрощенной формуле

где K – коэффициент сжатия-растяжения вероятности статистической независимости, или, используя функцию распределения случайной величины:

Для оптимизации использования предложенного критерия адаптации проведено численное исследование возможности подстройки фильтра бегущего среднего с использованием. На первоначальном этапе при фиксированных параметрах случайной помехи была найдена оптимальная длина усреднения фильтра (2÷1024) при различных скоростях нарастания полезного сигнала. Рассматривались два критерия: интеграл минимального квадратичного отклонение и интеграл модуля отклонения.

Серии рассматривали посредством анализа значений параметра до и после фильтра. Количество значений наблюдений для вычисления серий варьировалось в диапазоне 8÷1024. По результатам моделирования определялись число

380

исходов N+, N–, число серий r, математическое ожидание по (1), значение дисперсии (2), вероятность статической независимости γ по формуле (3) и по формуле

Выводы. Анализ полученных зависимостей показывает, что для обеспечения требуемой чувствительности адаптации инерционности фильтра требуется менять длину наблюдения. По критерию серий по (3) и (4) можно гарантиро - ванно идентифицировать скорость изменения сигнала в диапазоне, не превышающем один порядок. Увеличение длительности наблюдения незначительно расширяет диапазон управление инерционностью фильтра по критерию серий. Можно расширить диапазон идентификации, если считать одновременно число серий для двух диапазонов наблюдений

Определять скорость нарастания по критерию серий при малой инерционности фильтра, как например в проведенных исследованиях по результату трех соседних изменений, затруднительно. В этом случае лучше использовать двух или трех ступенчатое регулирование.

Литература

1.Способ адаптивной фильтрации и устройство для его осуществления. Пат. 9322 Респ. Беларусь, МПК7 G01F17/10, H04B1/10 / И.О. Оробей, С.Е. Жарский, Д.А. Гринюк, И.Ф. Кузьмицкий, Д.А. Медяк, В.В. Сарока, М.Ф. Лукашевич; заявитель БГТУ № а 0002317 заявл. 11.12.2003; опубл.: 30.06.2005 // Афiцыйны бюл. / Дзярж. Пат. Ведамства Респ. Беларусь. – 2006. – № 1. – С. 16

2.Дерфелль, К. Статистика в аналитической химии / К. Дерфелль. – М.: Мир, 1994. – 170 с.

3.Бендат, Дж. Прикладной анализ случайных данных / Дж. Бендат, А. Пирсол. – М.: Мир, 1989. – 540 с.

Suhorukova I. G., Orobei I. O., Hryniuk D. А.,

WORKING OUT OF THE TECHNIQUE OF ADJUSTMENT OF THE DIGITAL

ADAPTIVE FILTER

Belarusian State Technological University

Summary

Questions of construction of the adaptive filter sliding average which allow to carry out fine tun-ing under the current trend without essential increase in requirements to computing capacity his real-izing are considered. The filter is based on use of known criterion of series of an estimation trends. Research of efficiency and filter parameters be spent-lo in Matlab. Researches have shown dependence of length of a series on efficiency of use of the given criterion for filter adaptation. For definition of speed of increase of a trend there is a optimum length of a series.

УДК 678.067.5

Хрол Ю. Н.

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Белорусский государственный технологический университет, Минск

381

Регенерация костной ткани в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии и травматологии представляет собой достаточно сложную и актуальную задачу. Для целей имплантации используют искусственные материалы и трансплантанты, однако применение ауто- и алломатериалов для замещения костной ткани осложняется риском передачи инфекций, а также сложностью в обработке и хранении таких материалов. Поэтому в настоящее время одним из важнейших направлений в современной травматологии, стоматологии и ортопедии является разработка имплантатов на основе искусственных материалов: керамики, стекла, металлов, полимерных, углеродных и композиционных материалов. Широкое распространение получили неметаллические биоактивные материалы на основе стекла, керамики и ситаллов вследствие наличия биоактивных и биосовместимых свойств [1]. Однако механические свойства таких материалов не соответствуют свойствам нативной костной ткани и могут использоваться только в гранулированном или порошкообразном виде для замещения небольших дефектов костной ткани.

Для длительного замещения кости требуется изготовить имплантат определенной формы или размера, механические свойства которого по своим механическим свойствам адекватны натуральной костной ткани. Сравнение модулей упругости некоторых наиболее распространенных материалов, используемых для замены костной ткани (табл. 1), показало, что в настоящее время не существует материалов, механические свойства которых полностью соответствуют костной ткани [2]. Наиболее близки по значению модуля упругости полимеры, но они не обладают биоактивными свойствами и в организме капсулируются. Стекло и керамика имеют более высокие значения модулей упругости, но обладают чрезмерной хрупкостью.

Таблица 1 – Механические свойства материалов

Очевидно, что перспективными для таких целей являются композиционные материалы типа «биоактивный материал-полимер», сочетающие биологическую активность наполнителя и механические свойства полимера.

В качестве биоактивного наполнителя используют гидроксиапатит, фосфаты кальция, стекла или стеклокристаллические материалы [1].

При выборе полимера для создания композиционного материала руководствуются целями имплантации, и в этой связи можно выделить биоассимилирующие полимеры (используются для временного обеспечения функционирования органа на период регенерации тканей) и биоинертные полимеры (предназначены для длительного обеспечения функционирования органов и тканей).

С целью синтеза композиционных полимерных материалов были использованы два вида полимеров – полиамид-12 и полиметилметакрилат. Полиамид-12 был выбран вследствие его высокой износостойкости, прочности и стойкости к ударным нагрузкам [2]. Алифатические полиамиды, к которым и относится по- лиамид-12, характеризуются также высоким сопротивлением к истиранию и значительной химической прочностью, но являются дорогостоящими и требуют более высоких температур при переработке [3].

Для разработки композиционных материалов, обладающих механическими свойствами, адекватными свойствам костной ткани, нами были синтезированы композиционные материалы на основе полиамида-12 и биоситалла (полученного на основе стекла системы SiO2–K2O–CaO–Al2O3–F–P2O5. Количество вводи-

382

мого наполнителя (биоситалла) в состав композита составляло 40, 55 и 75 масс. %. Для оценки механических свойств полученных композиционных материалов и установления оптимального количества вводимой добавки (биоситалла) в по- лиамид-12 были определены усадка, ударная вязкость, твердость и разрушающее напряжение при изгибе и сжатии образца. Испытания проводились на стандартных образцах длиной 77 мм, шириной 10 мм и высотой 4 мм и дисках диаметром 50 мм и толщиной 2 мм.

Результаты исследований позволили установить, что наполнение полиамида биоситаллом приводит к уменьшению усадки, повышению разрушающего напряжения при сжатии, но в то же время вследствие возрастания твердости (с 14 до 59 МПа) и прочности материала (до 78 МПа) наблюдается снижение ударной вязкости и разрушающего напряжения при изгибе. Установлено, что оптимальными свойствами обладает композиционный материал, содержащий 55 масс. % биоситалла, так как материал с таким содержанием наполнителя обладает достаточной прочностью и стойкостью к механическим нагрузкам.

Также большой интерес для медицины костного эндопротезирования представляют различные акрилаты, среди которых наибольшее применение получил полиметилметакрилат (ПММА). Выбор этого полимера обусловлен тем, что при длительном пребывании в организме он не изменяется и не вызывает дистрофических изменений тканей и, кроме того, не препятствует росту кости. Помимо этого, достоинством ПММА является его высокая стойкость к старению под действием химических сред, что снижает риск развития нежелательных осложнений при использовании такого имплантата.

В этой связи также были проведены исследования композиционных материалов на основе полиметилметакрилата (ПММА). В качестве биоактивной неорганической составляющей вводили стекло, содержащее Na2O–CaO–P2O5–SiO2, обладающее высокой степенью резорбируемости и достаточными биоактивными свойствами [4]. Количество вводимого наполнителя (биостекла) в состав композита составляло 5, 10, 20 и 30 масс. %.

Для оценки механических свойств полученных композиционных материалов были определены модуль упругости при растяжении, твердость, относительное удлинение при разрыве и предел прочности при растяжении. Испытания проводились на стандартных образцах длиной 80 мм, шириной 10 мм и высотой 3 мм. Результаты исследований позволили установить, что наполнение ПММА биостеклом до 20 масс. % приводит к увеличению его прочностных свойств (прочность возрастает с 37 до 53 МПа), увеличение количества вводимой добавки до 30 масс. % вызывает значительную потерю прочности материала, модуль упругости при этом возрастает (от 1,9 до 2,6 ГПа), т. е. введение более 30 масс. % стекла вызывает ухудшение механических свойств материала, что может быть обусловлено возрастанием количества и размера трещин в структуре материала. Наиболее оптимальными являются составы, содержащие от 10 до 20 масс. %, так как они характеризуются комплексом требуемых физико-механических свойств.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что введение неорганических компонентов в состав полимеров способствует улучшению физико-механических свойств полученных материалов. Синтез и исследование таких материалов представляет большой интерес для медицины костного эндопротезирования.

Литература

1.Технология полимерных материалов: учеб. пособие / А. Ф. Николаев [и др.]; под общ. ред. В. К. Крыжановского. – СПб.: Профессия, 2008. – 544 с.

2.Практикум по химии и физике полимеров / В. Ф. Куренков [и др.], под ред. В. Ф. Куренкова – Москва: Химия, 1990 – 250 с.

383

3.Fibre-reinforced composite implant: in vitro mechanical interlocking with bone model material and residual monomer analysis / R. H. Mattila [et. al.] // J. Mater. Sci. – 2006. – Vol. 41, № 13.– P. 4321–4326.

4.Хрол Ю. Н. Исследование биоактивных свойств стекол для медицины / Ю. Н. Хрол, Н. И. Заяц // Труды БГТУ. Сер.III, Химия и технология неорган. в-в. – 2009. – Вып. XVII. – C. 26–30.

Khrol Y. N.

INVESTIGATION OF COMPOSITES FOR MEDICAL APPLICATION

Belarusian State Technological University, Minsk

Summary

The results of investigation of physical and mechanical properties of composites based on the polyamide-12 and polymethylmethacrylate modified by bioactive materials based on the glass are presented in the article. Shrinkage, impact strength, hardness, modulus of elasticity, bending and compression strength of the samples has been defined during investigation of physical and mechanical properties.

УДК 667.613.3:620.192.53

Шутова А. Л.

ОСОБЕННОСТИ ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ АЛКИДНО-СТИРОЛЬНОГО ОЛИГОМЕРА

Белорусский государственный технологический университет, Минск

Актуальность. Постоянное повышение стоимости энергетических ресурсов и интенсификация производств машиностроительных заводов привели к необходимости создания отечественных лакокрасочных материалов (грунтовок), которые быстро отверждаются в естественных условиях и формируют покрытия с хорошим комплексом физико-механических и защитных свойств.

Грунтовочные покрытия должны обеспечивать высокую коррозионную стойкость защищаемых металлических поверхностей изделий. Одним из показателей, характеризующих защитные свойства покрытий, является влагопоглощение, которое характеризует их диффузионные свойства [1]. Большое влияние на величину влагопоглощения могут оказывать добавки, пластификаторы, пигменты и наполнители, что необходимо учитывать при составлении рецептур лакокрасочных материалов.

Цель исследования – изучение влияния качественного и количественного состава пигментов и наполнителей на величину влагопоглощения грунтовочных покрытий на основе алкидно-стирольного олигомера.

Материалы и методы исследования. В качестве пленкообразователя для грунтовки выбран алкидно-стирольный олигомер, представляющий раствор в ксилоле глифталевого алкида средней жирности модифицированного дегидратированным касторовым маслом и стиролом. Основными его преимуществами являются быстрое отверждение на воздухе и хорошие эксплуатационные свойства формирующихся покрытий.

В качестве пигментов и наполнителей использовали пигмент железооксидный красный, цинковые белила, тетраоксихромат цинка, микротальк, микробарит, которые наиболее широко используются в настоящее время в лакокрасочной промышленности. Для изучения влияния качественного и количественного состава пигментов и наполнителей на величину влагопоглощения разработали 10 составов с различным объемным соотношением пигментов и наполнителей (табл. 1), причем величину пигмента железооксидного красного и наполнителя

384

микроталька зафиксировали на уровне 15 % (для достижения необходимой укрывистости) и 40 % (для придания необходимого барьерного эффекта) соответственно. Для каждого состава по величине маслоемкости рассчитали значение критической объемной концентрации пигментов (КОКП), изготовили пигментированные композиции с различной объемной концентрацией пигментов (ОКП), соответствующей величине ОКП/КОКП = 0,6–0,9, что характерно для антикоррозионных грунтовок [2, 3].

Величину влагопоглощения определяли по стандартной методике [4], изучали ее изменение в течение пять суток и в зависимости от соотношения ОКП/КОКП и времени формирования покрытий.

Таблица 1 – Объемное соотношение компонентов пигментной части, маслоемкость, соотношение пигмент /пленкообразователь различных составов, %.

Результаты исследований и их обсуждение. Все разработанные лакокрасочные композиции характеризуются высоким комплексом свойств: время отверждения до степени 3 при (20 ± 2)°С – не более 25 мин, твердость покрытия – не менее 0,3 о. е., прочность покрытия при ударе – не менее 50 см.

385

Видно, что влагопоглощение рассматриваемых композиций с ОКП/КОКП 0,6, 0,7, 0,8 зависит от времени формирования покрытий, разница между рассчитанными величинами значительная и уменьшается в этом ряду. Для композиций состава № 5 с ОКП/КОКП = 0,9 величина влагопоглощения не зависит от времени выдержки покрытия перед испытанием. Такая зависимость характерна для всех исследуемых составов. Вероятно, это можно объяснить тем, что с ростом ОКП полимерные оболочки вокруг частиц утоньшаются, следовательно, отверждение (сшивка) пленкообразователя будет происходить быстрее, и пять суток достаточно для окончательного формирования покрытия и достижения максимально высокого комплекса свойств.

На рис. 1 также видно, что с ростом ОКП величина влагопоглощения уменьшается, что характерно для всех составов. Причем стоит отметить, что за первые 24 ч испытаний поглощается основная часть воды.

В результате проведенного эксперимента выявлена зависимость величины влагопоглощения от маслоемкости рассматриваемых композиций. Это объясняется тем, что с увеличением маслоемкости уменьшается соотношение пигмент/пленкообразователь, следовательно, доля пленкообразователя, который в основном и поглощает влагу, увеличивается. Минимальным влагопоглощением характеризуется состав № 5, маслоемкость которого составляет 19,6 г/100 г.

Выводы. Проведенные исследования показали, что для наполненных композиций на основе алкидно-стирольного олигомера при максимальном наполнении характерна минимальная величина влагопоглощения, которая непосредственно зависит от маслоемкости пигментной части, а также от степени сшивки пленкообразователя, т. е. продолжительности формирования покрытий.

Литература

1.Карякина, М. И. Технология полимерных покрытий: учеб. пособие для техникумов / М. И. Карякина, В. Е. Попцов. – М.: Химия, 1983. – 336 с.

2.Мюллер, Б. Лакокрасочные материалы и покрытия. Принципы составления рецептур / Б. Мюллер, У. Пот. – М.: Пейнт-Медиа, 2007. – 564 с.

3.Брок, Т. Европейскре руководство по лакокрасочным материалам и покрытиям / Т. Брок, М. Гротэклаус, П. Мишке. – 2-е изд. – М.: Пэйнт-Медиа, 2007. –

548с.

386

4. Карякина, М. И. Лабораторный практикум по испытанию лакокрасочных материалов и покрытий / М. И. Карякина. – М.: Химия, 1977. – 240 с.

Shutova A. L.

SPECIALTY OF MOISTURE ABSORBTION PIGMENTED COMPOSITIONS ON THE BASE OF ALKYD-STYRENE OLIGOMER

Belorussian StateUuniversity of Technology, Minsk

Summary

Article is devoted to determination influence of qualitative and quantitative content of pigments and fillers on value of moisture absorbtion of primer on the base of alky- d-styrene oligomer which is necessary make allowance when paint and varnish material composition is formulated. Influences of a value of oil absorption, quantities of a pigment proportion, period of formation of coating are established on moisture absorbtion.

УДК 539.197

Войтехович А. Г.

СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ Ni-ПОКРЫТИЙ, СОДЕРЖАЩИХ УГЛЕРОДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Белорусский государственный технологический университет, Минск

Введение. Синтез комбинированных гальвано-ионно-плазменных покрытий, показывающих высокие физико-механические и электрохимические свойства [1, 2], составной частью которых являются композиционные электролитические покрытия (КЭП), является новым направлением в области модификации поверхности. Установлено, что углеродные наноматериалы (УНМ), входящие в состав КЭП, значительно влияют на электролитические свойства покрытий [2].

Целью данной работы было исследование состава и структуры содержащих УНМ Ni − КЭП на стали Ст3, ионно-плазменных Мо-покрытий, нанесенных на Ni − КЭП с УНМ на стали Ст3, а также изучение влияния УНМ на электрокаталитические свойства полученных покрытий.

Материалы и методы исследования. Гальванический никель с УНМ осаждался из растворов кислотностью 4–5 рН при плотностях тока 3–5 А/дм2. В качестве инертной фазы КЭП Ni − УНМ использовались составы плотностью до 0,8 г/см3, состоящие из аморфного углерода (не менее 59 вес. %), полученные из метано-воздушной смеси в плазме высоковольтного разряда при атмосферном давлении в присутствии катализаторов.

Мо-покрытия осаждались на Ni поверхность методом конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ): вначале выполнялась обработка ионами Мо+ в вакууме 10–3 Па при потенциале подложки –1 кВ, затем – нанесение покрытия при токе горения дуги катода 180 А и опорном напряжении 120 В в атмосфере азота при давлении 10–1 Па. Температура при осаждении составляла 400–450 °C.

Морфология сформированных покрытий и их элементный состав определялись методами рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) с помощью сканирующего электронного микроскопа LEO1455VP. Фазовый состав полученных покрытий исследовался методом рентгеноструктурного анализа (РСА) при помощи дифрактометра ДРОН-3.0.

Электрокаталитические свойства полученных образцов изучались вольтамперометрически в 1М KOH среде при температуре 20 °C.

Результаты исследования и их обсуждение. Установлено, что при КИБ осаждении молибдена на Ni – КЭП с УНМ образуется фаза α-Мо с текстурой (200) (рис. 1а). При определенных режимах осаждения молибдена формируется фрагментарно твердый раствор внедрения молибдена в Ni-матрице КЭП (Ni, Мо) со значительным преобладанием Ni-компоненты (рис. 1б).

387

Сочетанием методов РЭМ и РСМА была выявлена морфология и распределение элементов в КЭП Ni − УНМ покрытиях (рис. 2, 3).

Поверхность покрытий имеет нанопористый характер (рис. 2).

Рис. 1. Рентгенограммы системы СТ3 / КЭП Ni – УНМ / Mo Ni – КИБ

Рис. 2. РЭМ изображение поверхности (а) и распределение характеристического рентгеновского излучения Ni, Fe, C (б) вдоль линии АВ для КЭП Ni – УНМ

Исследование распределения элементов по толщине Ni − УНМ покрытий (рис. 3) показало наличие равномерного гальванического подслоя Ni толщиной ~ 3,5 мкм на стали. Структура покрытий имеет ярко выраженный неоднородный характер распределения Ni-компоненты по толщине (рис. 3а). При этом установлено (рис. 3), что никель не взаимодействуют с углеродом. Углерод присутствует в Ni-матрице в виде мелкодисперсных включений.

а) б)

Рис. 3. РЭМ изображение поперечного шлифа (а) и распределение характеристическогорентгеновского излучения Ni, Fe, C (б) вдоль линии АВ для КЭП Ni – УНМ

Мо-покрытия, нанесенные на КЭП Ni − УНМ, показывают более стабильные электрокаталитические свойства при выделении водорода и кислорода только

388

после 7–8 циклов поляризации в области потенциалов от –1,2 до +0,9 В (рис. 4). Присутствие УНМ в КЭП инициирует активную сорбцию водорода после катодной поляризации, что показывают токи десорбции водорода в области положительнее термодинамического потенциала водородного электрода.

Рис. 4. Потенциодинамические iE-кривые образца Ст3 / КЭП Ni – УНМ / Mo Ni – КИБ

Следует отметить, что полученные Мо-покрытия после электрохимической поляризации в области потенциалов (–1,2) – (+0,9) В в щелочном электролите (рис. 4) исключают процессы наводороживания никелевой и стальной основ. Кроме того, установлено, что полученные Ni − УНМ КЭП на стали после электрохимической поляризации в области потенциалов (–0,6) – (+0,4) В в 1М KOH среде также исключают процессы наводороживания стальной основы. Эти результаты представляют повышенный интерес, так как актуальной задачей в промышленности является снижение наводороживания конструкционных материалов, приводящее к их охрупчиванию с последующей ускоренной коррозией и потерей прочностных свойств.

Заключение. Структура Ni − КЭП, содержащих УНМ, на стали имеет неоднородный характер распределения Ni-компоненты. Углерод представляет собой мелкодисперсные включения в Ni-матрице. Поверхность покрытий содержит соединения в форме нанотрубок. Присутствие УНМ в КЭП инициирует активную сорбцию водорода после катодной поляризации и исключает процессы наводороживания сталей, в результате чего увеличивается ресурс работы конструкционных стальных деталей из-за повышения их антикоррозионных свойств.

Литература

1.Improvement of the corrosion resistance of CrN coated steel by an interlayer / J. Creus [et al.] // Surf. Coat. Techn. – 1998. – № 107.– P. 183–190.

2.Чаевский, В. В. Электрокаталитические свойства комбинированных покрытий на основе молибдена, никеля и углеродных наноматерлов / В. В. Чаевский, В. Б. Дроздович // Взаимодействие излучений с твердым телом: материалы 8-й междунар. конф., Минск, 23–25 сентября 2009 г. / Изд. центр БГУ ; редкол.: В. М. Анищик [и др.] – Минск, 2009. – С. 281–283.

Voytehovich A. G.

STRUCTURE AND ELECTROCHEMICAL PROPERTIES

OF COMBINED ELECTROLYTHICAL Ni − COATINGS

BASED ON CARBON NANOMATERIALS

Belarussian State Technological University, Minsk

Summary

The Ni − coatings with carbon nanomaterials formed by galvanic method on steel form. The arc plasma Mo − coatings deposed on Ni − surfaces. Combined Mo / Ni

389

with SNT materials coatings form fragmentary solid solution Мо in Ni − matrix and cubic α-Мо phase and contain separate carbon elements in Ni − matrix. SNT in coatings is cause of an active absorbtion hydrogen in alkaline solution. Such coatings exclude hydrogenation of steel foundations in alkaline solution.

УДК 621.373.826.004.14

Козадаев К. В., Щегрикович Д. В.

ЛАЗЕРНЫЙ СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ В ВОЗДУШНОЙ АТМОСФЕРЕ

Белорусский государственный университет, Минск

Актуальность.

Рост объемов промышленного использования металлических наноразмерных объектов требует наличия достоверной экспериментальной информации о возможных методах их синтеза. Именно поэтому одним из наиболее перспективных направлений развития нанотехнологий является разработка новых способов получения наноструктурированных материалов. С этой точки зрения достаточно целесообразным видится применение лазерного синтеза металлических нанообъектов ввиду относительной дешевизны и простоты промышленной реализации этого процесса.

Цель исследования.

Данная работа посвящена исследованию основных закономерностей лазерного синтеза наночастиц металлов в воздушной атмосфере с целью разработки и оптимизации лабораторного варианта промышленной методики получения металлических наночастиц.

Материалы и методы исследования.

В настоящем эксперименте использовались мишени из цинка, меди, свинца, серебра и никеля. Данные металлы сильно отличаются по своим теплофизическим параметрам (температура плавления и кипения, удельная теплота испарения), что позволяет на качественном уровне понять основные закономерности процессов лазерного синтеза наночастиц в целом для металлов [1–3].

Для формирования высокоинтенсивных воздействующих импульсов использовалась стандартная лазерная установка ГОС-1001, работающая в режиме модулирования добротности вращающейся призмой полного внутреннего отражения. При фокусировке лазерного излучения в пятно 1 мм плотность мощности достигала 1·109 Вт/см2 при длительности импульса 100 нс. Контроль параметров эрозионного плазменного факела осуществлялся с помощью методики лазерного зондирования. Данная методика позволяет в режиме реального времени определять размеры и концентрацию частиц жидкокапельной фазы, образующейся в приповерхностной зоне мишени. Более подробно данная методика описана в [4, 5].

Результаты исследования и их обсуждение.

Чтобы определить степень влияния неровностей рельефа на процессы плазмообразования [6], при лазерной эрозии указанных металлов были изготовлены мишени различных градаций шероховатости со средними поперечными размерами неровностей в виде продольных царапин 3 и 50–100 мкм. При воздействии на них импульсного лазерного излучения высокой плотности мощности было установлено, что резкие неровности поверхности мишени ~50–100 мкм значительно увеличивают выброс конденсированной фазы металлов по сравнению с более гладким рельефом при прочих равных условиях.

Пределы изменений эффективных диаметров и концентраций жидкокапельных частиц металлов на протяжении времени зондирования при указанных параметрах лазерного воздействия и шероховатостях поверхности мишени ~50-100

390

мкм, а также некоторые физические параметры исследуемых металлов приведены в табл. 1 [7, 8].

Таблица 1 – Пределы изменений эффективных диаметров и концентраций жидко-капельных частиц металлов и некоторые физические параметры соответствующих металлов

Как видно из табл. 1, частицы жидкокапельной фазы исследованных металлов имеют размеры порядка нескольких десятков нанометров при существенных их концентрациях в эрозионных лазерных факелах.

Эксперименты по оценке эффективности образования наноразмерной конденсированной фазы металлов для случая многократного лазерного воздействия без изменения локализации пятна обнаружили эффект сглаживания исходного рельефа поверхности мишени, что, в итоге, приводит к ухудшению условий для формирования конденсированной фазы металлов. Независимо от начальной шероховатости (размеры неровностей до 100 мкм) поверхности после двух-трех импульсов воздействующего излучения условия для образования конденсированной фазы материала мишени мало отличаются от эрозии гладких мишеней (со средними размерами неровностей ~3 мкм).

В итоге для оптимизации процесса лазерного синтеза наночастиц металлов в воздушной среде следует учитывать следующие закономерности:

1.Из-за эффекта сглаживания рельефа мишени повторными импульсами следуют некоторые ограничения на использование частотных лазеров для реализации данного режима воздействия. Для обеспечения высокой эффективности частотных режимов обработки металлов необходимо обеспечивать постоянную смену локализации пятна фокусировки воздействующего излучения на поверхности мишени.

2.Характерные размеры наночастиц при указанных режимах воздействия для серебра, меди и никеля составляют 40–50 нм, тогда как частицы свинца и цинка имеют более крупные размеры ~60–140нм.

3.Наибольшая концентрация ~3·1011–7·1012 см–3 наночастиц в эрозионном факеле достигается при высокоинтенсивном воздействии с указанными

391

параметрами на никель, серебро и медь. Меньшая концентрация ~3·108–5·1010 см–3 может быть получена при воздействии на цинк и свинец.

4. Существенную роль для лазерного синтеза играет шероховатость поверхности мишени. Так максимальный выброс конденсированной фазы достигается для шероховатых мишеней (с характерными размерами неровностей рельефа ~50–100 мкм).

Заключение.

Оптимальный режим лазерного синтеза наночастиц металлов реализуется при использовании шероховатых мишеней (размер неровностей ~50–100 мкм) под воздействием излучения плотности мощности ~109 Вт/см2 для всех типов исследованных материалов.

Литература

1.Рыкалин, Н. Н. Лазерная обработка материалов / Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов, А. Н. Кокора. – М.: Машиностроение, 1975. – 296 с.

2.Действие лазерного излучения большой мощности на металлы / С. И. Анисимов [и др.]. – М.: Наука, 1970. – 272 с.

3.Райзер, Ю. П. Действие лазерного излучения. – М.: Мир, 1974. – 486 с.

4.Динамика параметров эрозионного факела, образованного при воздействии субмикросекундного лазерного излучения на цинковую мишень / В. К. Гончаров [и др.] // ИФЖ 2009 Т. 82 № 4 – с. 638–642.

5.Контроль размеров частиц мелкодисперсной конденсированной фазы эрозионных лазерных потоков в реальном времени / В.К. Гончаров [и др.] // ПТЭ. – 1995. – № 5. – с. 146–155.

6.Гончаров, В. К. Формирование конденсированной фазы металлов при воздей-

ствии на них субмикросекундных лазерных импульсов / В. К. Гончаров, К. В. Козадаев // ИФЖ – 2010 Т. 83, № 1 – с. 80–84.

7. Кикоин, И. К. Таблицы физических величин. / И. К. Кикоин – М.: Атомиздат, 1976.

8. Кошкин, Н. И. Справочник по элементарной физике / Н. И. Кошкин, М. Г. Ширкевич. – М.: Наука, 1976.

Kozadaev K. V., Shchehrykovich D. V.

The laser synthesis of metal nanoparticles at air atmosphere

Belarusian State University, Minsk

Summary

The present work is dedicated to development of laser synthesis method for metal nanoparticles formation. We propose to use a laser probing method for research of laser-induced metal plasma fluxes (laser jets). As a result the fact of drop-liquid phase presence at those plasma formations is established. Due to time resolution of laser probing method we measured the dynamics of particle sizes and concentration of condensed phase of metals at erosive jets.

392