Сборник материалы 14.10.13г. в печать
реклама
25-26 сентября 2013, Саратов
0
0
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Российский фонд фундаментальных исследований
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.»
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ
НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ
Сборник материалов
Всероссийской молодежной научной конференции
НАУКА
Саратов 2013
1
25-26 сентября 2013, Саратов
УДК 616-7; 669-1; 620.3; 67.05; 67.02
ББК 30.3, 28.0
А43
А43
Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий:
сборник материалов Всероссийской молодежной научной конференции. 25-26 сентября
2013 г. – Саратов: ООО «Издательский Центр «Наука», 2013. – 732 с.
ISBN 978-5-9999-1770-6
В сборнике представлены материалы Всероссийской молодежной научной
конференции «Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов
и технологий», проходившей 25-26 сентября 2013 года при финансовой поддержке
РФФИ в рамках научного проекта № 13-03-06839 мол_г в Саратовском
государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. в соответствии с
приказом СГТУ № 705-П от 09.09.2013.
Основными целями молодежной научной конференции и конкурса в ее рамках
являлись выявление наиболее одаренных и талантливых молодых ученых в области
материаловедения и связанных с ним научно-практических направлений, закрепление и
укрепление знаний и умений, полученных в процессе теоретического и
профессионального обучения, дальнейшее совершенствование мастерства молодых
ученых.
Сборник предназначен для широкой аудитории читателей, в частности студентов,
аспирантов, магистрантов, молодых ученых, интересующихся проблемами
материаловедения.
Организационный комитет:
проф. Сытник А.А., проф. Лясникова А.В., проф. Лясников В.Н.,
проф. Давиденко О.Ю., проф. Синицын Н.И., проф. Вениг С.Б.,
проф. Севостьянов В.П., проф. Елинсон В.М., проф. Фетисов Г.П.,
проф. Сироткин О.С., проф. Мерсон Д.Л., проф. Адаменко Н.А.,
проф. Лепилин А.В., проф. Каменских Т.Г., проф. Скрипаль А.В.,
доц. Суетенков Д.Е., проф. Перинский В.В.,
доц. Дударева О.А. (отв. секретарь).
Сборник подготовлен и издан при финансовой поддержке РФФИ
в рамках научного проекта № 13-03-06839 мол_г
Ответственность за содержание и достоверность сведений,
представленных в материалах конференции,
сохранение корпоративной и государственной тайн возлагается на авторов.
УДК 616-7; 669-1; 620.3; 67.05; 67.02
ББК 30.3, 28.0
© Саратовский государственный
технический университет
имени Гагарина Ю.А., 2013
© Авторы статей, 2013
ISBN 978-5-9999-1770-6
2
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
СОДЕРЖАНИЕ
РАЗРАБОТКА ИНТРАМЕДУЛЛЯРНОГО СТЕРЖНЯ НОВОГО ТИПА ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ
ПЕРЕЛОМОВ БЕДРЕННОЙ КОСТИ
Д.В. Иванов, А.П. Барабаш, Ю.А. Барабаш ................................................................................... 12
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ УГЛА ПЕРЕДНЕЙ
КАМЕРЫ ГЛАЗА ПРИ ПЕРВИЧНОЙ ОТКРЫТОУГОЛЬНОЙ ГЛАУКОМЕ
Е.В. Коблова, А.Н. Башкатов, Э.А. Генина ................................................................................... 18
БИОЛОГИЧЕСКИ
СОВМЕСТИМЫЙ
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ
КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ
И.П. Мельникова, А.В. Лясникова, В.Н. Лясников, С.В. Веселухина, Е.Л. Сурменко ............ 22
ОБЕССЕРИВАНИЕ
НЕФТЕПРОДУКТОВ
С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
СИСТЕМ МАТРИЦ
А.В. Выжанов ................................................................................................................................... 26
ПРИМЕНЕНИЕ
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
ПРИ
ИСССЛЕДОВАНИИ
ВЛИЯНИЯ
УРОВНЯ
ВОЛГОГРАДСКОГО
ВОДОХРАНИЛИЩА НА ТЕЧЕНИЕ МАЛЫХ РЕК
Ю.А. Вишневский ............................................................................................................................ 34
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРА МИКРОРЕЛЬЕФА, НАНЕСЕННОГО ДИСКРЕТНЫМ
ВИБРАЦИОННЫМ РЕЗАНИЕМ
Н.В. Ермольчева, О.П. Решетникова .............................................................................................. 39
БЕСПАЛЛАДИЕВАЯ АКТИВАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА
Л.А. Рахметулина ............................................................................................................................. 44
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕТЛЫХ ФРАКЦИЙ ИЗ СМОЛОСОДЕРЖАЩИХ
ОТХОДОВ
В
ПРОИЗВОДСТВЕ
ЭТИЛЕНА
С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
КАТАЛИЗАТОРОВ В НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ ФОРМЕ
А.И. Бельков ..................................................................................................................................... 51
МЕТОД ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ
ОТ КОРРОЗИИ
ПОВЕРХНОСТИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В СОСТАВЕ МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ
И АППАРАТОВ
Е.Д. Перинская, О.В. Белякова, В.В. Перинский .......................................................................... 55
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА НОВОЙ РЕНТГЕНОКОНТРАСТНОЙ АДГЕЗИВНОЙ
СИСТЕМЫ С НАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ НАНОРАЗМЕРНОГО СЕРЕБРА
Н.О. Бессуднова, Д.И. Биленко, С.Б. Вениг, О.А. Шляпникова .................................................. 57
ФОРМИРОВАНИЕ
УСЛОВИЙ
СИНТЕЗА
КАТАЛИЗАТОРОВ
НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НОСИТЕЛЯХ
Ю.Н. Нагурянская ............................................................................................................................ 66
АВТОМАТИЗАЦИЯ
ИЗМЕРЕНИЯ
АДГЕЗИОННО-КОГЕЗИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПОКРЫТИЙ НА ДЕТАЛЯХ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ
О.А. Дударева, И.П. Гришина, О.А. Маркелова, Н.И. Садыкова, А.В. Лясникова ................... 70
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
НАДЕЖНОСТИ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
НА ОСНОВЕ РЕТРОСПЕКТИВНОГО АНАЛИЗА
Д.А. Курдуманов, Р.В. Клюев ......................................................................................................... 78
ИССЛЕДОВАНИЕ
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
ПЕЧЕЙ
СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ
ПО ПРОИЗВОДСТВУ ТВЕРДЫХ
СПЛАВОВ
А.Н. Морозов, Р.В. Клюев ............................................................................................................... 83
ПОЛУЧЕНИЕ БИОГАЗА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗ НОВОГО СЫРЬЯ
3
25-26 сентября 2013, Саратов
П.В. Стружков .................................................................................................................................. 89
О
СВЯЗИ
ХАРАКТЕРА
ХИМИЧЕСКОЙ
СВЯЗИ
C
ЭНЕРГИЕЙ
ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ТЕМПЕРАТУРОЙ ДЕБАЯ
НА ПРИМЕРЕ
НИЗКО- И ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ
А.Е. Бунтин, П.Б. Шибаев ............................................................................................................... 97
НОВАЯ ОКСИГЕНАТНАЯ ПРИСАДКА ДЛЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
А.С. Буторин, С.Ю. Ерошевич ...................................................................................................... 104
КОМПЬЮТЕРНОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОЦЕССОВ
ФОРМИРОВАНИЯ
СТРУКТУРЫ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК СТЕКЛОФОРМ
Д.Г. Чистяков .................................................................................................................................. 111
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ПРОЦЕССА
ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ
АЛЮМИНИЕВЫХ СЛИТКОВ НА ОСНОВЕ РЕГУЛИРУЕМОГО КОНВЕКТИВНОГО
ТЕПЛООБМЕНА
А.С. Горшенин ................................................................................................................................ 118
АЛГОРИТМ СИНТЕЗА ДВОЙНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ФАЗОВЫХ
ДИАГРАММ
А.А. Демина .................................................................................................................................... 126
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ВКЛЮЧЕНИЙ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ ДИОКСИДА
КРЕМНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИПРОПИЛЕНА
Е.А. Бусыгина ................................................................................................................................. 132
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ПРИМЕНЕНИЯ
СОВРЕМЕННЫХ
ОТЕЧЕСТВЕННЫХ
ПРЕПАРАТОВ В КОМПЛЕКСНОМ ЛЕЧЕНИИ СИНДРОМА «СУХОГО ГЛАЗА»
Р.В. Калмыков ................................................................................................................................ 138
СТОХАСТИЧЕСКАЯ
МОДЕЛЬ
КОНТАКТА
ЭЛЕМЕНТОВ
ВИНТОВОГО
СОПРЯЖЕНИЯ
Г.Х. Мукатова ................................................................................................................................. 143
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВНЕШНЕЙ СИЛЫ МЕЖДУ ВИТКАМИ ВИНТА И ГАЙКИ
В ВИНТОВОЙ ПЕРЕДАЧЕ
Г.Х. Мукатова ................................................................................................................................. 146
ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ С
ВОЗДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА
О.А. Дударева, В.А. Протасова, И.П. Гришина, Д.С. Гришин, Г.П. Манюшкина .................. 150
ПОВЫШЕНИЕ
ЭФФЕКТИВНОСТИ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ФАСОННЫХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО СПОСОБА
ЛОБОВОГО ШЛИФОВАНИЯ
О.П. Решетникова, А.С. Носков.................................................................................................... 154
ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРУКТУРЫ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ В СЕТЧАТЫХ ПОЛИМЕРАХ
А.В.Косарев, В.Н. Студенцов, Д.О. Коваленко ........................................................................... 159
АПРОБАЦИЯ НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА ИЗ НАНОВОЛОКОН ХИТОЗАНА
С ВКЛЮЧЕНИЕМ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРА «ФОТОСЕНС» В УСЛОВИЯХ
IN VITRO
И.В. Видяшева, А.Н. Северюхина ................................................................................................ 166
ВЛИЯНИЕ
СТРУКТУРЫ
СЕТЧАТЫХ
ПОЛИМЕРОВ
НА ИХ УПРУГО-ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
А.В. Косарев, В.Н. Студенцов, Д.О. Коваленко .......................................................................... 169
МОДЕЛИРОВАНИЕ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ПОЛЯ
СВЕРВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ И УДЕЛЬНОЙ ПОГЛОЩЕННОЙ МОЩНОСТИ
В ОБРАЗЦЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ
С.C. Милкин.................................................................................................................................... 174
4
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ГАЗОВЫМИ
РАЗРЯДАМИ
НА
ПРОЧНОСТНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПЛАЗМЕННЫХ
ПОКРЫТИЙ
О.А. Дударева, И.П. Гришина, О.А .Маркелова, В.А. Протасова, Н.В. Протасова,
А.В. Лясникова ............................................................................................................................... 181
ИНФОРМАЦИОННАЯ
МОДЕЛЬ
ИЗДЕЛИЯ
МЕДИЦИНСКОЙ
ТЕХНИКИ
НА ОСНОВЕ ТЕОРЕТИКО-МНОЖЕСТВЕННОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
М.С. Фролова, С.В. Фролов .......................................................................................................... 187
ВЛИЯНИЕ КВАЗИПОСТОЯННЫХ ТОКОВ НА РАБОТУ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
М.В. Дубинин ................................................................................................................................. 195
СИНТЕЗ НОВЫХ ПРОТОНПРОВОДЯЩИХ МЕМБРАН
ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Т.В. Шебунина ................................................................................................................................ 202
ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ВОЗДУХА
И
ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ
ВЕЩЕСТВ
В
ГОРОДСКОМ
ЛЕСОПАРКЕ
«КУМЫСНАЯ ПОЛЯНА»
М.А. Аралина .................................................................................................................................. 209
ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ
СИСТЕМА
«МАЛЫЕ
РЕКИ
САРАТОВСКОЙ
ОБЛАСТИ (R-64)»
Д.Ю. Чувашкин .............................................................................................................................. 215
ПРИМЕНЕНИЕ
ПРОМЫШЛЕННЫХ
УПРАВЛЯЮЩИХ
КОНТРОЛЛЕРОВ
ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
А.А. Мальцев .................................................................................................................................. 222
ПОЛУЧЕНИЕ
ВЫСОКОИНДЕКСНЫХ
МАСЕЛ
ИЗ
СЕРНИСТЫХ
И ВЫСОКОСЕРНИСТЫХ НЕФТЕЙ
С.А. Антонов, Е.О. Жилкина ........................................................................................................ 226
ПАРАДИГМА ФОРМАЛЬНОГО ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ
СРЕДЫ ОБИТАНИЯ СЕРВИСНЫХ МЕДИЦИНСКИХ РОБОТОВ В КЛИНИКЕ
Д.Г. Лапитан ................................................................................................................................... 229
ПРИМЕНЕНИЕ ОТХОДОВ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОД
ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
А.А. Алексеева, А.Ш. Шаймарданова .......................................................................................... 234
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ
СЛОЕВ МЕДИ
А.А. Бондарь, И.В. Перинская ...................................................................................................... 241
АДГЕЗИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ ПРИ РАССЛОЕНИИ ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ РЕЗИНЫ
И ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА
А.А. Шихдурдыева, А.И. Шумилин, С.В. Телегин, С.Я. Пичхидзе .......................................... 246
СТОМАТОЛОГИЧЕСКОЕ ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО
А.Г. Авакян, А.В. Базин, В.И. Горбань, Н.А. Вулах, С.Я. Пичхидзе ........................................ 251
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ И СРОКА СЛУЖБЫ
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
О.В. Аникеева ................................................................................................................................. 255
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ТРОТИЛА
И НИТРОБЕНЗОЛА В СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Я.С. Попов, А.В. Иванков, Е.Е. Ромашин, О.В. Пожидаев ........................................................ 260
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ
МЕТОД
РЕГИСТРАЦИИ
СПЕКТРОВ
ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ
5
25-26 сентября 2013, Саратов
Е.И. Лукашенко .............................................................................................................................. 268
ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В КАЧЕСТВЕ ФОТОАНОДОВ С ЦЕЛЬЮ
ВЫБОРА ИДЕАЛЬНОГО ФОТОКАТАЛИЗАТОРА В ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
А.А. Кузнецова ............................................................................................................................... 275
ОСОБЕННОСТИ КООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Е.П. Решетникова, С.М. Усынин .................................................................................................. 279
РЕФЛЕКТНОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА,
ПОЛУЧЕННОЕ МЕТОДОМ АДСОРБЦИИ ИЗ РАСТВОРА НА НАТРИЕВОКАЛЬЦИЕВОМ СИЛИКАТНОМ СТЕКЛЕ
Д.С. Криволапов ............................................................................................................................. 286
ПРИМЕНЕНИЕ ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОГО СТОМАТОЛОГИЧЕСКОГО
СРЕДСТВА
НА
ОСНОВЕ
ХЛОРИСТОГО
МАГНИЯ,
ВКЛЮЧАЮЩЕЕ
КОЛЛОИДНОЕ СЕРЕБРО И ГИДРОКСИАПАТИТ, В КОМПЛЕКСНОМ ЛЕЧЕНИИ
ЗАБОЛЕВАНИЙ ПАРОДОНТА
Н.А. Вулах, А.А. Зверева, С.Я. Пичхидзе, А.Ю. Кропотина ..................................................... 291
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДИКИ ДИНАМИЧЕСКОЙ
ЛАЗЕРМАГНИТОСТИМУЛЯЦИИ ДРЕНАЖНОЙ СИСТЕМЫ ГЛАЗА У БОЛЬНЫХ
ПЕРВИЧНОЙ ОТКРЫТОУГОЛЬНОЙ ГЛАУКОМОЙ
В.С. Сидельникова ......................................................................................................................... 295
ПРОБЛЕМЫ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УПРАВЛЯЕМОСТИ
ПРОЦЕССОВ
СИСТЕМ МЕНЕДЖМЕНТА
О.В. Аникеева, М.Л. Сторублев .................................................................................................... 299
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ СЛОЖНОЧЕЛЮСТНЫХ ПРОТЕЗОВ ДЛЯ
ЗАМЕЩЕНИЯ ПОСТОПЕРАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ ВЕРХНЕЙ ЧЕЛЮСТИ
Ю.Ю. Розалиева ............................................................................................................................. 304
РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТУРЫ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА СМЕСЕВОЙ ОСНОВЕ
НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНОГО АЛКОКСИСИЛОКСАНА И РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
В.В. Косов, С.Я. Пичхидзе ............................................................................................................ 306
ОБЗОР МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ ГАЗОПРОВОДОВ
И.А. Скляров, К.С. Фролов ........................................................................................................... 313
МУЛЬТИДИАГНОСТИЧЕСКАЯ
СИСТЕМА
МОНИТОРИНГА
СОСТОЯНИЯ
ЛЕТЧИКА ВО ВРЕМЯ ПОЛЕТА
Н.Н. Гусева...................................................................................................................................... 318
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
У.С. Курская, И.П. Галкина, Г.И. Рахимова, Л.И. Сафина ........................................................ 325
ПРИМЕНЕНИЕ
СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ
ЗАЩИТНЫХ
СЛОЕВ
(СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ФУТЕРОВОК) ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
А.Г. Кучеренко ............................................................................................................................... 330
СПЕКТРАЛЬНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ МОНОМЕРОВ УРАЦИЛ КАРБОНОВЫХ
КИСЛОТ и их СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
Е.А. Джалмухамбетова, М.Д. Элькин, О.М. Алыкова, В.В.Смирнов ....................................... 336
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
НА КРОВОСОСУЩИХ НАСЕКОМЫХ
А.Ф. Алыкова .................................................................................................................................. 344
ИССЛЕДОВАНИЕ
ИЗМЕНЕНИЙ
КАЧЕСТВЕННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В РЕЗУЛЬТАТЕ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ НА УСТАНОВКАХ
ГИДРООЧИСТКИ СОВРЕМЕННОГО НПЗ
А.А. Степанова ............................................................................................................................... 349
6
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
АНАЛИЗ
СПЕКТРАЛЬНЫХ
ПРОЯВЛЕНИЙ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ РЕЗИНЫ И АЛЮМИНИЯ
А.А. Шихдурдыева, А.И. Шумилин, В.С. Гринёв, В.А. Таганова, С.Я. Пичхидзе .................. 355
ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ РЫНКА НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПОСРЕДСТВОМ
ВЕНЧУРНОГО ИНВЕСТИРОВАНИЯ
В.Р. Медведева ............................................................................................................................... 359
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ УЛЬТРАЗВУКА И ИХ ПРОБЛЕМЫ
И.В.Колосов .................................................................................................................................... 368
МИКРОФЛЮИДНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ
МИКРОКАПСУЛ
А.В. Ермаков ................................................................................................................................... 373
СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕМЕНТ ДЛЯ ФИКСАЦИИ ВРЕМЕННЫХ ПРОТЕЗОВ
ПОСЛЕ ПРЕПАРОВКИ ИНТАКТНЫХ ЗУБОВ ПОД МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ
КОРОНКИ
Е.М. Звигинцева, С.И. Старосветский, М.В. Чайкина, Н.В. Булина, В.И. Верещагин,
А.М. Звигинцев, М.А. Звигинцев ................................................................................................. 381
ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОИЗВОДСТВА
СПЕЦИАЛЬНЫХ
АЛЮМООКСИДНЫХ
НОСИТЕЛЕЙ ДЛЯ КАТАЛИЗАТОРОВ
И СОРБЕНТОВ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ
NOx И ИХ СВОЙСТВА
Е.А. Спецов ..................................................................................................................................... 388
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ
ПРОЦЕССОВ ФИЛЬТРАЦИИ
НА ПОЛИГОЛНАХ ТБО, РАСПОЛОЖЕННЫХ
В ОВРАГАХ
Ю.В. Чижов ..................................................................................................................................... 396
АЛГОРИТМ НЕВРОЛОГИЧЕСКОГО СКРИНИНГА
Н.А. Бакланова, А.А. Индюхин, В.А. Коновалова, А. Г. Федянина ......................................... 401
СИНТЕЗ
МАГНИТНЫХ
НАНОЧАСТИЦ
ДЛЯ
МОДИФИКАЦИИ
ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ МИКРОКАПСУЛ
М.С. Милёхин ................................................................................................................................. 407
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ АВТОДИННОГО ГЕНЕРАТОРА НА
ДИОДЕ ГАННА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИЗУЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ДЫХАНИЯ И СЕРДЦЕБИЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Ю.В. Ветрова .................................................................................................................................. 413
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ
ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ
МАТЕРИАЛОВ
С.В. Чугуевская .............................................................................................................................. 417
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ
ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ НАНОАЛМАЗОВ
Е.В. Чернышева .............................................................................................................................. 423
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СЕРДЦЕБИЕНИЯ И ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА
С ПОМОЩЬЮ БЕСКОНТАКТНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДАТЧИКОВ
Е.О. Путилин .................................................................................................................................. 430
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ РАЗЛИЧНОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
О.А. Дударева, И.П. Гришина, О.А. Маркелова, Д.С. Яковлев, А.В. Лясникова ................... 438
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ВТУЛОК
Ю.С. Иванова, А.П. Козлов, М.В. Власов, И.А. Ланшин ........................................................... 442
7
25-26 сентября 2013, Саратов
ТЕХНОЛОГИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
ОЦЕНКИ
НАПРЯЖЕННОСТИ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЦЕХАХ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
К.С. Аверьянова, Ю.С. Выровчикова .......................................................................................... 449
ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КИНЕТИКИ РАЗЛОЖЕНИЯ НАНОКЛАСТЕРНЫХ
ПОЛИОКСОМЕТАЛЛАТОВ ОТ ИХ СТРУКТУРЫ
И.Д. Гагарин ................................................................................................................................... 455
МОСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
А.Н. Иванов..................................................................................................................................... 460
ЗНАЧЕНИЕ ИСТОРИИ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ
БИОМЕДИЦИНСКОГО ИНЖЕНЕРА
Е.А. Шачнева .................................................................................................................................. 467
МЯСО ПТИЦЫ В МЯСНОЙ ОТРАСЛИ: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Е.А. Молибога, Ю.С. Савельева ................................................................................................... 472
ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ И МРС В ТРАВМАТОЛОГИИ
И ОРТОПЕДИИ
М.П. Мезенцева, А.С. Власова...................................................................................................... 476
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РАЗЛОЖЕНИЯ РАСТВОРА НАНОКЛАСТЕРА {Mо132}
Е.А. Иванова ................................................................................................................................... 482
ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ БИОАКТИВНЫХ
ПОКРЫТИЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ БИОИНЖЕНЕРИИ КОСТНОЙ ТКАНИ
А.И. Мальчихина, Н.Н. Богомолова ............................................................................................. 485
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА СФОРМИРОВАННОЙ
ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ
С.В. Телегин, В.Н. Лясников......................................................................................................... 492
ИССЛЕДОВАНИЕ
СТРУКТУРЫ
И
ОСТЕОГЕННОГО
ПОТЕНЦИАЛА
НАНОСТРУКТУРНЫХ ВЧ-МАГНЕТРОННЫХ ПЛЕНОК
А.А. Шаронова, А.А. Иванова, М.А. Сурменева, Т.М. Мухаметкалиев .................................. 495
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛИТИТАНА КАЛИЯ
С ВОДНЫМИ РАСТВОРАМИ
СОЛЕЙ НИКЕЛЯ
М.А. Викулова, А.А. Шиндров, Т.В. Колбасина......................................................................... 502
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ ПХА
В ИНЕРТНОЙ СРЕДЕ
Е.И. Сыч .......................................................................................................................................... 509
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРИ
ИССЛЕДОВАНИИ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПЫЛЯЕМЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ЧАСТИЦ В СТРУЕ
И НА ОПЫЛЯЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ
В.Н. Лясников, С.Н. Барабанов, Т.Е. Карасева, М.С. Гавкина .................................................. 517
ПИРОФОСФАТ МАГНИЯ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ
А.Г. Авакян, В.С. Гринев, Е.Е. Федоров, С.Я. Пичхидзе ........................................................... 520
СОЗДАНИЕ
И
ИССЛЕДОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ
МДМ-СТРУКТУР С ПЛЁНКОЙ ALQ3 В ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЕ
Н.А. Пенькевич, Д.А. Заярский .................................................................................................... 523
К ВОПРОСУ О РАСПРЕДЕЛЕНИИ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ МЕЖДУ ТЕЛАМИ
КАЧЕНИЯ В ШАРИКОВЫХ УПОРНЫХ ПОДШИПНИКАХ
Г.А. Семочкин, О.П. Решетникова ............................................................................................... 529
МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ РЕЗИНЫ
А.А. Шихдурдыева, А.И. Шумилин, А.М. Захаревич, А.А. Скапцов, С.Я. Пичхидзе ........... 534
СУБМИКРОННЫЙ ПОРИСТЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ С ДОБАВЛЕНИЕМ
УПРОЧНЯЮЩИХ ДОБАВОК ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ
8
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Е.С. Семанцова, М.Н. Медведева ................................................................................................. 537
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ПОЛИМЕРНЫХ ПОРОШКОВЫХ КРАСОК
В.Н. Лясников, С.Н. Барабанов, Т.Е. Карасева, М.С. Гавкина .................................................. 545
ПОЛУЧЕНИЕ,
СВОЙСТВА
И
ФАРМАКОКИНЕТИКА
МИКРОКАПСУЛ
НА ОСНОВЕ БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ
И.В. Марченко, О.Д. Смирнова .................................................................................................... 547
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ИНДИКАТОРОВ, ПОЗВОЛЯЮЩИХ ОЦЕНИТЬ УРОВЕНЬ
РАЗВИТИЯ НАНОИНДУСТРИИ В РОССИИ
В.Р. Медведева ............................................................................................................................... 552
ИССЛЕДОВАНИЕ
ЭВОЛЮЦИИ
ДЕФЕКТНОЙ
МИКРОСТРУКТУРЫ
МЕТАСТАБИЛЬНОЙ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОЙ
ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА НАКОВАЛЬНЯХ БРИДЖМЕНА
С.А. Аккузин ................................................................................................................................... 559
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ
ПОВЕДЕНИЯ
ФУЛЛЕРЕНА
С
ВНЕШНЕЙ
ИКОСАЭДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКОЙ НА ОСНОВЕ ЕГО ТОПОЛОГИИ
А.С. Колесникова, М.М. Слепченков, В.В. Шунаев ................................................................... 566
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ДОРОЖКИ КАЧЕНИЯ УПОРНЫХ
ПОДШИПНИКОВ
ТВЕРДОЙ
ГРАФИТОВОЙ
СМАЗКИ
МЕТОДОМ
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ
А.С. Носков, О.П. Решетникова.................................................................................................... 573
ИССЛЕДОВАНИЕ
СИНТЕЗА
НИТРИДА
ТИТАНА
В
ПРОЦЕССЕ
ДЕТОНАЦИОННОГО НАПЫЛЕНИЯ
П.К. Кондратенко, А.И. Мазитов.................................................................................................. 579
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА НИТРИДА БОРА
ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС
Д.Р. Сафаева .................................................................................................................................... 586
ТЕХНОЛОГИЯ РЕГИСТРАЦИИ ВЫЗВАНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ
В СИСТЕМЕ
НЕВРОЛОГИЧЕСКОГО СКРИНИНГА
А.В. Томашвили, Д.В. Казмирук, И.В. Семененко ..................................................................... 590
ПРИМЕНЕНИЕ
ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОГО
ГАЗОАНАЛИЗА
ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ХРОНИЧЕСКОЙ ОБСТРУКТИВНОЙ БОЛЕЗНИ ЛЕГКИХ
А.А. Буланова ................................................................................................................................. 596
РАЗРАБОТКА НАНОФИЛЬТРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ДОНОРСКОЙ КРОВИ
С.М. Хамидова................................................................................................................................ 603
ИССЛЕДОВАНИЕ
ХАРАКТЕРИСТИК
ГРАНУЛЯТА
НА
ОСНОВЕ
ПОЛИФОРМАЛЬДЕГИДА
Д.В. Костин, А.С. Шультимова .................................................................................................... 608
ПОЛИМЕРЫ В МЕДИЦИНЕ
Э.Р.Рахматуллина, Р.Ю.Галимзянова, М.С.Лисаневич .............................................................. 611
ИССЛЕДОВАНИЕ
СТРУКТУРНЫХ
ПАРАМЕТРОВ
НАНОДИСПЕРСНЫХ
МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ
А.Д. Сытченко ................................................................................................................................ 616
ВОЗМОЖНОСТИ НОРМАЛИЗАЦИИ ФОРМЫ ЗУБНОЙ ДУГИ ВЕРХНЕЙ ЧЕЛЮСТИ
ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ СУЖЕНИИ
И.Ю. Розалиева, Ю.Ю. Розалиева ................................................................................................ 621
ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРИРОВАНИЯ БИОСОВМЕСТИМЫХ ПОРОШКОВ
НА МОРФОЛОГИЮ ПЛАЗМОНАПЫЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ
И.П. Мельникова, А.В. Лясникова, В.Н. Лясников, С.В. Веселухина ...................................... 624
ПОЛУЧЕНИЕ CORE-SHELL ЧАСТИЦ Ag@SiO2 МИКРОЭМУЛЬСИОННЫМ
МЕТОДОМ СИНТЕЗА
9
25-26 сентября 2013, Саратов
Г.В. Гвоздев .................................................................................................................................... 628
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА
НА ОСНОВЕ СЕМАНТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
И.И. Бикмуллина ............................................................................................................................ 634
СОСТАВ
ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ
АРОМАТИЧЕСКИХ
УГЛЕВОДОРОДОВ
ЭКСТРАКТА СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ
С.А. Антонов, Ю.Н. Хорошев ....................................................................................................... 641
МОДИФИКАЦИЯ ГИБРИДНОГО МЕТОДА QM/MM
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУР
Г.В. Савостьянов, А.С. Колесникова, М.М. Слепченков, В.В. Шунаев ................................... 643
ОСОБЕННОСТИ
ОБРАЗОВАНИЯ
НАНОСТРУКТУР
В
ПОЛИИМИДФТОРОПЛАСТОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ УДАРНОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКЕ
П.А. Бессонов, С.В. Селиванова ................................................................................................... 650
3d-МОДЕЛИРОВАНИЕ
РЕСТАВРИРОВАННОГО
ЦЕНТРАЛЬНОГО
РЕЗЦА
ВЕРХНЕЙ
ЧЕЛЛЮСТИ СРЕДСТВАМИ ПРОГРАММНОГО
КОМПЛЕКСА
SOLID WORKS
Е.Е. Ципоруха, Н.О. Бессуднова ................................................................................................... 652
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
ПРОТОТИПОВ
КРИСТАЛЛОФОСФАТОВ
КАЛЬЦИЯ
НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕНТИНА МЕТОДАМИ 3D-ПЕЧАТИ
Н.О. Бессуднова, С.Б. Вениг, Е.Е. Ципоруха .............................................................................. 659
ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ РАДО НА КАЧЕСТВО НИКЕЛЕВОГО ПОКРЫТИЯ
ОСАЖДЕННОГО
ИЗ
МАЛОКОМПОНЕНТНОГО
И МАЛОКОНЦЕНТРИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОЛИТА НИКЕЛИРОВАНИЯ
Д.А. Легкая, Н.Д. Соловьева ......................................................................................................... 668
НАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СУППОРТА
И ЕГО ПРИНЦИП
УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ
А.И. Гаврилов, Ю.С. Сизов ........................................................................................................... 672
ПОДГОТОВКА
БИОСОВМЕСТИМЫХ
ЛИСТОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
К ИЗГОТОВЛЕНИЮ ИМПЛАНТАТОВ
И.П. Мельникова, А.В. Лясникова, В.Н. Лясников, С.В. Веселухина ...................................... 679
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ БЕЛКОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ
МЕТАЛЛАМИ С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ
А.Г. Мельников, Е.В. Наумова, А. Карева, К. Юнусова, М.Г. Пономаренко, А.А. Тучин ..... 682
ОБОСНОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЯ НОВОГО АНТИСЕПТИЧЕСКОГО ПРЕПАРАТА
ШИРОКОГО СПЕКТРА ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДРЕНАЖНЫХ СИСТЕМ
МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
М.М. Вакараева, О.В. Нечаева, Е.И. Тихомирова, Д.А. Заярский ............................................ 687
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ НА ИЗДЕЛИЯХ
ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ16
В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, А.В. Лясникова ................................................................................. 691
АДГЕЗИЯ ПЛАЗМОНАПЫЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ
В.Н. Лясников, М.С. Гавкина, Т.Е. Карасева .............................................................................. 697
СТРУКТУРНЫЕ
ИЗМЕНЕНИЯ
И
ТЕРМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА ПОСЛЕ ВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ
А.Э. Герасимук, Н.А. Адаменко ................................................................................................... 699
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ И ЭЛЕМЕНТНО-ФАЗОВОГО СОСТАВА
БИОИНЕРТНЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ
НА ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ16
10
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
В.А. Кошуро, А.В. Лясникова ....................................................................................................... 704
ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ОСНОВЫ НА
АДГЕЗИОННО-КОГЕЗИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУЧАЕМЫХ ПОКРЫТИЙ
Садыков Р.Р., Садыкова Н.И., Скрипаченко К.К., Дударева О.А. ............................................ 710
МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ПОКРЫТИЯ
ПРИ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ
С.П. Колобухова, С.С. Рыбачок, В.А. Протасова........................................................................ 723
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
С ЦЕЛЬЮ
СОЗДАНИЯ СПОСОБА ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО МАКСИМАЛЬНО ВОЗМОЖНУЮ
ОДНОРОДНОСТЬ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ
М.С. Гавкина, С.П. Колобухова, В.А. Протасова ....................................................................... 725
ИССЛЕДОВАНИЕ
МОРФОЛОГИИ
ПОВЕРХНОСТИ
СЛОЕВ
ПЛАЗМОНАПЫЛЕННОГО ПОКРЫТИЯ
В.А. Протасова, С.П. Колобухова, Е.В. Гомон ........................................................................... 727
УВЕЛИЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА
ТРАВЛЕНИЕМ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
О.А. Дударева, Р.Р. Садыков, И.П. Гришина, О.А. Маркелова ................................................. 729
11
25-26 сентября 2013, Саратов
РАЗРАБОТКА ИНТРАМЕДУЛЛЯРНОГО СТЕРЖНЯ НОВОГО
ТИПА ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ПЕРЕЛОМОВ БЕДРЕННОЙ КОСТИ
Д.В. Иванов, А.П. Барабаш*, Ю.А. Барабаш*
Саратовский государственный университет
имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов
*
Саратовский научно-исследовательский институт травматологии
и ортопедии, г. Саратов
При лечении переломов бедренной кости используются различные
аппараты внутренней и внешней фиксации. Все они имеют недостатки,
которые часто играют определяющую роль при сращивании костных
отломков и реабилитации больного.
Блокируемые интрамедуллярные стержни, распространенные в
травматологии и ортопедии, с позиции физиологии кости имеют серьезные
недостатки. Стержень блокирует внутрикостную систему кровоснабжения,
шинирует силовые нагрузки на конечность при ходьбе, между отломками
формируется резорбционный диастаз, костеобразование замедляется.
Возникает проблема ротационных перегрузок на поперечно введенные
блокировочные
винты.
Система
«кость-фиксатор»
статична,
управляемость репаративными процессами в этих условиях невозможна
без повторных оперативных вмешательств по динамизации фиксирующей
отломки кости системы. Блокирование стержней со стороны костномозгового канала кости теоретически более предпочтительно. Однако
биомеханика подобных систем мало изучена.
Основная задача разработки нового типа интрамедуллярного
стержня состоит в том, чтобы учесть недостатки применяемых на
сегодняшний день блокируемых и расширяющихся имплантатов. Нужны
12
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
фиксаторы, конструкция которых бы была
адекватна
внутренней
архитектонике кости и обеспечивала хорошую стабильность и жесткость и
при этом позволяла костным отломкам взаимодействовать друг с другом в
месте перелома для обеспечения необходимой аутокомпрессии на их
стыке.
Материалы и методы
Трехмерное моделирование
Работа
посвящена инженерной
разработке
интрамедуллярного
стержня нового типа по патенту РФ № 115646 (Барабаш А.П., Норкин
И.А., Барабаш Ю.А.). Изображенный на рис. 1 стержень в общих чертах
напоминает форму «ракеты», внутри имеет канал для упругого элемента
блокирования в одном из мыщелков бедренной кости. Трехреберная,
разновеликая наружная поверхность проксимальной части стержня
адаптирована под анатомию проксимального отдела бедренной кости. Эти
конструктивные особенности исключают ротационную подвижность
отломков. Площадь контакта с костной массой увеличивается в разы.
Рис. 1. Изображение разрабатываемого стержня нового типа
Дополнительно была восстановлена трехмерная геометрическая
модель интрамедуллярного стержня фирмы «ChM Sp.z.o.o.» (пр-ва
Польша, регистрационное удостоверение Росздравнадзора ФС №2006/2105
действительно до 20.12.2016, сертификат соответствия № РОСС PL. МЕ
20. В 07082, действителен до 17.12.2013), толщиной 10 мм.
Для выполнения численных расчетов была создана геометрическая
модель бедренной кости с использованием данных компьютерной
томографии.
13
25-26 сентября 2013, Саратов
С помощью эмпирических формул [2] на основе числа Хаунсфилда
были получены искомые механические характеристики (модуль Юнга и
коэффициент Пуассона) исследуемой бедренной кости.
Численное моделирование. Результаты и выводы
Решались трехмерные статические задачи теории упругости [2] с
учетом
контактного
взаимодействия
костных
отломков
и
интрамедуллярных стержней. Численное моделирование проводилось в
пакете Ansys [1]. Между костными отломками задавалось контактное
взаимодействие с трением.
Материал костных отломков – однородный, идеально-упругий,
изотропный с модулем Юнга 1,8 · 109 Па и коэффициентом Пуассона 0,33.
Материал, из которого изготавливались стержни – изотропная идеальноупругая сталь с модулем Юнга 2 · 1011 Па и коэффициентом Пуассона 0,33.
Нижний
торец
кости
жестко
закреплялся,
а
к
головке
прикладывалось три вида нагрузок (осевая, поперечная и скручивающая).
Цель численного моделирования состояла в расчете напряженодеформированного состояния системы кость-фиксатор при различных
вариантах нагружения и типов фиксаторов.
Результаты численных расчетов для стандартного стержня ChМ
показывают, что наибольшие напряжения достигаются на нижних винтах,
удерживающих
интрамедуллярный
гвоздь
во
всех
трех
случаях
нагружения. Это можно объяснить тем, что при таком нагружении и
способе закрепления, наибольшая нагрузка прилагается к нижним винтам,
стержень работает как рычаг. Высокие (по сравнению с другими
участками) напряжения возникают и в самом стержне в области перелома
кости. Это также объяснимо – два отломка удерживаются за счет стержня,
который при такой постановке задачи работает на излом.
Что касается величины напряжений, то при нагружении осевой и
поперечной силами, максимальные эффективные напряжения (напряжения
14
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
по Мизесу) далеки от предела прочности материала стержня. Напротив,
скручивающая нагрузка, приложенная к головке бедренной кости,
вызывает наиболее высокие эффективные напряжения в материале винтов,
что может привести к их критическому деформированию и возможному
разрушению.
В отличие от стандартного стержня, для стержня нового типа (рис. 2)
концентрации
напряжений
на
блокирующем
винте
отсутствуют,
следовательно, существенно снижается вероятность его деформации и
возможного разрушения.
Величины эффективных напряжений при осевом нагружении
сравнимы с величинами напряжений для аналогичного нагружения
системы с установленным стандартным стержнем ChM.
Если рассмотреть результаты численного расчета нагружения
системы бедренная кость – интрамедуллярный стержень нового типа
поперечной силой, то можно сделать вывод, что основная нагрузка
приходится на сам стержень в месте перелома кости, а также на область
крепления лопастей. Блокирующий винт в таком случае также испытывает
меньшие напряжения. Величины возникающих при этом напряжений
(поперечная нагрузка 100 Н) не являются критическими для материала
стержня.
15
25-26 сентября 2013, Саратов
а
б
в
Рис. 2. Распределение эффективных напряжений в системе бедренная кость –
интрамедуллярный стержень нового поколения при осевом нагружении (а),
при нагружении поперечной силой (б),
при нагружении cкручивающим моментом (в)
Таким образом, можно сделать вывод, что интрамедуллярный
стержень нового типа лишен некоторых недостатков стандартного
стержня, а именно, блокирующий винт в этом случае оказывается менее
нагруженным. Однако, следует понимать, что при использовании нового
стержня, верхний костный отломок может перемещаться в осевом
направлении.
В заключение, приведем сравнительные данные по наибольшим
эффективным напряжениям по Мизесу, возникающим в стержнях при
исследуемых нагрузках (табл. 1). Таблица показывает, что при установке
стержня нового типа напряжения, возникающие в нем, меньше, чем
16
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
напряжения, возникающие в стандартном стержне при всех исследованных
типах нагрузок.
Таблица 1
Наибольшие эффективные напряжения по Мизесу, наблюдаемые в
интрамедуллярных стержнях при исследуемых нагрузках
Эффективные напряжения по Мизесу, МПа
№
Вид и величина
Стандартный
нагрузки
интрамедуллярный
стержень (ChM)
Интрамедуллярный
стержень нового типа
1
Осевая 600 Н
220
200
2
Осевая 800 Н
320
270
3
Осевая 1000 Н
450
350
4
Поперечная 100 Н
380
300
5
Скручивающая 10 Нм
2000
500
Заключение
На основе изображений компьютерных томограмм построена
реалистичная модель бедренной кости человека, имеющая гладкие
границы и пригодная для выполнения численных расчетов. Изучена
архитектоника внутрикостного канала и проксимальной части бедренной
кости, найдена своеобразная внутренняя архитектоника метафиза.
С
использованием
построенных
моделей
кости
и
двух
интрамедуллярных стержней (стандартного ChM и разрабатываемого) на
доклиническом
диафизарных
этапе
промоделированы
переломов
бедренной
кости
операции
с
по
помощью
лечению
установки
внутрикостных фиксаторов.
Выявлено, что разрабатываемый интрамедуллярный стержень нового
типа лишен некоторых недостатков стандартного стержня. А именно,
нижний блокирующий винт оказывается мало нагруженным, основные
нагрузки перераспределяются на стержень. Данный вывод справедлив для
17
25-26 сентября 2013, Саратов
нагружения системы кость-фиксатор тремя различными видами нагрузок:
осевой, поперечной и скручивающей.
Более того, при установке разрабатываемого стержня, верхний
костный отломок может перемещаться в осевом направлении, что может
обеспечить необходимую аутокомпрессию на стыке отломков.
Литература
1. ANSYS - Simulation Driven Product Development, 2013. Website
www.ansys.com.
2. Mow C., Hayes W.C. Basic Orthopedic Biomechanics, New York,
1991. 514 p.
3. Timoshenko S., Goodier J.N. Theory of Elasticity. New York,
1951. 508 p.
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ УГЛА
ПЕРЕДНЕЙ КАМЕРЫ ГЛАЗА ПРИ ПЕРВИЧНОЙ
ОТКРЫТОУГОЛЬНОЙ ГЛАУКОМЕ
Е.В. Коблова, А.Н. Башкатов*, Э.А. Генина*
Научные руководители: д.м.н., профессор Т.Г. Каменских,
д.ф.-м.н., профессор В.В. Тучин*
Саратовский государственный медицинский
университет имени В.И. Разумовского, г. Саратов
*
Саратовский государственный университет
имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов
Первичная открытоугольная глаукома – заболевание, для которого
характерно
развитие
специфических
18
дистрофических
изменений
в
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
зрительном
нерве
оптической
–
нейропатии,
сопровождающихся
повышением внутриглазного давления и характерными изменениями в
полях зрения пациента. По данным ВОЗ количество больных в мире
составляет до 105 млн человек, причем в ближайшие 10 лет их число
увеличится еще на 10 млн, слепых на оба глаза - 9,1 млн. человек. Почти во
всех регионах России глаукома занимает первое место среди причин
инвалидности вследствие офтальмопатологии [1].
Основным
патогенетическим
фактором
развития
заболевания
является повышение внутриглазного давления, что связано с нарушением
оттока
внутриглазной
ухудшения
оттока
жидкости.
водянистой
Непосредственными
влаги
служат
причинами
трабекулопатия,
обусловливающая ухудшение фильтрующей функции трабекулярной
диафрагмы, и частичная блокада склерального синуса, возникающая в
результате повышения разности давлений в передней камере глаза и в
синусе.
Для трабекулопатии характерно уменьшение количества и снижение
функциональной активности клеток в трабекулярном фильтре; утолщение
трабекулярных пластин и, особенно, пористой ткани; сужение и частичный
коллапс межтрабекулярных щелей; деструкция волокнистых структур;
отложение в трабекулярных структурах гранул пигмента, эксфолиаций,
гликозаминогликанов [2].
В настоящее время оценить пигментацию
структур угла передней камеры можно только субъективно при
проведении гониоскопии.
Целью
работы
является
выполнение
компьютерного
анализа
цифровых изображений угла передней камеры глаза человека при
первичной открытоугольной глаукоме и оценка содержания меланина в
трабекулярной ткани.
Материалы
и
методы.
Обследовано
20
больных
первичной
открытоугольной глаукомой (34 глаза) и 40 здоровых человек (66 глаз).
19
25-26 сентября 2013, Саратов
Пациентам проводилось полное обследование – визометрия, тонометрия,
тонография, гониоскопия, периметрия, HRT диска зрительного нерва.
Изображения радужной оболочки и структур угла передней камеры были
получены при помощи фотощелевой лампы Reichert XCEL 400. Данная
модель имеет галогенное освещения и систему светофильтров, что
облегчает фоторегистрацию.
Рис. 1 Пигментация трабекул при первичной открытоугольной глаукоме
Для обработки цифровых изображений была создана специальная
компьютерная программа. Количественная (яркость) и качественная
(цветность) характеристики цвета исследуемого объекта определялись с
использованием колориметрических систем МКО1931 (Yxy) и МКО1976
(L⃰ ⃰
a ⃰ b⃰ ). Для этого попиксельно определялись три цветовые
координаты (R, G, B) исследуемого изображения в колориметрической
системе МКО1931(RGB) для измерения коэффициента отражения, а затем
полученные цветовые координаты R, G, B с помощью простых
соотношений преобразовывались в цветовые координаты X, Y, Z системы
МКО1931 (Yxy) и цветовые параметры L⃰ , a⃰ и b⃰ системы МКО1976
(L⃰ ⃰
a⃰
b⃰ ). Яркость изучаемых изображений и тест-объектов
выражалась в единицах от 0 до 256.
С помощью специальных маркеров из изображения выделялась
область, содержащая радужную оболочку и трабекулы.
20
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Результаты. Максимальная концентрация меланина у здоровых лиц
получена для карих радужных оболочек. При голубой и зеленой окраске
радужной оболочки концентрация меланина меньше.
Таблица 1
Средняя концентрация меланина в радужных оболочках здоровых
людей
Цвет радужной оболочки
Концентрация меланина, мг/мл
голубая
26.2±3.4
коричневая
30.3±11.7
зеленая
27.4±5.4
Таблица 2
Средняя концентрация меланина в радужных оболочках пациентов с
первичной открытоугольной глаукомой
Цвет радужной оболочки
Концентрация меланина, мг/мл
голубая
25.5±3.6
коричневая
22.5±0.2
зеленая
16.1±6.4
Из таблиц 1 и 2 видно, что максимальная концентрация меланина
при первичной открытоугольной глаукоме наблюдалась при голубом цвете
радужной оболочки. Большие потери пигмента радужными оболочками
карего цвета могут быть объяснены более рыхлой структурой переднего
мезодермального листка, что облегчает вымывание пигмента. Анализ
цифровых изображений структур угла передней камеры показал, что при
увеличении
концентрации
меланина
в
трабекулярной
области
коэффициент легкости оттока уменьшается.
Выводы. Разработана компьютерная программа для цифрового
анализа изображений радужной оболочки и структур угла передней
камеры глаза, позволяющий количественно оценить в них содержание
21
25-26 сентября 2013, Саратов
меланина. Согласно полученным результатам, существует достоверная
разница в содержании меланина в радужной оболочке глаза человека в
норме и при первичной открытоугольной глаукоме в одной возрастной
категории, потери меланина больше при коричневом цвете радужки,
показана связь пигментации трабекулы с нарушением гидродинамики
(уменьшением коэффициента легкости оттока).
Литература
1. Нероев В.В., Киселева О.А., Бессмертный А.М. Результаты
мультицентровых исследований эпидемиологических особенностей ПОУГ
в РФ. Доклад на XII Всероссийской Школе офтальмолога, Снегири, 15
марта 2013 г.
2. Нестеров А.П. Первичная открытоугольная глаукома: патогенез и
принципы лечения. РМЖ, № 4
БИОЛОГИЧЕСКИ СОВМЕСТИМЫЙ
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ
И.П. Мельникова, А.В. Лясникова,
В.Н. Лясников, С.В. Веселухина, Е.Л. Сурменко
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Несмотря на значительные успехи дентальной имплантологии, по
прежнему
актуальной
остается
проблема
несостоятельности
имплантированных конструкций, установленных сразу после удаления
зуба. Причина подобных неудач заключается в том, что удаленный зуб
имеет
признаки
хронического
воспаления.
22
Назначение
общего
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
профилактического курса антибиотиков в послеоперационный период
является обязательным, а придание поверхности дентального имплантата
антимикробных свойств способно обеспечить локальную профилактику
возможных осложнений [1].
Давно разработаны и внедрены в клиническую практику препараты
на основе серебра, обладающего рядом ценных в медицинском отношении
свойств. Доказано, что раствор серебра обладает более высоким
антимикробным
эффектом,
антибиотики,
и
чем
пенициллин,
оказывает
биомицин
губительное
и
другие
действие
на
антибиотикоустойчивые штаммы бактерий.
Согласно литературным данным имеется наноструктурированный
материал бемит AlO(OH), который в настоящее время используется как
для упрочнения керамических материалов, так и для придания им
антимикробных свойств [2,3].
При введении наноструктурного бемита в состав плазмонапыленных
биосовместимых
покрытий
следует
ожидать
появления
антибактериального эффекта, который ранее отсутствовал. Обоснованием
этого является тот факт, что при лечении ожогов, ранений, пролежней,
трофических язв и т.д. применяются повязки, в которые на ряду с другими
компонентами дополнительно вводится нанокристаллический бемит, что
позволяет сокращать сроки лечения в среднем с 28 до 16 дней [4].
В результате проведенного исследования предложены способы
насыщения покрытий из гидроксиапатита наночастицами бемита размером
менее 50 нм. Опробован метод пропитки гидроксиапатитовых покрытий в
ваннах
с
наночастицами
бемита
в
количестве
1
г
на
10
мл
дистиллированной воды и 5%-ного раствора в дистиллированной воде
ПАВ полиэтиленгликоля ПЭГ-400. Пропитку выполняли с использование
ультразвука частотой 35кГц.
23
25-26 сентября 2013, Саратов
Использование
капиллярных
плазмонапыленных
покрытий
наноструктурирование
путем
явлений
взаимосвязанных
позволяет
пропитки
пор
производить
суспензиями
на
их
основе
наноструктурных материалов (табл. 1).
Таблица 1
Содержание Al в покрытиях из ГА,
пропитанных суспензиями на основе бемита
Интенсивность линии 309,28 нм
Объект
Пропитывающее
Глубина,
пропитки
вещество
мкм
60 минут + УЗ 2
УЗ
минуты
30
835
691
38
801
664
44
619
467
48
681
390
Суспензия бемита в
30
483
835
5% растворе ПЭГ 400
38
444
801
в Н2О
44
522
719
дистиллированной
48
330
781
Н2О
покрытие
Режим пропитки
60 минут без
Суспензия бемита в
ГА-
алюминия
дистиллированной
На основании результатов лазерного микроспектрального анализа
(ЛМА) (таблица 1) и результатов изучения пористой структуры на
компьютерном анализаторе поверхностей АГПМ-6М можно заключить,
что наиболее эффективно насыщение покрытий из гидроксиапатита
наночастицами бемита происходит при обработке в УЗ ванне. При этом
покрытия из гидроксиапатита модифицированного бемитом, содержат
бемит и обладают развитой пористой структурой, позволяющей хорошо
определять титановый подслой (рис. 1,в).
24
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Длина волны, Å
Рис. 1. Спектр лазерного микроспектрального анализа ГА покрытия на титановом
подслое, насыщенного бемитом: а – пропитка суспензией бемита в дистиллированной
воде; б – пропитка суспензией бемита в 5% растворе ПЭГ в дистиллированной воде;
в – пропитка в ультразвуковой ванне и суспензии бемита в 5% растворе ПЭГ
в дистиллированной воде; г – спектр титана
Таким образом, применение ультразвуковых колебаний в процессе
пропитки покрытий из гидроксиапатита бемитом приводит к полному
насыщению пор и каналов между частицами покрытия.
Литература
1. Мостовая О.С., Лепилин А.В., Лясникова А.В. Разработка,
создание
и
имплантатов,
Инновационные
комплексное
исследование
устанавливаемых
проекты
в
сразу
композитных
после
стоматологии:
удаления
сборник
покрытий
зубов
//
материалов
Всероссийской молодежной научной школы. 17 сентября 2012г. – Саратов:
ООО «Издательство Научная книга», 2012. – С. 137-142.
2. Мазалов Ю. А., Федотов А. В., Берш А. В., Судник Л. В., Лисицин
А.
В.
Перспективы
применения
нанокристаллических
оксидов
и
гидроксидов алюминия / М.: Технология металлов, № 1, 2008. – С. 8-11.
3. Результаты исследования применения наноструктурного бёмита в
различных областях // Мазалов Ю. А., Судник Л. В., Федотов А. В., Берш
25
25-26 сентября 2013, Саратов
А. В., Новожилов А. О.: http://www.rusnor.org/nanoworld/pro/7427.htm –
дата обращения – 10.08.2013 г.
4. Пат. RU 2424825 С2 Гелеобразное покрытие из эластичного
пенополиуретана для закрытия ран различной этиологии / Литинский М.
А., Куранов А. А., Мальков А. В., Афонин А. В., заявл. 02.07.2009г., опубл.
10.01.2011 г.
ОБЕССЕРИВАНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ МАТРИЦ
А.В. Выжанов
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.И. Леонтьева
Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов
В настоящее время нефть – основной источник энергии. На
топливах, полученных из нефти, работают двигатели сухопутного, водного
и воздушного транспорта, вырабатывается электроэнергия на тепловых
электростанциях.
Большинство
отечественных
нефтеперерабатывающих
заводов
производят высокосернитое топливо. Сера и ее соединения в качестве
естественных компонентов входят в состав сырой нефти, это элементарная
сера, сероводород и различные органические соединения (меркаптаны,
сульфиды, дисульфиды и др.), при этом в более тяжелых погонах нефти
серы и сернистых соединений содержится больше, чем в легких. Высокое
содержание серы в топливе отрицательно сказывается на экологической
обстановке. Выделяемый при сгорании высокосернистого топлива диоксид
серы загрязняет окружающую среду и считается опасным.
26
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Так же элементарная сера, сероводород, меркаптаны обладают
высокой коррозионной агрессивностью, поэтому в бензинах и дизельных
топливах их присутствие не допустимо (сера и сероводород) или строго
ограничено (меркаптаны). Для снижения разрушительного воздействия
серы
на
технологическое
оборудование,
применяют
различные
дорогостоящие покрытия.
Очистка
дизельного
топлива
от
соединений
серы
одна
из
сложнейших проблем, существующих технологий переработки нефти.
Разработка новых каталитических процессов при использовании
существующего оборудования и минимальных затратах на реконструкцию
является актуальной задачей требующей решения для получения товарных
видов топлива высокого качества с минимальным содержанием серы и её
соединений.
Нефтеперерабатывающая промышленность в настоящее время
использует химические и физико-химические методы очистки дизельного
топлива
от серосодержащих
соединений. К химическим методам
принадлежат очистка серной кислотой и гидроочистка, к физикохимическим методам – адсорбционные и абсорбционные способы очистки.
Нами предлагается экологически чистая технология, основанная на
принципиально новых технологических и конструктивных решениях,
которая позволяет выделять серные соединения (меркаптаны, сульфиды,
дисульфиды, тиофены и др.) из дизельного топлива. Она обладает целым
рядом преимуществ по сравнению с известными методами:
- простое аппаратурное оформление;
- глубокая степень очистки (содержание серы не более 0,02% масс.);
- низкая температура и атмосферное давление ведения процесса;
- отсутствие дорогостоящих катализаторов;
-
малые
количества
используемых
восстановление в процессе очистки;
27
реагентов
и
их
полное
25-26 сентября 2013, Саратов
- низкие энергетические затраты
Создание представленной технологии стало возможным благодаря
разработанному
нами
способу
создания
матриц,
обладающих
способностью к перестройке молекулярных соединений органических
веществ.
Для получения исходных (пепельных) структур используемых для
создания конфигураций матриц для обессеривания дизельного топлива
использовали: дизельное топливо после каждого этапа обессеривания,
химически чистую серу и банк. Дизельное топливо после каждого этапа
обессеривания пережигали десять раз в муфельной печи до получения
пепла. При каждом сжигании добавляли незначительное количество
катализаторов широкого элементного состава. В дальнейшем этот состав
будет иметь термин «банк». Масса свежего дизельного топлива в каждом
последующем сжигании превосходила массу в предыдущем сжигании на
10%.
Следующим этапом экспериментальных работ являлось получение
пепельной структуры серы. Методика формирования пепельной структуры
серы аналогична методике получения пепельной структуры дизельного
топлива: сжигание серы проводили в 7 этапов с добавлением 10% свежего
компонента химически чистой серы и банка на каждое последующее
сжигание.
Полученная пепельная структура дизельного топлива в дальнейшем
подвергалась рентгенофлуоресцентному анализу на элементный состав.
В
ходе
рентгенофлуоресцентного
анализа
было
установлено
присутствие в пепельных структурах дизельного топлива следующих
элементов влияющих на его нормативные показатели (таблица 1).
28
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таблица 1
Основные элементы, входящие в состав пепла дизельного
топлива и их количество
Дизельное топливо
Элемент
Количество (%)
Ni
16,5
Co
10,2
Cu
7,6
Fe
13,2
W
4,5
S2
14,1
На основе этих данных в дальнейшем составляли структуры матриц.
Для создания структуры матрицы, используемой для обессеривания
дизельного топлива, брали: пепельные структуры дизельного топлива
после каждого этапа сжигания, химически чистую серу, усилители
(металлы и неметаллы в наноструктурированной форме) и банк.
Структура
матрицы
дизельного
топлива,
используемая
для
обессеривания, готовилась следующим образом. В пепел дизельного
топлива
добавляли
незначительное
количество
металлов
в
наноструктурированной форме (Ni, Co, Cu, Fe, W) и незначительное
количество
банка.
наноструктурированной
Полученную
форме
и
смесь
пепла,
банка
после
металлов
в
перемешивания
активировали в муфельной печи.
Структуру матрицы серы готовили следующим образом. Пепел
химически
чистой
серы
смешивали
с
неметаллами
в
наноструктурированной форме и банком. В качестве усилителей для серы
были взяты неметаллы в наноструктурированной форме (йод, бром,
углерод). Полученную смесь пепла, неметаллов в наноструктурированной
29
25-26 сентября 2013, Саратов
форме и банка после перемешивания так же активировали в муфельной
печи.
Методика удаления серосодержащих соединений сводилось к
следующему. В плоскодонную колбу с дизельным топливом вводили
матрицу серы в количестве, равным 1/8 от количества взятого дизельного
топлива. Затем проводили интенсивное перемешивание в течении 15-20
минут. После завершения процесса перемешивания в дизельное топливо
вводили его матрицу , в количестве равном половине от массы матрицы
серы и тоже перемешивали в течении 20 минут. Полученный образец
плотно закрывали крышкой и давали выстойку в течении суток на свету и
генераторе формы (кристалл) при температуре 7-10 °С. Полученная в
результате выстойки система используется в дальнейшем для удаления
серы из дизельного топлива. Масса системы вводится в количестве 1/10
части от массы взятого на обессеривание дизельного топлива. Полученная
система обеспечивает увеличение обьёма обессеренного дизельного
топлива.
Проведённый хроматографический анализ обессеренного с помощью
матриц дизельного топлива показал, что одного цикла обессеривания
недостаточно для удаления сернистых соединений до нормативного
показателя, поэтому было проведено
процессов
обессеривания,
до
четыре цикла последовательных
получения
дизельного
топлива
удовлетворяющего стандарту Евро-4 по содержанию серы. Хроматограмма
первого цикла обессеривания представлена на рис. 1.
30
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 1. Хроматограмма первого цикла обессеривания
Результаты
хроматографического
анализа
первого
цикла
обессеривания представлены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты хроматографического анализа первого цикла обессеривания
Расчет по компонентам
Время,
Компонент
Концентрация
мин
Ед.
Количество
концентрации
1.616
сероводород
641.58
ppm
1
2.559
метилмеркаптан
103.408
ppm
1
4.052
этилмеркаптан
260.012
ppm
1
Расчет по группам
Группа
Концентрация
Ед. концентрации
Кол-во компонентов
H2S
641.58
ppm
1
меркаптан
363.42
ppm
2
Второй, третий и четвёртый процесс обессеривания аналогичен
процессу первого цикла обессеривания, матрица дизельного топлива
готовится из образца дизельного топлива предыдущей обработки.
Последним пятым этапом обессеривания была стадия стабилизации
полученного образца дизельного топлива матрицей дизельного топлива,
31
25-26 сентября 2013, Саратов
полученной после четвёртого обессеривания. Хроматограмма пятого цикла
обессеривания представлена на рис. 2.
Рис. 2. Хроматограмма пятого цикла обессеривания
Результаты
хроматографического
анализа
пятого
цикла
обессеривания представлены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты хроматографического анализа пятого цикла обессеривания
Расчет по компонентам
Время, мин
Компонент
Концентрация
Ед. концентрации
Количество
1.616
сероводород
122.373
ppm
1
2.559
метилмеркаптан
17.94
ppm
1
4.052
этилмеркаптан
62.687
ppm
1
Расчет по группам
Группа
Концентрация
Ед. концентрации
Кол-во компонентов
H2S
122.373
ppm
1
меркаптан
80.627
ppm
2
Влияние структуры матрицы серы и дизельного топлива на процесс
обессеривания представлены в таблице 4.
32
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таблица 4
Влияние структуры матрицы серы и дизельного топлива
на процесс обессеривания
Обессеривание
Количество серы (ppm)
0
1470
1
1005
2
813
3
652
4
407
5
203
Проведённые экспериментальные исследования по обессериванию
выявили, что использование матрицы серы и дизельного топлива снизили
содержание серы в топливе на 86%.
Литература
1. Митусова Т.Н., Полина Е.В., Калинина М.В. Современные
дизельные топлива и присадки к ним. М.: Техника, – 2002. С. 64
2. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа. Часть
вторая. М., «Химия», 1968.
33
25-26 сентября 2013, Саратов
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ПРИ ИСССЛЕДОВАНИИ ВЛИЯНИЯ УРОВНЯ ВОЛГОГРАДСКОГО
ВОДОХРАНИЛИЩА НА ТЕЧЕНИЕ МАЛЫХ РЕК
Ю.А. Вишневский
Научный руководитель: д.т.н., профессор С.В. Бобырев
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Одной из важных задач, решаемых экологической гидрологией,
является задача транспорта промышленных и бытовых стоков речными
потоками.
Особенностью малых рек Саратовского региона, принадлежащих
Волжскому бассейну является зависимость их гидрологического режима
(уровня, скорости течения) от уровня Волгоградского водохранилища.
В
свою
очередь,
уровень
водохранилища
определяется
соотношением пропускных способностей плотин в Волгограде и Балаково.
Так вечером, когда потребность Саратова в электроэнергии падает, шлюзы
Балаковской ГЭС прикрываются, турбины работают медленнее, в
результате чего выше плотины вода накапливается, а ниже - уровень воды
постепенно
падает.
Утром
требуется
больше
энергии,
шлюзы
открываются, уровень воды ниже плотины повышается. В результате этого
уровень воды в устье рек, впадающих в водохранилище циклически
изменяется (рис. 1). При этом с повышением уровня течение в реке
замедляется и даже может изменить направление.
34
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 1. Суточные колебания уровня воды в устье р.Караман,
впадающей в Волгоградское водохранилище
Изменение направление течения оказывается одним из важнейших
факторов, определяющих состояния водных и приводных экосистем. Ниже
рассматривается
применение
геоинформационной
технологии
к
исследованию влияния уровня Волгоградского водохранилища на картину
течения в устье р. Караман (рис.2).
Рис.2. Зона гидрологических исследований в устье р.Караман
Задачей данного исследования было получение экспериментальных
данных
для
оценки
адекватности
гидрологических
моделей,
разрабатываемых при моделировании водных и приводных экосистем.
Для сбора информации о рельефе русла нами использовался
приборный комплекс в составе эхолота Eagle и GPS-навигатора Prestigio,
которые размещались на катере, движущемся по реке в зоне исследования
(рис. 3).
35
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис.3. Размещение на катере приборного комплекса Eagle+Prestigio
Двигаясь по реке, отмечались координаты точек измерения и по
готовности фиксировалась глубина.
По результатам была построена TIN-модель дна (рис.4) на участке
слияния рек и наложить на векторный рельеф дна растровую карту устья
реки
что
(рис.5),
обеспечило
наглядное
представление
моделирования.
Рис.4. TIN-модель речного дна в месте слияния рек
36
участка
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис.5. Наложение растровой карты устья на векторную модель рельефа дна
Далее была исследована система течений. Для этого в воду
опускались бутылки, наполненные песком так, что на поверхности
оставалась только небольшая верхняя часть (рис.6).Это позволяло снизить
до минимума влияние ветра на движение поплавков.
Рис.6. Исследование поверхностной картины течений
в зоне слияния рек
Движение каждого поплавка представляло собой линию тока,
начинавшуюся в месте опускания поплавка в воду. Во время движения
поплавков определялись их GPS-координаты и указывалось время
измерения. Это позволяло определить не только вектор, но и модуль
скорости течения в данной точке.
Применение данной методики позволило выявить в зоне слияния рек
турбулентность (рис.7), возникающую в период поднятия уровня
Волгоградского
водохранилища,
когда
Карамана.
37
происходит
реверс
течения
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис.7. Турбулентность, возникающая в зоне слияния течений
в период поднятия уровня Волгоградского водохранилища
По результатам наблюдений были построены модель линий тока
(рис.8), отражающая указанную турбулентность.
Рис.8. Компьютерная визуализация турбулентности, возникающей в период высокого
уровня Волгоградского водохранилища
Эта же методика показывает, что в период низкого уровня
водохранилища течение в основном ламинарное, линии тока параллельны
и течение направлено вниз. Турбулентность в зоне слияния рек
отсутствует (рис.9).
38
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Линейное движение поплавков GIS-модель линий тока в устье
Рис.9. Ламинарное течение в устье в период низкого уровня
Волгоградского водохранилища
Представленные в данной работе геоинформационные методики и
разработанное
программное
обеспечение
могут
быть
с
успехом
использованы при создании GIS-моделей движения водных потоков в
открытых водоёмах. Они позволяют получить как количественные оценки,
так и оценить адекватность принятых в исследованиях моделей.
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРА МИКРОРЕЛЬЕФА, НАНЕСЕННОГО
ДИСКРЕТНЫМ ВИБРАЦИОННЫМ РЕЗАНИЕМ
Н.В. Ермольчева, О.П. Решетникова
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.В. Королев
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Поверхности,
образующиеся
на
деталях
всеми
известными
способами обработки, вследствие неоднородной пластической деформации
нерегулярны, хаотичны, что затрудняет, а часто делает невозможным
решение задачи оптимизации микрорельефа поверхности, минимизации ее
площади. Таким образом, одной из важнейших проблем в области качества
поверхности является изыскание методов обработки, обеспечивающих
39
25-26 сентября 2013, Саратов
возможность образования на поверхности деталей регулярных, тонко
управляемых, аналитически рассчитываемых микрорельефов. Работы в
этом направлении ведутся во многих передовых промышленных странах
[1].
Наиболее
совершенным
и
универсальным
новым
методом
образования регулярных микрорельефов на поверхностях деталей тел
вращения является разработанный в СГТУ имени Гагарина Ю.А.
дискретное вибрационное резание (ДВР), позволяющее создавать частично
регулярный микрорельеф (ЧРМР) в виде дискретно расположенных
микролунок глубиной hmax с относительной площадью Fн по ГОСТ 2477381 [1, 2].
На рис. 1 видно, что инструмент (резец), закрепленный на Гобразной
части
державки
и
совершающий
возвратно-качательное
движение относительно оси O с амплитудой e, заглубляется на величину
hmax в момент наибольшего отклонения его от положения равновесия на
угол φ. При этом время соприкосновения инструмента с поверхностью
зависит от размеров L и l конструктивных элементов державки, а также
амплитуды e и глубины hmax.
При обработке поверхностей, когда l=e инструмент соприкасается с
поверхностью в течение полупериода T/2.
Рис. 1. Форма микролунок на плоскости развертки детали
40
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рассмотрение образующихся микролунок ведется на плоскости XOY
развертки детали (рис. 1), при этом движение подачи резца производится в
положительном направлении оси OY.
При врезании резца, режущая часть которого представляется как
полусфера с радиусом r, в цилиндрическую или торцевую поверхность без
ее вращения на глубину h, изменяющуюся за период осцилляции от нуля
до hmax, образуется отпечаток, граница которого на плоскости развертки
имеет вид кривой, близкой к полуокружности радиусом ρ, определяемым
по формуле
ρ ≈ 2rh .
1)
Траектория L движения центра C (см. рисунок 1) отпечатка на
поверхности детали задается параметрическими уравнениями:
x = vτ
2π
y = v1τ + e sin
τ
T
2)
где v – окружная скорость заготовки, v1 – скорость движения центра C при
отсутствии осцилляции.
Границы вырезанных микролунок представляют собой огибающие
семейства
полуокружностей
переменного
радиуса
ρ,
являющихся
границами отпечатков, центры которых задаются уравнениями (2).
В каждый момент времени τ величина радиуса ρ определяется
выражением
ρ = ρ max sin
2πτ
,
T
3)
где ρ max – максимальное значение радиуса полуокружности отпечатка при
τ =T 4.
Основным
параметром
микрорельефа
является
относительная
площадь Fн, для расчета которой необходимо знать площадь, занимаемую
41
25-26 сентября 2013, Саратов
микролункой. Площадь микролунки f, образуемой за один период T
осцилляции резца, используем известную формулу для вычисления
площади
криволинейной
трапеции
в
случае
кривой,
заданной
параметрически:
Q=
ϕ2
∫ y(τ ) ⋅ x′(τ )dτ
ϕ1
4)
Площадь микролунки из рисунка 1 представляет собой величину:
f = QK + − QK − + QK* + − QK* − ,
5)
где QK и QK* – площади криволинейных трапеций, заключенных между
+
+
осью OX и кривыми K + и K * в пределах от 0 до T 2 ;
+
QK − и QK* − – площади криволинейных трапеций, заключенных между
осью OX и кривыми K − и K * в пределах от 0 до T 2 .
−
При этом,
2π
(
ρ max ⋅ sin
τ − τ 0 )
2π
× v − 2πkρ max ×
T
τ+
= ∫ v1τ + e ⋅ sin
T
T
2π
0
τ
1 + k 2 cos 2
T
T
4
QK+
2π
2π
2π
2
2 2π
2
2 2π
(
)
(
)
τ
τ
τ
τ
τ
τ
τ
+
⋅
−
+
⋅
⋅
−
1
k
cos
cos
2
k
sin
cos
sin
0
0
T
T
T
T
T
×
dτ
3
2
2
2 2π
τ
1 + k cos
T
(6)
2π
(
ρ max ⋅ sin
τ − τ 0 )
2π
× v − 2πkρ max ×
T
= ∫ v1τ + e ⋅ sin
τ−
T
T
T
2
2 2π
+
τ
1
k
cos
4
T
T
2
QK *
−
2π
2π
2π
2
2 2π
2
2 2π
+
⋅
−
+
⋅
⋅
−
τ
τ
τ
τ
τ
τ
τ
1
k
cos
cos
(
2
)
k
sin
cos
sin
(
)
0
0
T
T
T
T
T
×
dτ
3
2
2
2 2π
τ
1 + k cos
T
42
(7)
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
T
4
2π
Q K − = v ∫ v1τ + (e − ρ max ) sin
τ dτ
T
0
(8)
T
2
2π
Q K* + = v ∫ v1τ + (e + ρ max ) sin
τ dτ
T
T
(9)
4
Используя формулы (6) – (9) определим площадь микролунки за
период осцилляции инструмента по формуле (5):
f =
2eρ max 2πeρ max
+
k
12k
2 2
⋅ 1 +
1 + 0 .5 k 2
2
πkρ max
−
12
2k 2
⋅
1 + 0 .5 k 2
(
)
2
− 2 ,
(10)
где k = 2ei d z , i = näâ. õ nz – число циклов осцилляции резца за один оборот
заготовки, d z – диаметр обрабатываемой поверхности.
Для подтверждения полученных теоретических результатов был
проведен
ряд
экспериментальных
исследовании
при
заданных
конструктивных элементах устройства (L=60 мм и l=20 мм) и режимах
обработки (i=60, e=0.5 мм, h=30 мкм, d z =75 мм, r=0.5 мм, ρ=0.17 мм,
k=0.8.). При этом поверхности с нанесенным регулярным микрорельефом
в
виде
микролунок
контролировались
на
программно-аппаратном
комплексе анализа геометрических параметров микрообъектов с помощью
видеокамеры
и
микроскопа.
Пример
полученной
поверхности
нанесенным микрорельефом представлен на рис. 2.
Рис. 2. Поверхность с нанесенным частично регулярным микрорельефом
43
с
25-26 сентября 2013, Саратов
При
этом
площади
поверхностей
микролунок
полученных
экспериментальным путем находятся в пределах 0,400÷0,412 мм2, а
площадь, полученная теоретически составляет 0,414 мм2.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод что,
относительная
полученной
погрешность
теоретическим
площади
путем
поверхности
микролунок,
площади,
полученной
от
экспериментальным путем, составляет менее 5%.
Литература
1. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на
деталях и их эксплутационные свойства. – Л.: "Машиностроение", 1972. –
240 с.
2. Патент РФ № 113686 Устройство для вибрационной обработки
поверхностей / Н.В. Ермольчева, Б.С. Орлов, А.В. Королев. – Бюл. № 6,
11.08.2011 г.
БЕСПАЛЛАДИЕВАЯ АКТИВАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ
УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА
Л.А. Рахметулина
Научный руководитель: к.х.н., доцент И.Ю. Гоц
Энгельсский технологический институт, г. Энгельс
В практике химической металлизации все еще широко используется
классический метод палладиевой активации диэлектриков, поскольку он
универсален, технологичен, надежен и обеспечивает прочное сцепление
металлических покрытий с непроводниками, хотя и не лишен недостатков.
44
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
В
настоящее
время
часть
исследований
направлены
на
совершенствование данного метода: сокращение расхода палладия и
исключение стадии химической металлизации из технологий, что делает
их более экологичными, экономичными и производительными. Наряду с
этим в последние 30 лет интенсивно ведутся поиски по разработке более
дешевых
прогрессивных
способов
металлизации,
в
которых
не
использовались бы вообще дорогие и дефицитные соли благородных
металлов.
В данной работе предложен способ предварительной активации
поверхности углеродного материала на основе Cu(I) с целью последующей
химической металлизации в сравнении с классическими способами [1-2].
Методика эксперимента
В качестве объектов для химической металлизации служили
электроды, изготовленные из гибкой графитовой фольги типа « Графлекс»,
содержание углерода в которой превышает 99% и не имеет полимерного
связующего, изготовленные ЗАО « НИИХИМТЭК».
Предварительная
обезжиривание
в
обработка
образцов
органическом
растворе,
включала
травление
в
в
себя
смеси
концентрированных растворов соляной и серной кислот, активацию
поверхности. На каждом этапе обработки фиксировалось изменения веса
образцов.
Активирование
поверхности
исследуемых
образцов
из
углеродного волокна перед нанесением меди осуществляли по схемам:
-
классической,
состоящей
из
операций
растворами солей олова и последующей активации
сенсибилизации
в растворе
соли
серебра следующей концентрации г/л: SnCl2 -17, HCl - 28, C2H5OH(мл)500, AgNO3 -5;
-
обработка в хлоридном растворе г/л: SnCl2 -17 , HCl -28
-
обработка в растворе одновалентной меди Cu (I)
45
25-26 сентября 2013, Саратов
обработка в растворе одновалентной меди и 1% -ном растворе
-
гидразина [3-5].
Процесс химического меднения вели в растворе следующего состава
г/л: NaOH-40; CuSO4 · 5H2O-20; формалин (мл) - 10.
Оценка качества покрытия медного покрытия
помощью
порогравиметрического
метода
на
осуществлялось с
различных
этапах
предварительной обработки поверхности [6].
Для контроля и визуализации данных о линейных размерах
микрообъектов, форме микрочастиц и создания архива изображений
микрообъектов использован анализатор изображения микроструктур
АГПМ-6М ФУЛК 401163.001-01. Поле изображения, получаемого с
использованием АГПМ-6М, составляет 430 мкм. Определение пористости
образцов
производилось с использованием программы «Микрошлиф»,
подвергнутых
химическим
активирующих
растворах,
способам
с
целью
активации
нанесения
в
на
различных
активируемую
поверхность малого количества каталитически активного металла и
насыщения
поверхностного
слоя
сильными
восстановителями,
способными в растворе химической металлизации восстанавливать ионы
осаждаемого металла.
Восстановление ионов меди до металлического состояния проводили
при использовании раствора акселерации на основе хлорида гидразиния
(N2H4 · HCl) следующего состава: (N2H4·HCl) – 0,5 моль/л; pH = 8 ÷ 10; Т =
298 К.
В основе его работы лежат следующие реакции:
В
ходе
2Cu2+ + N2H4 + 4OH- = 2Cu0 + N2 + 4H2O
(1)
4Cu+ + N2H4 + 4OH- = 4Cu0 + N2 + 4H2O
(2)
процесса
химического
осаждения
измерялось
рНs
приэлектродного слоя рис. 1. При химическом осаждении меди на
углеродный материал в сернокислом электролите после активации в
46
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
хлоридном олове и активации в
хлоридном олове и серебре на
зависимости рНs от времени в первые секунды наблюдается большое
уменьшение значения
рНs приэлектродного слоя, что связано с
восстановлением меди на электроде в реакции участвуют ОН- группы по
реакции, и как следствие побочного процесса восстановление водорода в
начальной период времени. Затем идет замедление процессов и рНs
стремиться к объемным значениям (рис. 1 кр.1, 2).
Согласно рис. 1. и таблице 1 наибольший пористостью обладают
образцы
обработанные
в
растворе
олова
(II),
а
наибольшей
равномерностью образцы активированные в растворе меди (I).
Исследование поро и гравиметрии углеродных образцов после
химического меднения приведены в таблице 2 и на рис.2. Наибольшей
сплошностью и равномерностью медного покрытия обладают образцы,
активированные в растворах на основе одновалентной меди.
Рис. 1. Зависимость pHs от времени при химическом меднении углеродного материала:
1- углеродный материал активированный в растворе одновалентной меди;
2- углеродный материал активированный в растворе одновалентной меди и гидразина;
3- углеродный материал активированный в растворе олова, 4- углеродный материал
активированный в растворе олова и серебра
47
25-26 сентября 2013, Саратов
1
2
3
4
Рис.2. Микроструктура поверхности углеродного материала до и после различных
способов активации и его преобразование в бинарное (черно-белое) (б) с помощью
программы «Микрошлиф» (увеличение х1200):
1 - активация в растворе олова; 2- активация в растворе медь(1)+фг;
3 - активация в растворе серебра и олова; 4 -активация в растворе меди (1)
Таблица1
Влияние способа активации на пористость углеродного материала
Способы активации
Пористость по 3 точкам, %
Средняя
пористость, %
Без активации
21, 26, 24
23,6
после травления
39, 41, 43
41
в растворе олова ( II)
37, 39, 41
39
в растворе серебра и олова
22, 29, 25
25,3
в растворе медь(1)+фг
31, 41, 38
36,7
в растворе меди (1)
36, 38, 37
37
48
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таблица 2
Влияние способа активации на пористость углеродного материала
после химической металлизации
Способы активации
Пористость по 3 точкам, %
Средняя
пористость, %
в растворе олова ( II)
37, 36, 38
37
в растворе серебра и олова
22, 26, 24
24
в растворе медь(1)+фг
33, 36, 37,5
35,5
в растворе меди (1)
37, 38, 36
37
1
2
3
4
Рис. 2. Микроструктура поверхности углеродного материала после химической
металлизации при различных способах предварительной активации поверхности
и его преобразование в бинарное (черно-белое) (б) с помощью программы
«Микрошлиф» (увеличение х1200):
1 - активация в растворе олова; 2- активация в растворе медь(1)+фг;3 - активация в
растворе серебра и олова; 4 -активация в растворе меди (1) при увеличении х1200
Таким
образом,
на
активацию
диэлектрического
материала
оказывает влияние качество его поверхности, которая должна обладать
гидрофильностью
и шероховатостью, что обеспечивает равномерное
распределение активатора по поверхности, закрепление необходимого
49
25-26 сентября 2013, Саратов
количества активатора на поверхности и достаточно высокую адгезию
металла покрытия к диэлектрической подложке. В этой связи для
углеволокнистой поверхности наиболее предпочтительна активация в
электролитах, содержащих в своем составе ионы одновалентной меди,
даже по сравнению с классическими способами, т.е. содержащими своем
составе олово и серебро.
Литература
1. Шалкаускас М. Химическая металлизация пластмасс / Шалкаускас
М.,Вашкялис А. - 3-е изд.перераб. -Л.,- Химия, 1985.-144с.
2. Аржанова Т.А. Беспалладиевая химическая и электрохимическая
металлизация диэлектриков .Рос. акад. наук, Дальневост. отд-ние, Ин-т
химии, -Владивосток Дальнаука -1996-180 с.
3.
Рахметулина
поверхности
Л.А.
Влияние
углеродного волокна на
предварительной
обработки
скорость металлизации при
химическом меднении с последующим электрохимическим осаждением на
композитную основу /Рахметулина Л.А., Гоц И.Ю., Закирова С.М.
//Вестник Казанского технологического университета .-2012 .- Т. 15, № 15
.-C.145 - 148
4. Рахметулина Л.А. Химическое осаждение меди на поверхность
углеродного волокна при различных способах активации /Рахметулина
Л.А., Гоц И.Ю., Закирова С.М. //Химия под знаком Сигма: исследования,
инновации,
технологии
:
материалы
Всероссийской
молодежной
конференции , г. Казань . 2-4 июля 2012 г. .- Казань: Изд-во КНИТУ , 2012
.- C.167 - 168
5. Рахметулина Л.А. Электрохимическое наращивание медного слоя
на углеродное волокно после химической металлизации при различных
способах активации /Рахметулина Л.А., Гоц И.Ю., Закирова С.М.
//Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского смотра50
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
конкурса научно-технического творчества студентов вузов "ЭВРИКА":
сборник. - Новочеркасск : ЛИК ,2012 .-С.62 - 64 .
6.
Рахметулина
поверхности
Л.А.
Влияние
углеродного волокна на
предварительной
обработки
скорость металлизации при
химическом меднении /Рахметулина Л.А., Гоц И.Ю., Закирова С.М.
//Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии :
сборник материалов Всероссийской молодежной конференции. - Саратов
:ООО "Издательство Научная кн." ,2012 .-С.213 - 217 . - ISBN 978-5-97581400-5.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕТЛЫХ ФРАКЦИЙ
ИЗ СМОЛОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ
ЭТИЛЕНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАТАЛИЗАТОРОВ
В НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ ФОРМЕ
А.И. Бельков
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.И. Леонтьева
Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов
В настоящее время нефтехимический потенциал промышленно
развитых государств определяется объемами производства низших
олефинов. Основным источником их производства служит процесс
термического пиролиза углеводородов с водяным паром. Согласно
федеральной программе «Энергоэффективная экономика ТЭК» (раздел
«Модернизация нефтеперерабатывающей промышленности») глубина
переработки нефти к 2020 г. должна увеличиться до 85%, при высоком
качестве нефтепродуктов, обеспечивающем их конкурентоспособность.
Повышение глубины переработки нефти будет достигнуто за счет более
51
25-26 сентября 2013, Саратов
рационального использования тяжелых нефтяных остатков. По данным
ежегодного отчета журнала OilandGasJournal, характеризующего уровень
развития производства низших олефинов за рубежом и в России,
производственная мощность в нашей стране составляет 2810 тыс. т/год.
Это означает, что мы имеем большое количество смол в качестве отхода,
которые
не
отечественных
котельное
находят
применения.
нефтехимических
топливо,
Смола
пиролиза
предприятиях
экономически
этилена
используется
нерационально
и
на
как
экологически
небезопасно. Смола пиролиза не содержит гетероциклические соединения,
что выгодно отличает ее от смолы коксования каменного угля. Поэтому
переработка смолы пиролиза производства этилена не требует сложных
технических решений и дорогостоящих технологических операций,
связанных с очисткой смолы и продуктов ее переработки от серо-, азот-, и
кислородсодержащих
соединений.
Обладая
высоким
содержанием
ароматических соединений с уникальным химическим составом смолу
пиролиза производства этилена можно использовать в качестве сырья для
получения светлых бензиновых фракций.
Каталитическое
разделение
смолы
пиролиза
экспериментальной установке представленной на рис. 1.
52
проводилось
на
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 1. Экспериментальная установка для проведения процесса каталитического
разделения смолы пиролиза производства этилена:
1-колбонагреватель, 2-термометр, 3-холодильник Либиха, 4-колба приемник, 5-весы,
6-аллонж, 7-колба круглодонная, 8-насадка Вюрца
Экспериментальная установка состоит из колбонагревателя LOIP
LH-250, предназначенного для
нагрева жидкостей и твердых веществ,
проведения синтеза и перегонки, контроля фракционного состава,
определения содержания воды по действующим стандартам и других
задач, предусматривающих нагревание при температурах до +600°С.,
мощностью 650 Вт. Температура контролируется в помощью термометра
лабораторного ртутного с предельной температурной 250 ˚С с ценой
деления шкалы 1˚С, применяемого для измерения температуры паров
выходящих из колбы с приготовленной смесью. Охлаждение паров легких
фракций
смолы
холодильника
пиролиза
Либиха
преимущественно
в
осуществляли
изготовленного
качестве
из
нисходящего
53
при
помощи
стекла,
примерно
прямого
применяемого
до
160°С.
25-26 сентября 2013, Саратов
Охлаждающим средством для веществ с температурой кипения <120°С
служит в нем проточная вода, а в интервале 120-160°С — непроточная.
Результаты
экспериментальных
исследований
эффективности разгонки смолы пиролиза
по
оценке
с различными составами
катализаторов в наноструктурированной форме представлены в таблице 1.
Таблица 1
Влияние состава нанокатализаторов на выход светлых фракций
из смолы пиролиза
№
Выход светлых фракций, %
1
Смола пиролиза без добавок
36
2
Смола пиролиза+ НК-1
68
3
Смола пиролиза + НК-2
46
4
Смола пиролиза + НК-3
44
5
Смола пиролиза + НК-4
42
6
Смола пиролиза +НК-5
51
7
Смола пиролиза +НК-6
45
Из анализа приведенных результатов по оценке выхода светлых
фракций при использовании различных катализаторов видно, что
применение
эффективным
композиции
катализатора
НК-1
являются
наиболее
использование, которой увеличивает выход светлых
фракций из смолы пиролиза до 25%, при этом их состав остаётся
стабильным
Литература
1. Гуреев А.А. Автомобильные бензины. Свойства и применение/М.
Химия 2009. – 444 стр.
2. Александров И.А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке
/ М.Химия 1981. – 353стр.
54
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
МЕТОД ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ
ОТ КОРРОЗИИ ПОВЕРХНОСТИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В СОСТАВЕ
МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ И АППАРАТОВ
Е.Д. Перинская, О.В. Белякова, В.В. Перинский
Научный руководитель: к.т.н., доцент И.В. Перинская
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Повышение требований к аппаратуре, особенно медицинской, таких
как
повторяемость
электрических
параметров
элементов
и
их
стабильность, надежность и воспроизводимость сигналов, снимаемых с
датчиков, приводит к необходимости внедрения в технологию пассивных и
активных элементов новых технологических решений, обеспечивающих
воспроизводимость, точность, простоту аппаратурной реализации и
контроля, производительность, высокую локальность операций и их
совместимость между собой.
Реализация
данных
требований
возможна,
если
различные
технологические операции будут основываться на технологических
процессах, имеющих единую физико-химическую природу [1].
Коэффициент
коррозионной
стойкости
К,
характеризующий
увеличение времени до появления первых очагов коррозии в результате
ионно-лучевой пассивации, можно определить из отношения:
К= tи / tн,
где tи – время до появления первых очагов коррозии материала, подвергнутого ионно-лучевой пассивации, tн – время до появления первых очагов
коррозии непассивированного исходного материала.
55
25-26 сентября 2013, Саратов
На графиках рис. 1 приведены экспериментально полученные зависимости коэффициента коррозионной стойкости К от дозы и энергии
ионно-лучевой пассивации деталей из бериллиевой бронзы.
а
б
в
г
Рис. 1. Экспериментальные зависимости коэффициента коррозионной
стойкости (К) от энергии и дозы ионов
Пример реализации способа. Заготовку детали из бериллиевой
бронзы марки БрБ2 ГОСТ1789-70 изготавливают их фольги толщиной
d=100 мкм с чистотой обработки поверхности по 13 классу шероховатости
(Ra
0,02). Химическую обработку в полирующем травителе проводят в
следующем режиме: температура травителя +800С, время обработки 10-15
секунд. Ионно-лучевую пассивацию ионами аргона проводят в два этапа
со следующими режимами:
−
основной этап Е0=50 кэВ, Ф0 =1500 мкКл/см2;
−
дополнительный этап Ед=130 кэВ, Фд=2500 мкКл/см2.
В результате проведения этих операций коррозионная стойкость
ионно-пассивированной поверхности детали, оцениваемая по времени до
появления первых точечных очагов коррозии, возрастает в 17 раз [3]; на
56
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
локально
ионно-пассивированной
поверхности
детали
получены
защищенные от коррозии области.
Литература
Лабунов В. А. Развитие микро- и наноэлектроники /
1.
В. А.
Лабунов // Оборудование, технологии и аналитические системы для
материа-ловедения, микро- и наноэлектроники: сб. науч. ст. V РоссийскоЯпонского семинара. Саратов, 18 – 19.06.2007. - Саратов, 2007. -
Т. 1. -
С. 179–201.
2. Перинская И. В., Лясников В. Н., Перинский В.В. Механизмы
влияния ионной имплантации на химическую активность металлов / И.В.
Перинская, В.Н. Лясников, В.В. Перинский //
Технология металлов. –
2009. – N 8. - C. 22-25.
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА НОВОЙ РЕНТГЕНОКОНТРАСТНОЙ
АДГЕЗИВНОЙ СИСТЕМЫ С НАПОЛНИТЕЛЕМ
ИЗ НАНОРАЗМЕРНОГО СЕРЕБРА
Н.О. Бессуднова, Д.И. Биленко, С.Б. Вениг, О.А. Шляпникова
Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент Н.О. Бессуднова
Саратовский государственный университет
имени Н.Г.Чернышевского, г. Саратов
В
последние
годы
ведущими
фирмами
–
производителями
стоматологических материалов (3M ESPE, Dentsply, Kerr, Voco, Bisco и
др.) разработана отдельная линейка адгезивных систем с наноразмерными
наполнителями. Традиционно в качестве наполнителей используются
частицы диоксида кремния. Производители заявляют об увеличении силы
57
25-26 сентября 2013, Саратов
микромеханического сцепления нанонаполненных адгезивов с твердыми
тканями
зуба,
долговечности
имеются
данные
гибридного
слоя
о
повышении
адгезивного
стабильности
соединения
и
при
использовании нанодисперсного наполнителя [1-3]. Однако, степень
рентгеноконтрастности разработанных адгезивных систем сравнима с
таковой твердых тканей зуба, что не позволяет контролировать степень
проникновения адгезива в объем дентина, мониторировать деградацию
адгезивного соединения и, следовательно, объективно определять сроки
службы реставрации. Первые опытные образцы адгезивной системы,
обладающей
свойством
рентгеноконтрастности,
были
разработаны
авторским коллективом на основе базовой адгезивной системы Single Bond
(3M ESPE) и наполнителя из наночастиц серебра [4,5].
Целью
настоящего
исследования
является
оптимизация
концентрации рентгеноконтрастного наполнителя указанной адгезивной
системы.
Оптимизация направлена на минимизацию весового содержания
наночастиц серебра в адгезивной системе, достаточного для сообщения
материалу требуемой рентгеноконтрастности, с одной стороны, и на
сохранение реологических свойств адгезива, с другой, а также повышение
его прочностных характеристик.
Материалы и методы
Для определения минимального весового содержания серебряного
наполнителя, при котором материал сохраняет рентгеноконтрастность и
реологические свойства, использовался аналитический комплекс на базе
растрового
электронного
микроскопа
высокого
разрешения
SEM
Mira\\LMU, «TESCAN» c системой энергодисперсионного анализа EDX
INCA Energy, «Oxford Instruments».
Определение механических характеристик адгезивной системы
(предельных значений нагрузки и удлинения при растяжении, модуля
58
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Юнга) проводилось на одноколонной универсальной испытательной
машине Instron 3342, «Instron».
Ход работы
Для изучения предельно допустимой концентрации адгезива,
достаточной для сохранения его рентгеноконтрастных свойств, была
изготовлена серия образцов в виде капель с процентным содержанием
наполнителя 0%; 0,1%; 0,3%; 0,5%, 1%, 3%, 5% и исследована методами
SEM/EDX.
Реологические свойства адгезива изучались на основе анализа
композитных реплик дентина, изготовленных из адгезивной системы с
введенными наночастицами серебра и без них.
Для
проведения механических испытаний были
изготовлены
образцы адгезивной системы в виде тонких пленок с содержанием
наноразмерного серебра 0%; 0,5%; 0,8%; 1%; 1,5%; и 5% содержанием
наночастиц серебра. В ходе работы проведены две серии независимых
экспериментов, обеспечивающие достоверность получаемых результатов.
Результаты и их обсуждение
Установлено, что концентрация наночастиц серебра в адгезивной
системе, при которой последняя сохраняет рентгеноконтрастность, должна
быть не менее 0,5%.
Сравнение реплик дентина, изготовленных с использованием
адгезивной системы с наночастицами серебра и без них, указывает на то,
что введение в адгезив серебра порядка 1% существенно не влияет на
глубину проникновения адгезива в объем дентина.
Результаты механических испытаний образцов адгезивной системы с
различным процентным содержанием серебра представлены в виде
зависимости
приложенной
нагрузки
образцов при их растяжении (см. рис. 1).
59
от
относительного
удлинения
25-26 сентября 2013, Саратов
Концентрация серебра - 0%
Концентрация серебра - 0,5%
Концентрация серебра - 0,8%
Концентрация серебра - 1%
Концентрация серебра - 1,5%
Концентрация серебра - 5%
Рис. 1 Зависимости приложенной нагрузки от относительного удлинения образца
В таблице 1 представлены данные о предельных нагрузках и
удлинениях, при которых происходит разрыв, и рассчитаны значения
модуля Юнга для образцов с различным весовым содержанием серебра.
Таблица 1
60
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Результаты механических испытаний
Номер
образца
l/l0
<l/l0>
<P> без выбросов
P, MПa
(с выбросами), MПa
E, Пa
концентрация Ag 0% (первая серия экспериментов)
1
0,038
2
0,080
3
0,077
4
0,030
5
0,040
6
0,040
0,038
0,062
(18,826)
(586,55)
10,768
249,46
7,151
8,058 (8,313)
6,256
0,040
250,77
221,69
(3,650)
(176,09)
(3,228)
(104,41)
концентрация Ag 0% (вторая серия экспериментов)
1
0,027
2
0,030
3
0,059
8,174
0,039
312,62
8,904
8,539 (14,030)
(25,012)
309,06
(469,06)
концентрация Ag 0,5% (вторая серия экспериментов)
1
0,118
21,110
278,38
2
0,034
10,951
348,94
3
0,090
4
0,130
12,099
394,40
5
0,133
19,009
239,68
0,101
14,765
15,587
242,84
концентрация Ag 0,8% (вторая серия экспериментов)
1
0,029
2
0,034
3
0,045
4
0,040
10,325
0,037
393,88
12,659
13,710
18,189
13,667
471,98
470,47
427,22
концентрация Ag 1% (первая серия экспериментов)
1
0,060
2
0,053
3
0,025
20,029
0,046
522,16
17,560
15,092
7,687
395,50
371,04
концентрация Ag 1% (вторая серия экспериментов)
1
0,061
2
0,021
0,040
21,887
15,065
11,378
61
610,93
614,89
25-26 сентября 2013, Саратов
3
0,039
11,931
335,76
концентрация Ag 1,5% (вторая серия экспериментов)
1
0,090
2
0,055
3
0,090
5,062
0,078
195,27
7,345
9,055
166,22
14,757
422,41
концентрация Ag 5% (первая серия экспериментов)
1
0,027
2
0,089
3
0,040
6,453
0,052
(761,06)
14,018
9,417
386,85
7,779
231,32
концентрация Ag 5% (вторая серия экспериментов)
1
0,048
16,327
389,98
2
0,049
(33,369)
(870,96)
3
0,053
4
0,075
6,803
285,65
5
0,038
11,203
347,23
0,053
12,818
11,788 (16,104)
253,06
В табл. 1 введены следующие обозначения: l/l0- относительное
удлинение образца; P - предельная нагрузка; E - модуль Юнга.
Следует сделать несколько замечаний.
1)
Исходный материал сам по себе является неоднородным, что
иллюстрировано рис. 1 и данными табл. 1.
2)
Разброс результатов механических испытаний в пределах
каждой группы образцов с одним и тем же содержанием серебра не
превосходит отклонений в исходных материалах. При использовании
материалов с меньшим разбросом в пределах одной группы образцов
наблюдается воспроизводимость.
3)
Введение серебра в адгезивную систему порядка 0,5-1%,
достаточного
для
приводит
увеличению
к
придания
ей
требуемой
прочности
и
рентгеноконтрастности,
упругости
материала,
что
отображается в зависимостях значений предельных нагрузок и модуля
Юнга от процентного содержания серебра (табл. 1).
62
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Наблюдаемый феномен, по-видимому, можно качественно объяснить
следующим
образом.
При
высоком
содержании
наполнителя
в
исследуемых образцах происходят разрывы связей филаментов адгезивной
системы наночастицами серебра, что схематично представлено на
рис. 2, слева.
Образующиеся
же
при
этом
связи
между
пвп-
стабилизированными наночастицами серебра и адгезивом менее прочные.
При малых значениях концентрации наноразмерного серебра в образцах
величина отношения количества разрывов связей в объеме полимера,
образующего адгезивную систему, к количеству связей, образованных
между наполнителем и полимером, незначительна (рис. 2, справа).
Рис. 2. Адгезивная система с высоким (слева) и низким (справа) процентным
содержанием наночастиц серебра. Филаменты адгезивной системы обозначены черным
цветом, связи между наночастицами серебра и адгезивной системой – красным
Заметим, что такое объяснение не является единственным, возможны
и перколяционные изменения в исследуемых образцах [6]. В зависимости
от процентного содержания наночастиц в объеме адгезива, последние
могут образовывать упорядоченные структуры – кластеры, например, в
виде цепочек, по которым и происходит разрыв при механическом
воздействии на образец (рис. 3).
63
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 3. Равномерное распределение серебряного наполнителя в адгезиве (слева)
и связанные структуры из наночастиц серебра (справа),
по которым проходят линии разрыва
Дальнейшее детальное исследование позволит выяснить наиболее
вероятный механизм.
Следует отметить, что при разработке адгезивной системы с
наполнителем
из
пвп-стабилизированного
наноразмерного
серебра,
необходимо также учитывать влияние среды адгезива. Принято считать,
что пвп-покрытые наночастицы обладают неравномерным распределением
зарядов, что препятствует их агломерации. Однако, в адгезивной системе,
которая сама по себе является слабополярным органическим соединением,
взаимодействие частиц изменяется.
Заключение
В результате проведенной серии экспериментов оптимизировано
процентное содержание наполнителя из наноразмерного серебра в
адгезивной
системе.
Показано,
что
механические
характеристики
адгезивной системы изменяются с ростом концентрации наночастиц
серебра неоднозначно. Установлено, что при концентрации серебра
порядка 0,5-1%, достаточной для сообщения материалу требуемой
рентгеноконтрастности без существенного изменения его реологических
64
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
свойств, механические свойства находятся вблизи оптимума и выше, чем у
адгезивной системы без серебряного наполнителя.
Полученные результаты указывают на возможность использования
наноразмерного
серебра
в
качестве
наполнителя
при
разработке
рентгеноконтрастных адгезивных систем.
Литература
1.
http://solutions.3m.com/wps/portal/3M/en_US/3M-ESPE-
NA/dental-professionals/products/espe-catalog/~/Adper-Single-Bond-PlusAdhesive?N=5144788+3294768957&rt=rud //Материалы сайта 3M ESPE.
Каталог стоматологических материалов. [Дата обращения 13.05.2013 ].
2.
http://www.dentsply.com/ //Материалы сайта Dentsply. [Дата
обращения 13.05.2013 ].
3.
F. Tay, D. Pashley //J. Can. Dent. Assoc. 2003. Vol. 69. № 11. P.
726–731.
4.
Бессуднова Н.О.,
Биленко Д.И.,
Вениг С.Б.,
Аткин В.С.,
Захаревич А.М. // Медицинская физика. 2012; 4 (56): 71-79.
5.
Bessudnova Nadezda, Bilenko David, Venig Sergey, Atkin
Vsevolod, Zakharevich Аndrey. // SFM 2012: Optical Technologies in
Biophysics and Medicine XIV, Proceeding of SPIE. 2013; 8699 (86990I);
DOI: 10.1117/12.2018753.
6.
Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. //УФН. 1975; 117: 401–435.
65
25-26 сентября 2013, Саратов
ФОРМИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА КАТАЛИЗАТОРОВ
НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НОСИТЕЛЯХ
Ю.Н. Нагурянская
Научный руководитель: к.т.н., доцент А.Ю. Постнов
Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт
(Технический Университет), г. Санкт-Петербург
В настоящее время наблюдается тенденция перехода химической
промышленности
от
крупнотоннажного
производства
некоторых
продуктов к их малотоннажному производству. Микрокаталитические
системы открывают широкие перспективы в области химических
технологий. Одной из таких систем является микрореактор, который
состоит из трех базовых составляющих: корпус, микрокаталитические
пластины и закрепленный на них катализатор. Катализаторы на
металлических носителях обладают высокой механической прочностью и
теплопроводностью, принимают любую конструкционную форму, а также
перспективны для процессов с большим тепловым эффектом [2]. Блочные
и пластинчатые катализаторы, входящие в состав микрореакторов
представляют собой металлический носитель, на поверхности которого
адгезионно
закреплен
пористый
слой
оксидного
композита,
выполняющего каталитически активные функции [3]. Технология таких
катализаторов включает активирование поверхности сплава (травление,
оксидирование) и нанесение суспензии на металлические носители сплава
Х15Ю5. В ходе исследований пластины сплава гофрировали под разными
углами, обезжиривали и подвергали химическому травлению в растворах
концентрированных азотной и соляной кислот, взятых в соотношениях 1:3
и
при
температуре
20оС.
Параметры
66
травления
соответствовали
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
требованиям, характерным для коррозионных сталей (рис.1а).
После
травления, образцы промывали в дистиллированной воде. Для получения
на поверхности пластин оксидной пленки образцы далее подвергали
оксидированию в муфельной печи при 600о С в течение 5,5 ч.(рис.1б).
Суспензию
готовили
из
тонкодиспергированного
реактивного
диоксида
циркония,
γ - Al2O3 и псевдобемита из соотношения 50
(ZrO2) : 50 (Al2O3) путем механохимического активирования в течение 3-6
ч. Методом окунания пластин в суспензию были нанесены 1-2 слоя с
промежуточной сушкой (110 о С, 3ч.) и прокаливанием ( 600 о С, 2ч.) [4].
Прочность сцепления композита с оксидированной пленкой оценивали по
потере массы пластин при механическом воздействии. При травлении
смесью растворов кислот наблюдали уменьшение массы образцов (10-11
масс.%, табл1), вызванное удалением из структуры сплавов катионов
железа
и
алюминия
и
увеличением
шероховатости
поверхности
металлических носителей [1].
Очевидно, что при проведении операции кислотного травления
необходимо решать задачу максимального развития рельефа поверхности
при сохранении прочностных свойств стали. Установлено, что с
увеличением
времени
травления
от
0,15
до
0,5
ч.
возрастает
шероховатость, но уменьшается прочность. Поэтому, для нанесения
тонкослойного каталитического покрытия в дальнейшем использовали
пластины с временем травления 0,25ч.
67
25-26 сентября 2013, Саратов
Таблица 1
Динамика изменения массы пластин в процессе травления
и оксидирования.
После травления
№
образца
После
оксидирования
Исходные, (г)
г
%
г
%
2
0,98
0,87
10,5
0,88
0,3
3
1,15
1,03
10,2
1,04
0,4
12
1,02
0,91
11,1
0,90
0,3
14
1,02
0,91
10,4
0,92
0,1
15
1,11
0,98
11,1
0,99
0,6
При оксидировании существенно изменяется рельеф и текстура
поверхности металла: узкие хребты спекается в протяженные агломераты
шириной 4 µм с множеством квазисферических глобул диаметром 0,2 –
0,3 µм, создающих регулярную структуру.
а
б
Рис. 1. Фотографии СЗМ пластин из сплава Х15Ю5 до (а)
и после (б)оксидирования при 900 °С в течение 15 ч ( x 10000)
По результатам нанесения суспензии после механохимической
активации в течении 3 и 6 часов (табл. 2), можно сделать вывод, что
наибольшая масса композита, закрепленного на гофрированных пластинах
наблюдается у образцов № 2;14;16;19.
68
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таблица 2
Изменение массы пластин после нанесения суспензии
после механохимической активации
№
Один слой
Два слоя
Потери
обра
зца
г
%
г
%
г
%
Механохимическая активация – 3ч, Sуд=105 м2/г
2
0,94
7,0
1,01
15,6
1,01
0,7
9
0,93
6,8
1,01
15,0
1,01
0,9
14
0,96
6,0
1,04
14,0
1,03
0,8
Механохимическая активация – 6ч, Sуд=115 м2/г
П
О
16
0,91
4,8
0,97
12,6
0,97
0,7
19
1,07
5,1
1,14
12,5
1,13
0,8
23
0,95
5,0
1,01
12,0
1,01
0,5
При этом потери массы у этих образцов практически равны.
Формирование толщины композита определяется свойствами суспензии и
количеством нанесенных слоев, что подтверждается микроскопическими
исследованиями. Так как максимальный привес наблюдается у образцов,
полученных из суспензии - 3ч (обр. № 2,14) и 6 ч (обр. № 16,19), то они и
являются перспективными для дальнейшего применения при изготовлении
блочных и пластинчатых катализаторов.
Литература
1. Пахомов, Н.А. Научные основы приготовления катализаторов:
введение в теорию и практику / Н.А. Пахомов. – Новосибирск: Изд. СО
РАН, 2011. -262 с.2 Макаршин, Л.Л. Микроканальные каталитические
69
25-26 сентября 2013, Саратов
системы для водородной энергетики / Л.Л. Макаршин, В.Н. Пармон // Рос.
хим. ж,2006, т.1, №6. С. 19-25.
2. Патент 61589 РФ. Каталитические микроканальные пластины /
Л.Л. Макаршин, А.Г. Грибовский, Д.В. Андреев [и др.] //ИК им. Г.К.
Борескова, опубл. 10.05.2007.
3. Патент 2323047 РФ. Каталитические микроканальные пластины и
способ приготовления/ Л.Л. Макаршин, А.Г. Грибовский, Д.В. Андреев [и
др.] //ИК им. Г.К. Борескова, опубл. 27.02.2008.
4. Мальцева Н.В. Особенности формирования тонкослойных
покрытий на металлической поверхности блоков сотовой структуры /
Мальцева Н.В., Киршин А.И., Вишневская Т.А.,., Бояркина Л.И.// Сб.
тезисов докладов 6-го Международного симпозиума «Термохимические
процессы в плазменной аэродинамике». -СПб. 12-14 мая, 2008 г.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЯ АДГЕЗИОННО-КОГЕЗИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПОКРЫТИЙ НА ДЕТАЛЯХ СЛОЖНОЙ
КОНФИГУРАЦИИ
О.А. Дударева, И.П. Гришина,
О.А. Маркелова, Н.И. Садыкова, А.В. Лясникова
Научный руководитель: д.т.н., проф. Таран В.М.
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Среди
традиционных методов контроля прочности сцепления
покрытия с основой наиболее широкое применение нашли такие методы
как штифтовой, метод склеивания и метод сдвига. Традиционные методы
контроля прочности сцепления покрытия с основой применяются, как
70
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
правило, вне зоны плазменного напыления на специальных лабораторных
стендах. Кроме того, испытания проводятся не на обрабатываемых
изделиях, а на специальных образцах, и не непрерывно, а выборочно.
Традиционные методы контроля прочности сцепления покрытия с
основой (в дальнейшем сокращенно «прочности сцепления») практически
непригодны для автоматизации технологического процесса напыления
покрытия. В работе описывается метод динамического удара для контроля
прочности сцепления,
позволяющий проводить непрерывный контроль
непосредственно в зоне напыления покрытия. Предложенный метод
контроля разработан применительно к технологии напыления плазменных
покрытий на изделия сетчатой конструкции, но может быть использован
при напылении покрытий иной конфигурации .
Суть метода контроля состоит в том, что обработанное изделие
(сетка
генераторной
лампы)
взвешивается
непосредственно
после
плазменного покрытия, затем «бомбардируется» частицами порошка в
специальной распылительной установке, после чего вновь производится
взвешивание.
Разность весов сетки до «бомбардировки» частицами порошка и
после
на
основании
специальных
статистических
исследований
переводится в относительные единицы прочности сцепления.
Физическая сущность метода контроля показана на схеме (рис. 1).
Рис. 1. Схема проволочной конструкции с покрытием,
подвергшейся «бомбардировке» частицами порошка
71
25-26 сентября 2013, Саратов
Частицы
порошка,
распыленные
воздушным
распылителем,
«бомбардируют» поверхность покрытия таким образом, что силовое
воздействие частиц на участке покрытия aa’ будет прижимать покрытие к
поверхности проволоки, а на участках ab’ и a’b’ – его сдвигать за счет сил
F и F’. Выделим на поверхности проволоки с покрытием сегмент покрытия
agd длиной L и впишем его в прямоугольный параллелепипед abcdklmn
(рис.
2).
Для
«бомбардируют»
упрощения
не
принимаем,
сферическую
что
частицы
поверхность
порошка
покрытия,
а
прямоугольную abkl, создавая при этом силу F, которая стремится
сдвинуть
покрытие,
заключенное
в
параллелепипед
abcdklmn,
с
поверхности проволоки.
Рис. 2. Схема элемента покрытия, который подвергается
силовому воздействию «на сдвиг»
При этом сила сдвига F
противодействует прочности сцепления
покрытия с основой σ СР . Очевидно, что если F >σ СР , то покрытие должно
разрушаться. Если покрытие в результате «бомбардировки» частицами
порошка не разрушается, то силу F,отнесенную к единице площади
покрытия, можно принимать в качестве количественной величины
прочности сцепления покрытия с основой «на сдвиг».
72
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
где
– площадь сцепления покрытия с поверхностью проволоки.
Силу
можно
F
функционально
частиц
«бомбардирующих»
порошка
связать
посредством
с
параметрами
уравнения
для
изменения количества движения при ударе распыляемых частиц порошка
о поверхность покрытия
,
где n – количество частиц, ударяющихся о поверхность abkl (рис. 2) за
время
;
время
–
поверхностью покрытия;
движения
частицы
взаимодействия
ударяющихся
– масса частицы порошка;
порошка
в
воздушном
потоке,
частиц
с
– скорость
создаваемом
порошковым распылителем.
Проводилась
статистическая
проверка
взаимосвязи
прочности
сцепления и результатов взвешивания сетки до обработки частицами
порошка и после. Методика статистической проверки состояла в
следующем. Осуществлялось напыление плазменных покрытий при
одинаковых технологических условиях на специальные образцы и на сетки
генераторных
ламп.
Прочность
сцепления
покрытия
с
основой
специальных образцов проверялась традиционным методом «на сдвиг», а
сеток – методом взвешивания.
Результаты испытаний приведены в табл. 1. Обработка данных
проводилась
методом
корреляционного
анализа
для
вычисления
коэффициента корреляции, величина которого оказалось равной – 0,85.
Величина коэффициента корреляции близка к -1, что подтверждает тесную
связь испытаний по двум методикам.
73
25-26 сентября 2013, Саратов
Таблица 1
Экспериментальные испытания прочности сцепления,
проведенные по двум методикам
Номер опыта
Параметры
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
Прочность
сцепления
30 23 26 28 24 20 18 30 16 26 28 30 26 24 24
«на сдвиг»,
МПа
Разность
взвешивания
1
10
4
6
6
10 14
2
16
6
4
3
5
6
6
сеток, мг
Схема
автоматизированного
комплекса
оборудования
для
плазменного напыления покрытий на сетки генераторных ламп включает
установку плазменного напыления и автоматический стенд для испытания
прочности степени сцепления покрытия с основой (рис. 3). Комплекс
функционирует на следующем цикле: робот-манипулятор 3 осуществляет
загрузку – выгрузку сеток в установку плазменного напыления 1, а также
устанавливает напыленные сетки на стол 2, который входит в состав
измерительного стенда.
Кроме стола 2, в состав измерительного стенда входят электронные
весы 4,6; распылительная установка 5; автоматический манипулятор 8 и
компьютерная система, которая включает устройство сопряжения ЭВМ и
объекта управления и контроля УСО.
74
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 3. Структурная схема комплекса оборудования для плазменного напыления
и измерения прочности сцепления покрытия
Распылительная установка состоит из пылезащитной камеры,
газовой системы и порошкового распылителя (дробеструйного пистолета),
который
приводится
в
движение
трехзвенным
автоматическим
манипулятором (ИМ6- ИМ8). Схема газовой системы установки (рис. 4)
включает компрессорную систему для подачи в распылитель
сжатого
воздуха, систему вентиляции для сбора и повторного использования
порошка,
автоматические
устройства
регулирования
и
контроля,
компьютерную систему.
Цикловой автоматический манипулятор позволяет перемещать сетку
на позиции измерительных технологических операций в автоматическом
режиме, а также осуществляет технологическое вращение сетки на
позиции обработки порошковым распылителем.
Первоначально манипулятор устанавливает сетку на специальное
приспособление электронных весов (рис. 5 а). После взвешивания сетка
перемещается манипулятором на позицию обработки распылителем
порошка (рис. 5 б). На этой позиции цикловой манипулятор распылителя
(ИМ6-ИМ8) обеспечивает программируемое движение порошкового
распылителя.
75
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 4. Газовая схема установки распыления порошка:
1 - компрессор; 2 - ресивер; 3 - фильтр; 4 - порошковый распылитель; 5 - вентилятор;
6 - сборник отработанного порошка; РРГ - регулятор расхода газа;
ДРГ - датчик расхода газа
Рис. 5. Схема перемещения сетки по технологическим позициям
измерительного стенда
76
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Затем сетка перемещается на повторное взвешивание с помощью
электронных весов. Управление измерительным стендом и обработка
результатов измерения осуществляются в автоматическом режиме при
помощи
информационно-измерительного
комплекса,
оснащенного
программным обеспечением.
Применение
комплекса
разработанного
позволяет
улучшить
автоматического
качество
измерительного
плазменных
покрытий
генераторных ламп и повысить уровень автоматизации технологического
процесса.
Литература
1. Таран В.М., Лясникова А.В., Великанов Р.С. Автоматизация
измерения прочности сцепления покрытия с основой применительно к
изделиям сетчатой структуры / В.М. Таран, А.В. Лясникова, Р.C.
Великанов // Вестник Саратовского государственного технического
университета. - 2010. - № 3 (48). - С. 90-94
2. Протасова Н.В., Гришина И.П., Таран В.М., Лясникова А.В.
Исследование влияния активации поверхности основы дуговым разрядом в
процессе
напыления
на
адгезионно-когезионные
характеристики
плазменного покрытия / Н.В. Протасова, И.П. Гришина, В.М. Таран, А.В.
Лясникова // Вестник СГТУ.2012.-№2 (66).-Вып.2-С.147-152.
3. Лясникова А.В. Проектирование электроплазменных технологий и
автоматизированного оборудования / С.М. Лисовский, В.М. Таран, А.В.
Лясникова. - М.: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана, 2005. - 256 с.
4.
Протасова
Н.В.
Технологическое
обеспечение
качества
плазменных покрытий на основе применения комбинированных физикотехнических методов активации поверхности / Н.В. Протасова, В.М.
Таран, А.В. Лясникова, О.А. Дударева, И.П. Гришина. - М.: Спецкнига,
2012. - 350 с.
77
25-26 сентября 2013, Саратов
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ РЕТРОСПЕКТИВНОГО АНАЛИЗА
Д.А. Курдуманов, Р.В. Клюев
Научный руководитель: д.т.н., профессор И.Е. Васильев
Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(государственный технологический университет), г. Владикавказ
Под
надежностью
электроснабжения
понимается
надежное
обеспечение потребителей электроэнергией требуемого качества при
возможно
достижимых
показателях
экономичности.
Перерыв
электроснабжения возможен при отказе определенной группы элементов
(полный отказ), однако такие случаи редки, чаще бывает снижение
передаваемой мощности из-за дефицита мощности, а также при перегрузке
оставшихся
в
эксплуатации
работе
элементов
(частичный
электроэнергетических
систем
отказ).
В
(ЭЭС)
условиях
надежность
электроснабжения количественно оценивается показателями схемной и
режимной
вероятность
надежности.
обеспечения
Под
схемной
надежностью
электроснабжения
потребителей
понимается
ЭЭС.
В
частности, в ходе проведения энергетического анализа на предприятиях
цветной металлургии РСО-Алания: ОАО «Электроцинк» (свинцовоцинковое производство), ОАО «Победит» (твердосплавное производство)
исследованы показатели надежности [1, 2].
Для количественной оценки структурной надежности используются
единичные и комплексные показатели. В качестве единичных показателей
надежности восстанавливаемых элементов ЭЭС приняты наработка на
отказ (ti) и время восстановления (tвi) Под отказом понимается
78
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
прекращение работоспособности элемента (полный или частичный).
Работоспособное
состояние
оборудования
между
двумя
отказами
определяет наработку на отказ. Комплексный показатель представляет
обобщенную оценку надежности элемента и характеризуется с помощью
коэффициента готовности:
t
i
k =
г t +t
i вi
.
(1)
Отказы элементов считаются событиями редкими, поэтому для
практических расчетов используются средние показатели надежности
однотипных элементов, которые вычисляются на основе статистических
данных за определенный период времени:
t=
1 N
∑ t
N i =1 i
;
1 N
t =
t ;
в N ∑ вi
i =1
(2)
Поток отказов элементов ЭЭС представляет собой простейший поток
Пуассона, поэтому вероятность отказов можно количественно оценить:
qэл= λe-λt,
(3)
где λ=1/t – интенсивность потока отказов.
Вероятность безотказной работы оборудования количественно
можно оценить коэффициентом готовности (1):
pэл = 1 – qэл ≈ kг.
(4)
Исследуя изменение показателей надежности по годам, можно
оценить предполагаемые значения на перспективу, то есть выполнить
ретроспективный анализ надежности элементов [3]. Это дает основание
для разработки и корректировки сроков вывода оборудования в плановопредупредительный ремонт или проведение профилактических испытаний.
Отказ элемента или вывод его в ремонт может разорвать цепь
электроснабжения потребителей, но в основном это определяется схемой
электроснабжения и уровнем резервирования. При отказе одного элемента,
79
25-26 сентября 2013, Саратов
питание осуществляется через другой, а вероятность отказов обоих
элементов (R и L) равна произведению вероятностей отказов каждого.
Аналогичная ситуация при выводе элемента в ремонт, но в этом случае
возможна ситуация отказа второго элемента и соответственно образование
перерыва электроснабжения. В этом случае вероятность перерыва
электроснабжения
конкретного
потребителя
определится
суммой
вероятность последовательных цепочек из элементов электрической сети:
k
k
k
k
1
1
2
2
+ ∑ (k q q
+k q q )
Q = ∑ q + ∑ (q q ) + ∑ q
н1 k плl
н 2 пл1 l i
i
k l i
пл
i i =1
i =1
i =1
i =1
,
(5)
где qi – вероятность аварийного отказа элементов;
qkql – вероятность аварийного отказа одновременно двух элементов;
qплi – вероятность преднамеренного отключения элемента для
ремонта;
qkqплl – вероятность отказа элемента k в момент ремонта элемента l;
kн1, kн2 – коэффициент наложения отказа элемента типа k в момент
ремонта элемента типа l, если они однотипны, то kн1 = kн2.
Ретроспективный
анализ
структурной
надежности
системы
электроснабжения позволяет разработать мероприятия не только по
повышению надежности элементов электрической сети, но и по
изменению схемы электроснабжения.
Оценивая вероятность перерыва электроснабжения необходимо
учитывать, что отказ элементов обычно не приводит к полному перерыву
электроснабжения потребителей, но возникающая перегрузка оставшихся
элементов
равносильно
надежность
вынуждает
ограничивать
частичному
перерыву
электроснабжения
передачу
электроэнергии,
электроснабжения.
дополнительно
что
Поэтому
оценивается
функциональной или режимной надежностью с помощью коэффициента
использования элементов:
80
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
k =
и Р
где
Р⋅τ
,
⋅ 8760
уст
(6)
Р – действительная загрузка элементов;
Pуст – установленная мощность элемента или максимальная
передаваемая мощность;
τ – число часов использования элементов.
Совместное
функциональной
использование
показателей
надежности
(6)
позволяет
структурной
более
полно
(5)
и
оценить
надежность электроснабжения потребителей для разработки мероприятий
по ее улучшению. В этом случае для целей прогнозирования необходимо
их
функционально
объединить
одним
обобщенным
показателем,
например, коэффициентом обеспечения потребителей электроэнергией:
k
об
=
W −W
тр
дейст
W
тр
,
(7)
где Wтр – требуемое количество электроэнергии, определяемое по
заявленной мощности на год;
Wдейст – действительное потребление электроэнергии.
При прогнозировании надежности электроснабжения потребителей
составляется математическая модель на основе уравнения множественной
регрессии:
П = в0 + в1Q + в2kи,
(8)
где в0, в1, в2 – коэффициенты регрессии.
На
основании
определяются
статистики
средние
отказов и
показатели
режимов
структурной
и
эксплуатации
функциональной
надежности (5-7) и вычисляются коэффициенты регрессии методом
наименьших квадратов. По составленной модели (8) рассчитываются
прогнозируемые показатели на перспективу. Оценка прогнозируемых
показателей надежности позволяет оценить степень изменения надежности
электроснабжения [4].
81
25-26 сентября 2013, Саратов
В качестве мероприятий по повышению надежности обычно
принимаются
мероприятия
(профилактические
по
повышению
испытания,
ремонт,
надежности
замена
элементов
устаревшего
оборудования). Для повышения схемной надежности предусматривают
резервирование схемное (включение параллельных элементов) и режимное
(замена линией с большей пропускной способностью). Аналогично, и
трансформаторы
заменяют
на
большую
мощность,
а
также
предусматривают включение дополнительных источников питания [5].
Планируемые мероприятия оцениваются количественно по изменению
показателей схемной и режимной надежности, то есть оценивается
эффективность этих мероприятий.
Проведение
электроснабжения
ретроспективного
позволяет
оценить
анализа
надежности
причины
недоотпуска
электроэнергии потребителям и разработать мероприятия по устранению
этих причин.
Литература
1. Клюев Р.В. Анализ электропотребления на предприятиях цветной
металлургии // Известия высших учебных заведений. Электромеханика.
2012. №2. С. 65–67.
2. Клюев Р.В. Системная концепция анализа электропотребления на
предприятиях цветной металлургии // Технические науки – от теории к
практике. – Новосибирск: НП «СибАК», 2013. №23. С. 53-58.
3.
Баширов И.А., Темиров П.Г. Прогнозирование надежности
электроснабжения потребителей на основе ретроспективных данных //
Надежность и качество. 1984. №2. С. 57-58.
4. Клюев Р.В. Исследование и математическое моделирование
потребления электроэнергии при производстве твердых сплавов: дис. канд.
техн. наук – Владикавказ, 2002. – 263 с.
82
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
5. Энергетика РСО-Алания: Учебное пособие для студентов,
обучающихся по специальности 140211.65 «Электроснабжение» / И. Е.
Васильев, Р. В. Клюев. – Владикавказ: «Терек», 2009. – 131 с.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ
ПО ПРОИЗВОДСТВУ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
А.Н. Морозов, Р.В. Клюев
Научный руководитель: д.т.н., профессор И.Е. Васильев
Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(государственный технологический университет), г. Владикавказ
В программе развития электроэнергетики РФ первоочередная роль
отводится
разработке
и
внедрению
в
производство
комплекса
энергосберегающих мероприятий, получаемых в процессе исследования
параметров электропотребления на основе проведения энергетического
обследования (энергоаудита). Это позволяет проследить весь процесс
производства электроэнергии, и изучить влияние различных техникоэкономических факторов на него. Значимость факторов во всем цикле
можно
оценить
в
ходе
математического
моделирования
электропотребления с помощью проведения активных и пассивных
экспериментов,
теплоэнергетического
анализа,
использования
потребителей-регуляторов (ПР) и т.д. [1-3].
В ходе энергоаудита на предприятии по производству твердых
сплавов – ОАО «Победит» исследованы технологические и энергетические
характеристики
крупных
потребителей
электроэнергии
(печи
сопротивления, сварочные аппараты, электролизеры и т.д.) [4]. Одним из
основных технологических переделов при производстве твердых сплавов
83
25-26 сентября 2013, Саратов
является восстановление молибденового порошка в трубных печах
сопротивления (ТП) при температуре в отдельных зонах печей от от 880 ±
250С до 940 ± 250С. Следует отметить, что восстановителем в ТП является
водород, расход которого составляет 12 – 15 м3/час.
По результатам экспериментального исследования печей ТП в
статическом режиме работы получены графики изменения мощности
отдельных фаз (рис. 1) и температуры тепловых зон (рис. 2) в
установившемся режиме работы.
Рис. 1. График изменения мощности отдельных фаз печи ТП
в статическом режиме работы
84
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 2. График потребления электроэнергии и изменения
температуры зон печи в статическом режиме работы
В период разогрева печи зависимость повышения температуры по 5
тепловым зонам приведена на рис. 3.
Рис. 3. График изменения температуры печи в период её разогрева
Из графика следует, что на установившийся режим температуры
8800С
печь
выходит
за
18
часов,
85
что
является
экономически
25-26 сентября 2013, Саратов
неэффективным. Причём по зонам 2, 3 температура T2=6950C, T3=6700С.
При Рср = 92 кВт, расход электроэнергии на разогрев печи составляет 1852
кВт.ч.
Математическая модель зависимости W=f(T) в период разогрева ТП
имеет вид: W=1,9Tср–227,6 (R2=0,875). На рис. 4 приведен график
снижения температуры печи после её отключения. Снижение температуры
от T1 = 900 0C до Т2 = 800 0С происходит, примерно, за 3 часа.
Рис. 4. График изменения температуры печи в период её охлаждения
Для зависимостей на рис. 3, 4 построены математические модели в
виде уравнений тренда, приведенные в таблице 1.
Таблица 1
Математические модели в виде уравнений тренда для температуры
тепловых зон печи типа ТП
Уравнение линии тренда y=f(x) для зависимости Ti=f(t)
в момент охлаждения ТП
в момент разогрева ТП
и коэффициент детерменированности
Т1=f(t)
y = 747,78e-0,0165x
Т1=f(t)
R2 = 0,992
y = 498,96x0,1991
Т2=f(t)
y = 813,2e-0,0139x
R2 = 0,9953
Т2=f(t)
R2 = 0,996
y = 364,89x0,1795
86
R2 = 0,9464
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Т3=f(t)
Т3=f(t)
y = 822,71e-0,0134x
R2 = 0,9936
y = 348,75x0,1756
Т4=f(t)
y = 794,9e-0,0143x
R2 = 0,9454
Т4=f(t)
R2 = 0,9899
y = 348,68x0,1759
Т5=f(t)
y = 709,41e-0,0157x
R2 = 0,94
Т5=f(t)
R2 = 0,9784
y =436,35x0,192
R2 = 0,9839
Математические модели (таблица 1) могут использоваться для
регулирования температуры в динамическом режиме работы печей типа
ТП в режиме on-line при использовании базы АСКУЭ и диспетчерской
службы
[5].
сопротивления
Целесообразность
(ТП)
в
использования
качестве
трубных
потребителей-регуляторов
печей
(ПР)
электроэнергии основана на анализе теплоэнергетических характеристик
периодов разогрева и охлаждения (рис. 3, 4).
Использование печей ТП в качестве ПР электроэнергии в часы
пиковых зон суток (отключение ТП на период максимума нагрузки: Tmax=3
ч) предполагает отключение в этот период тепловой зоны печи ТП №3.
График охлаждения тепловой зоны в течение 3 часов приведен на рис. 5.
Рис. 5. График охлаждения тепловой зоны №3 печи ТП
87
25-26 сентября 2013, Саратов
Из рис. 5 видно, что температура в тепловой зоне №3 с
максимального значения (Тmax3=9650C) за период максимума нагрузки
(Тmax=3 часа) снижается до значения: Тфакт3=9260C. Полученное
фактическое
значение
температуры
превышает
нижнюю
границу
технологической защиты (Тmin3=9150C), что подтверждает эффективность
использования печей типа ТП в качестве ПР электроэнергии и позволяет
на одной печи ТП снизить максимум нагрузки на 10 кВт.
Снижение максимума нагрузки за счёт отключения тепловой зоны
№3 на 10-и печах ТП на ОАО «Победит» составит: 100 кВт.
Литература
1. Васильев И.Е., Клюев Р.В. Анализ и расчёт удельного расхода
электроэнергии в процессе восстановления диоксида молибдена на основе
полного факторного эксперимента (ПФЭ) // Электрика. 2002. №7. С. 22–25.
2. Клюев Р.В. Исследование и математическое моделирование
потребления электроэнергии при производстве твердых сплавов: дис. канд.
техн. наук – Владикавказ, 2002. – 263 с.
3. Васильев И.Е., Клюев Р.В., Васильев Е.И. Использование
газгольдера в качестве эффективного потребителя-регулятора суточного
электропотребления на предприятиях твердосплавного производства //
Электрика. 2005. №4. С. 10–13.
4. Клюев Р.В. Анализ электропотребления на предприятиях цветной
металлургии // Известия высших учебных заведений. Электромеханика.
2012. №2. С. 65–67.
5. Клюев Р.В. Системная концепция анализа электропотребления на
предприятиях цветной металлургии // Технические науки – от теории к
практике. – Новосибирск: НП «СибАК», 2013. №23. С. 53-58.
88
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ПОЛУЧЕНИЕ БИОГАЗА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ИЗ НОВОГО СЫРЬЯ
П.В. Стружков
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.Н. Швецов
Вологодский государственный технический университет, г. Вологда
В окружающем мире достаточно много источников энергии, которые
люди уже обратили себе на пользу. Их можно условно назвать
постоянными и временными. К временным относится энергия солнца,
ветра, которые хоть и несут достаточно большой потенциал, но имеют
временный характер и территориальное зонирование. Экономическая
эффективность использования временных источников ставится под
сомнение в силу множества факторов, влияющих на конечную стоимость
произведенной
единицы
энергии.
К
постоянным
можно
отнести
использование естественных природных процессов превращения веществ в
природе для производства энергоресурса. К определенным минусам этой
технологии относят экономические факторы, которые приводят к скрытой
инфляции при использовании данной технологии, и нестабильность
плановых показателей работы оборудования, вызванной переменным
качеством перерабатываемого сырья.
Нам остается лишь посмотреть на природные процессы под другим
углом и использовать ту энергию, которая находится в малом круге
оборота веществ в природе, при этом соблюдая баланс, позволяющий
нивелировать
пагубное
влияние
на
экологию,
что
приведет
к
восстановлению ранее нарушенного равновесия.
На данный момент в мире созрела необходимость в энергоресурсе,
производство которого: а) имеет положительное влияние на экологию; б)
89
25-26 сентября 2013, Саратов
использование произведенного энергоресурса возможно без полного
перевооружения потребляющих устройств; в) объем произведенной
углекислоты на всем протяжении производства энергии меньше или равен
объему ее поглощения при производстве топлива.
Наиболее унифицированным для соблюдения приведенных выше
условий является естественный процесс образования метана в природе.
Данный процесс имеет повсеместное распространение, а использование
метана возможно без полного перевооружения производств.
Окультуривание естественного природного процесса образования
метана как энергоресурса имеет достаточно глубокие исторические корни.
Первое упоминание использования этого процесса относится к 1 веку до
нашей эры. В те времена алеманы (одно из германских племен)
использовали собранный болотный газ для освещения жилья. Начало
культурного использования метана можно отнести к 16 веку. В Китае его
научились получать в специально построенных сооружениях, так
называемых «китайских куполах».
Термин «биогаз» в данной технологии появился в двадцатом веке.
Экономический эффект использования биогаза был подсчитан в 70-80
годы прошлого столетия китайским правительством и получил наивысшую
оценку эффективности. Данная оценка демонстрирует проблематику
вопроса использования биогаза с непривычной для нас стороны:
Во-первых, используется внутренний ресурс страны, не требующий
государственной поддержки. Во-вторых, сокращается объем закупаемых
энергоносителей для потребления на хозяйственно-бытовые нужды
примерно на 4 млрд м3 газа в год, что в итоге позволяет экономике Китая
быть
более
независимой
в
определенных
отраслях
от
мировой
конъюнктуры цен на энергоносители, а также добиться повышения
благосостояния домохозяйств. И это всего лишь небольшая часть
90
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
возможной
экономии
средств
только
на
закупке
ископаемых
энергоресурсов.
В настоящее время накоплен и проанализирован достаточно
большой объем статистического материала, для того чтобы определить
плюсы и минусы данной технологии. Технологию получения биогаза
нельзя назвать ненадежной, так как в данной технологии происходит
использование естественных природных процессов. Также ее нельзя
называть и инновационной, и альтернативной, так как существует
многовековая история использования горючего газа. Кроме того, большим
плюсом является экологическая составляющая технологии.
При
анализе
статистического
материала
были
обнаружены
некоторые минусы в эффективности использования данной технологии: а)
локальность размещения производств в непосредственной близости от
источников сырья; б) плавающие показатели выработки биогаза из-за
сложности
настройки
работы
на
нескольких
видах
сырья;
в)
необходимость мероприятий по утилизации отработанного топлива, либо
более затратный способ производства; г) работа на биотопливе первого
поколения, которое замещает обычные сельскохозяйственные культуры, и
вызывает скрытую инфляцию; д) несовершенная конструкция биогазовых
установок приводит к сбоям в работе, которые существенно снижают
выработку биогаза, что в свою очередь приводит к потере потребителей; е)
невозможность при данной технологии эффективно масштабировать
установку без потери экономической эффективности.
В
настоящее
время
топливом
служат
сельскохозяйственные
культуры, отходы сельскохозяйственного производства, хозяйственнобытовые стоки, навоз. Согласно статистическим данным анализа работы
биогазовых установок в Германии, многие из этих компонентов, как
правило, используются совместно с другими. Понятно, есть то, что
необходимо утилизировать, например, навоз. Но работа на одном навозе в
91
25-26 сентября 2013, Саратов
качестве
сырья
экономической
имеет
долгий
срок
целесообразности
окупаемости,
внедрения
поэтому
технологии
для
вполне
обоснованным выглядит применение дополнительного топлива в виде
сельскохозяйственных культур. Однако, в технологии переработки
биотоплива при низких температурах весь остаток, выходящий из
биогазовой
установки,
будет
условно
заражен
болезнетворными
микроорганизмами и вирусами, находящимся в каловых массах животных.
Следовательно, будет требоваться его дальнейшая переработка и очистка.
Спрос на необходимое для работы установки сырье порождает замещение
пищевых сельскохозяйственных культур энергетическими культурами, что
в результате вызывает их удорожание.
Также можно отметить тот факт - сырьевая сезонность влияет на
качество биотоплива, в связи с тем, что в процессе хранения снижается
качество зеленой биомассы и частично происходит ферментация в местах
складирования. Уточним, что посевные площади могут принести только
определенное
количество
биомассы.
Произведенная
биомасса
нерентабельна при транспортировке на длительные расстояния в том виде,
в котором она поставляется для употребления на биоустановках. Кроме
того, нынешние сельскохозяйственные культуры, используемые для
производства биогаза, являются биотопливом первого поколения, на
использование которого в процессе производства биогаза Евросоюз в
ближайшем будущем планирует наложить запрет.
Соответственно, приходим к выводу, что следующее биотопливо
должно быть в разы более урожайным, иметь больший энергетический
потенциал, иметь меньшие затраты на выращивание.
После подтверждения экономической целесообразности процесса
использования новой энергетической культуры, апробация использования
которой производилась в условиях Крайнего Севера, где был проверен
весь процесс от выращивания до переработки, можно с уверенностью
92
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
утверждать, что новое биотопливо второго поколения в природе
существует. По нарастанию зеленой массы, апробированное растение
превышает, даже при самых плохих условиях, урожайность кормовой
кукурузы в 3 раза, а в идеальных условиях в 36 раз. Данное растение
можно выращивать без использования сельскохозяйственных земель, так
же оно имеет больший энергетический потенциал, чем используемые ныне
культуры.
Рис. 1. Принципиальная схема предлагаемой биогазовой установки
При разработке процесса использования
поколения,
приходим
к
выводу,
что
биотоплива второго
появляется
экономическая
возможность обработки зеленой массы на месте выращивания, что делает
возможным перевозку биомассы на длительные расстояния. На рисунке
представлена принципиальная схема предлагаемой биогазовой установки.
Специфика направлений в производствах, отнесенных к одному
кластеру, позволяет нам разделить их на следующие группы: а)
выращивание и сбор; б) подготовка биотоплива; в) переработка
93
25-26 сентября 2013, Саратов
биотоплива с получением метана; г) обслуживание биогазовых установок.
Для
оценки
экономического
процесса
применим
умеренно
пессимистический сценарий. Прежде всего, начнем с выращивания. В
естественных (диких) условиях данная культура имеет более высокие
показатели
нарастания
зеленой
массы
без
вмешательства
извне.
Окультуривание растения неизбежно повлечет некоторые издержки по его
выращиванию и сбору.
Урожайность при минимальной/максимальной продолжительности
сельскохозяйственного периода 450 т/га / 900 т/га влажность 50%.
При
подсчете
не
учитывались
работы,
необходимые
для
обустройства участка производства и закупки посевного материала, так как
они предусмотрены только в начале производственной деятельности.
Впоследствии возникнет статья расходов по сохранению посевного
материала в несельскохозяйственный период.
Вторым этапом является производство биотоплива путем обработки
зеленой массы для придания ей свойств, необходимых в процессе
производства биогаза. Снижение содержания влаги в конечном продукте
до 10-12%, повышению плотности биотоплива до 700-800 кг/м3 позволит
придать логистическую привлекательность биомассе, минимизировать
издержки по утилизации отработанного топлива при использовании
биотоплива совместно с навозной массой, и полностью избежать издержек
по утилизации при производстве биогаза только из этого сырья. При
подготовке топлива возможно использовать как передвижные, так и
стационарные установки, работающие в паре, одна из которых производит
необходимый энергетический ресурс, вторая - обрабатывает сырье.
В условиях крайних широт необходимое количество произведенного
биогаза на нужды отопления и электроснабжения составит 9400 м3, с
учетом производства моторного топлива 10852 м3. Для производства всего
требуемого объема биогаза необходимо 23,8 т биотоплива в год. Затраты
94
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
на приобретение топлива ориентировочно составят 5283 € в год. Расходы
даны без учета амортизационных затрат. Ориентировочная оценка
амортизационных затрат на основании статистических данных будет на
уровне 2,5% в год от стоимости основного комплекта оборудования.
Средняя стоимость энергоресурсов в Европе: электроэнергия 0,225
€/кВт (без учета абонентской платы), моторного топлива 1,625 €/л, средняя
стоимость тепловой энергии 0,19 €/кВт.
Годовой
полезный
отпуск
ресурса
установкой
7200
кВт
электроэнергии, 40764 кВт тепловой энергии, замещено 1650 л моторного
топлива, в денежном эквиваленте затраченная сумма на покупку всего
объема ресурса 12046,41 € без учета абонентской платы. Экономия
денежных
средств
при
эксплуатации
установки 6763,41 €. Более
эффективной работы установки можно достичь путем повышения
эффективности использования генераторного оборудования.
В
настоящее
время,
себестоимость
производства
ресурса
с
использованием данной технологии существенно ниже существующей без
изменения надежности работы предприятий. Возможная доля рынка для
замещения существующих технологий производства энергоресурса не
менее 25%. Положительными качествами реализации нашего проекта
является его высокая социальная, экологическая, экономическая и
стратегическая ориентированность:
•
создание
новых
рабочих
мест,
не
задействованных
в
существующих отраслях промышленности;
•
замещение
углеводородного
топлива
ископаемого
происхождения на возобновляемое топливо;
•
отсутствие снижения темпов роста производств возникшие в
результате необходимости в экономии энергоресурсов;
95
25-26 сентября 2013, Саратов
•
возможность
существования
территорий
автономных
от
внешнего потребления энергоносителей, снижение инфляции и повышение
рентабельности в сельскохозяйственной отрасли;
•
повышение доходности бюджетов всех уровней;
•
ничтожное воздействие цен на рынке углеводородного топлива
на стоимость ресурса для потребителей, повышение благосостояния
автономных территорий, вызванные отсутствием оттока капитала.
Литература
1. Благутина В.В. Биоресурсы // Химия и жизнь – 2007. - №1.
– С. 36-39
2. Малофеев В.М. Биотехнология и охрана окружающей среды:
Учебное пособие. – М.: Издательство Арктос, 1998. – 188 с.
3. Мариненко Е.Е. Основы получения и использования биотоплива
для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в
жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве: Учебное пособие. –
Волгоград: ВолгГАСА, 2003. - 100 с.
96
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
О СВЯЗИ ХАРАКТЕРА ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ C ЭНЕРГИЕЙ
ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
И ТЕМПЕРАТУРОЙ ДЕБАЯ НА ПРИМЕРЕ
НИЗКО- И ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ
А.Е. Бунтин, П.Б. Шибаев
Научные руководители: д.т.н., профессор О.С. Сироткин,
PhD, к.х.н. Р.О. Сироткин
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань
Одной из основных проблем нанотехнологии является тот факт, что
исследователи
не
сформировали
сегодня
приемлемую
теорию
о
фундаментальных закономерностях поведения отдельных наночастиц,
структур
и
целых
систем
в
этом
пространственном
масштабе.
Наночастицы, с одной стороны, слишком малы (для непосредственного
наблюдения и изучения) и, одновременно, слишком велики (например, для
квантово-механических расчетов «из первых принципов», которые в этой
области оказываются слишком приближенными) [1].
Исследователи пока не умеют достаточно точно моделировать
поведение наночастиц, поскольку их характеристики флуктуируют во
времени и пространстве, а число объединяющихся в наносистемы частиц
все еще недостаточно велико, чтобы рассматривать эти системы в качестве
статистических ансамблей. Для реального прогресса в производстве
наноструктурных материалов, устройств или систем исследователям
предстоит значительно углубить фундаментальные представления об их
поведении и разработать высокоточные методики оценки и прогноза их
свойств.
97
25-26 сентября 2013, Саратов
Сегодня одна из приоритетных задач физикохимии наносистем или
нанохимии – установление связи между размером наночастицы и
свойствами
материалов
на
их
основе,
а
также
повышение
прогнозируемости поведения новых наночастиц и свойств наноматериалов
[1].
Таким образом, важнейшим вопросом нанохимии можно считать
следующий вопрос: с чем связаны уникальные свойства наноматериалов?
Предполагают, что при определенном размере дисперсной частицы
влияние
периферийных
атомных
остовов
на
свойства
вещества
уравновешивается влиянием внутренних атомных остовов. Этот размер
является
критическим
параметром
нанотехнологии.
Свободная
валентность периферийных атомных остовов наночастиц реализуется в
избыточной энергии наноразмерного наполнителя, что обуславливает его
высокую химическую активность [2].
Иначе говоря, свободная валентность периферийных атомных
остовов наночастиц есть не что иное, как свободная поверхностная
энергия, как известно представляющая собой нескомпенсированную
энергию связи элементов в тонком слое вещества у поверхности
соприкосновения тел (фаз) по сравнению с энергией вещества внутри тела.
Для
оценки
энергии
ММВ
методом
квантово-химического
приближения мы использовали формулы для расчета дисперсионной ED,
ориентационной EО и индукционной EI энергий:
E
D
3
α2
1
= ⋅
⋅
0.5
2 2 (α / N)
r6
,
(1)
где r – расстояние между молекулами, α – поляризуемость молекул, N –
число валентных электронов.
4
2 µ
E = ⋅
3 kTr 6 ,
О
98
(2)
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
где µ– дипольный момент молекул; k – постоянная Больцмана; Т –
абсолютная температура.
EI =
2
r
6
⋅ µ 2α
(3)
Таким образом из формулы (1) видно, что поляризуемость молекул
.
входит в нее как в числитель (в виде произведения), так и в знаменатель (в
виде суммы). Кроме того, в знаменателе она делится на число валентных
электронов и извлекается корень. Таким образом, анализ формулы (1)
показывает, что изменение поляризуемости должно сопровождаться
симбатным
изменением
ED.
При
этом
именно
поляризуемость
характеризует способность обобществленных (валентных) электронов к
отклонению от равновесного состояния и образованию мгновенных
диполей,
обусловливающих
дисперсионное
взаимодействие,
при
наложении извне на молекулу электрического поля.
Известно [3-8], что увеличение степени металличности (СМ)
обусловливается
ростом
степени
отклонения
обобществленных
(валентных) электронов в молекуле по оси, перпендикулярной линии,
соединяющей центры ядер – атомных остовов (ось металличности).
Следовательно, разумно ожидать корреляцию между СМ химической
связи и поляризуемостью (что подтверждается данными из работ [9-13]).
Очевидно,
что
возрастание
степени
отклонения
обобществленных
электронов в молекуле по оси металличности (то есть увеличение СМ),
должно приводить к более легкой поляризуемости молекул при
помещении их во внешнее электрическое поле. Таким образом, с ростом
СМ химической связи следует ожидать увеличения ED между молекулами
вследствие большей делокализации обобществленных электронов вдоль
оси металличности, приводящей к росту поляризуемости молекул и
абсолютных значений образующихся мгновенных диполей, определяющих
величину ED. Это подтверждают данные работ [9-13]. Аналогичная
99
25-26 сентября 2013, Саратов
зависимость была также получена для ряда металлов Li, Na, K, Rb, Cs и
имеет
ED = 3E – 49 × СМ 27,377
вид
с
величиной
достоверности
аппроксимации R² = 0,9626.
Из формулы (2) видно, что EО увеличивается при росте дипольного
момента молекул, представляющего собой произведение заряда и длины
диполя. При этом известно [14], что чем выше СИ связи, тем больше
величины зарядов атомных остовов, входящих в состав соединения.
Отсюда следует, что чем выше СИ связи, тем большей величиной заряда (и,
как
следствие,
дипольного
момента)
характеризуется
химическое
соединение. Таким образом, согласно формуле (2) увеличение Си связи
должно приводить к резкому (дипольный момент входит в формулу (2) в
четвертой степени) увеличению EО. Это подтверждается данными
приведенными в работах [9-13].
Данная методика [9-11] также была апробирована на полимерных
материалах и результаты представлены в работе [13] из которых видно, что
с ростом степени делокализации химической связи, выраженной через
степень металличности, и, следовательно, поляризуемости молекул,
возрастает дисперсионная энергия межмолекулярного взаимодействия,
поскольку величина дисперсионной энергии коррелирует с объемом
молекул [14] и, следовательно, степенью «размытости» электронной
плотности.
Далее нами было проанализировано влияние характера химической
связи на одну из важнейших физических констант вещества – температуру
Дебая
(ΘD),
характеризующую
многие
свойства
твердых
тел
–
теплоемкость, электропроводность, теплопроводность, уширение линий
рентгеновских спектров, упругие свойства и т.п. Была установлена
зависимость температуры Дебая от степени металличности для щелочных
металлов, которая имеет вид ΘD = 2E+67СМ-34,43 с величиной достоверности
аппроксимации R² = 0,9466, т.е. увеличение степени металличности
100
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
приводит к уменьшению температуры Дебая. Как известно [15], последний
параметр является характеристической температурой твердого тела, выше
которой возбуждены все колебания (или, точнее, все моды колебаний)
кристаллической решетки, а ниже которой некоторые колебательные
состояния начинают «вымерзать». В какой-то степени можно считать, что
температура Дебая аналогична температурам релаксационных переходов в
полимерах; правда, в случае полимеров их несколько (например, -, -, релаксационные переходы) вследствие различных масштабов элементов
макромолекулярной структуры, движение которых «замораживается»
ниже температуры соответствующего релаксационного перехода.
В случае металлов можно предположить, что ниже температуры
Дебая энергия некоторых мод колебательного движения атомных остовов
становится ниже энергии связи между ними. Ранее нами было показано,
что с ростом степени ковалентности в целом симбатно растет энергия
химической связи [9]. Для химических связей, имеющих место в
гомоядерных химических соединениях, рост степени металличности
связей означает уменьшение степени их
ковалентности, то есть
уменьшение энергии химических связей. Именно это уменьшение энергии
связи между атомными остовами и объясняет соответствующее понижение
температуры Дебая. При этом, так как рассматриваемые металлы не
образованы
наночастицами,
влияние
энергии
ван-дер-ваальсового
взаимодействия на температуру Дебая пренебрежимо мало по сравнению с
энергией химического взаимодействия.
Энергия
ван-дер-ваальсового
взаимодействия
будет
оказывать
заметное влияние лишь при значительном росте поверхности частиц
(между которыми, при соответствующем расстоянии, и действуют данные
силы), образующих материал, то есть при достижении ими размеров,
характерных для наноструктурного уровня организации вещества. Далее,
используемый подход был применен для установления влияния характера
101
25-26 сентября 2013, Саратов
распределения электронной плотности в веществе, посредством компонент
химической
связи,
на
температуру
Дебая
наноструктурированных
металлов. Таким образом, была найдена зависимость температуры Дебая
от степени металличности, приведенной к диаметру наночастиц металлов;
данная зависимость имеет вид ΘD = -38,9ln(СМ) + 249,79 с величиной
достоверности аппроксимации R² = 0,7884. Из нее следует, что увеличение
степени металличности приводит к уменьшению температуры Дебая, что в
целом согласуется с полученными нами ранее результатами.
В результате, предложенный подход посредством установленных
зависимостей позволяет оценить влияние характера химической связи на
ван-дер-ваальсовое взаимодействие и температуру Дебая монолитных
металлических
и
неметаллических
веществ
и,
далее,
некоторых
металлических наноструктурированых материалов.
Это в итоге способствует развитию более глубокого понимания
специфики природы наночастиц и материалов на их основе и их свойств, а
также позволяет надеяться на возможность совершенствование теории,
лежащий в основе конструирования структуры наноструктурированных
систем в целом.
Литература
1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления
исследований. / Под. ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатора. Пер.
с англ. М.: Мир, 2002. 292 с.
2. Волков, Г.М. Объемные наноматериалы. – М.: Кнорус, 2011. –
168 с.
3. Сироткин О.С. Введение в материаловедение (Начала общего
материаловедения). Казань: «КГЭУ», 2002. 184 с.
4. Сироткин
О.С.
Неорганические
полимерные
вещества
и
материалы (Безуглеродные макромолекулы и полимеры). Казань: «КГЭУ»,
2002. 288 с.
102
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
5. Сироткин
О.С.
Система
химических
соединений
(фундаментальные основы современной химии и единой теории строения
химических
веществ)
//
Вестник
Казанского
технологического
университета, 2000. №1-2, С. 190.
6. Сироткин О.С. Химия на пороге XXI века (О месте химии в
современном мире, индивидуальности и единстве ее фундаментальных
начал). Казань: «КГТУ», 1998. 120 с.
7. Сироткин О.С., Сироткин Р.О. Об оценке степени ковалентности
(металличности) связи в металлоковалентных моно- и полимерных
соединениях. Межвуз. тематич. сб. науч. трудов «Строительные материалы
на основе полимеров и неорганических вяжущих». Казань: «КИСИ», 1992.
С. 36.
8. Сироткин О.С., Трубачева А.М, Сироткин Р.О.. О необходимости
и методике учета металлической компоненты гетероядерной связи. //
Журнал неорганической химии. 2005, Т. 50. №1. С. 71.
9. Сироткин
О.С.,
Сироткин
Р.О.,
Шибаев
П.Б.
Влияние
соотношения компонент гомоядерных и гетероядерных связей на энергии
химического и межмолекулярного взаимодействия. Свойства низко- и
высокомолекулярных
веществ
и
материалов
на
их
основе
//
Металловедение и термическая обработка, 2006. Т. 57. – С. 101-108.
10. Sirotkin O.S., Sirotkin R.O., Shibaev P.B. Effect of the character of
homo- and heteronuclear chemical bond on the intermolecular interaction
energy and properties of halogens and hydrogen halides // Russian Journal of
Inorganic Chemistry. 2011. Т. 56. № 7. С. 1100-1104.
11. Шибаев, П.Б. Прогнозирование физических и механических
свойств
полимерных
материалов
/
П.Б. Шибаев,
Р.О. Сироткин,
О.С. Сироткин // Изв. вузов. Проблемы энергетики. – 2006. – № 9-10. –
С.109 – 113.
103
25-26 сентября 2013, Саратов
12. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. М.: «Высшая школа»,
2002. С. 12-26
13. Сироткин О.С., Бунтин А.Е., Шибаев П.Б., Сироткин Р.О. О
влиянии металлической компоненты химической связи в полимерных
веществах на их рефракцию // Вестник Казанского технологического
университета. 2011. № 20. С. 177-183.
14. Агафошин Н.П. Избранные главы общей химии. Гос. уч. пед. издво мин. прос. М. 1956. 333с.
15. Рыжонков Д.И., Левина В.В., Дзидзигури Э.Л. Нанотехнология.
М.: Изд-во БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – С. 365
НОВАЯ ОКСИГЕНАТНАЯ ПРИСАДКА
ДЛЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
А.С. Буторин, С.Ю. Ерошевич
Научный руководитель: к.х.н., доцент Д.В. Цыганков
Кузбасский государственный технический университет
имени Т. Ф. Горбачева, г. Кемерово
Анализ литературных данных показывает, что основной мировой
тенденцией улучшения экологических и эксплуатационных свойств
автомобильных бензинов является использование многофункциональных
присадок, главным образом оксигенатов – кислородосодержащих веществ,
включая спирты, эфиры, альдегиды и другие соединения. В США и
Европейском союзе после проведения многочисленных исследований и
испытаний приняты законы об обязательном содержании в бензине
оксигенатов в количестве не менее 2% массовых долей в пересчете на
кислород.
104
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
В России за последние 10 лет существенно возросло число
публикаций и патентов по композиционным топливам с использованием
отходов химической и спиртовой промышленности. В частности в работах
Данилова А.М., Чулкова П.В., Большакова Г.Ф. и др. рассматривается
связь оксигенатного бензина и состава отработавших газов автомобилей,
однако механизм действия оксигенатов до сих пор не установлен. В
декабре 2002 г. принят Российский ГОСТ Р 51866 – 2002 «Бензин
неэтилированный», соответствующий европейской нормали ЕН 228 – 99, а
затем «Технический регламент 2009 года» [1], которые впервые
предусмотрели 2,7%-ую в пересчете на кислород добавку оксигенатов
ограниченного перечня, но с дополнением «другие оксигенаты». То, что
предусмотрели использование «других оксигенатов» придает особую
значимость раскрытию механизма действия оксигенатных добавок и
созданию новых эффективных композиций.
Изучение и применение оксигинатов (спиртов) было начато еще в
далекие 1896 год, а применение официальное с 1906 года. Родина изучения
окисигнатов является Германия и Франция, они первые начали применять
бензольно – спиртовые смеси в качестве топлива и государства обязывали
использовать такие смеси как топливо [2,7].
Применение спиртов обусловлено их способностью уменьшать
выбросы вредных веществ в атмосферу и хорошими антидетонационными
свойствами.
В России оксигенаты вводятся только в автомобильные бензины [3],
чему
способствуют
их
хорошие
антидетонационные
свойства
и
температуры кипения, вписывающиеся во фракционный состав бензинов.
В других странах, испытывающих недостаток нефтяного сырья, их
используют
и
в
дизельных
топливах,
несмотря
на
плохую
воспламеняемость (исключение составляют диметиловый и диэтиловый
эфиры),
повышенную
коррозионную
105
агрессивность
и
низкую
25-26 сентября 2013, Саратов
смазывающую способность. В последние годы в России и за рубежом
возник большой интерес к диметиловому эфиру как топливу или
компоненту топлив для дизельных двигателей.
Диметиловый эфир может непосредственно впрыскиваться в камеру
сгорания двигателя или использоваться в качестве добавки к сжиженному
газу, метанолу или стандартному дизельному топливу. Непосредственный
впрыск требует специальной системы топливоподачи, поскольку ДМЭ
характеризуется плохими смазывающими свойствами, очень малой
вязкостью и, подобно всем газам, легкой сжимаемостью. При использовании ДМЭ в качестве добавки проблема впрыска упрощается и одновременно решаются другие проблемы. Например, ДМЭ повышает
цетановое число метанола. При испытаниях двигателей на ДМЭ или его
смесях отмечается практически полное отсутствие сажеобразования. Однако растет эмиссия оксидов азота, что требует оборудования двигателя
каталитическими нейтрализаторами.
Диэтиловый эфир еще более интересен, чем ДМЭ. Во-первых, он
представляет собой жидкость, хотя и низкокипящую, во-вторых, его
цетановое число превышает 125 ед. (по некоторым сведениям достигает
160 ед.). Добавка 10% ДЭЭ в дизельное топливо позволяет повысить его
ЦЧ в среднем на 4 ед. [3] и отказаться от применения токсичных и
взрывоопасных алкилнитратов.
Авторы для дизельного топлива рассмотрели еще одно соединение –
это циклический эфир – оксид пропилена. Проведенный анализ патентной
литературы показал, что оксид пропилена в чистом виде как присадка или
добавка к дизельному топливу ранее не предлагалась и не была изучена.
Были
проведены
стендовые
испытания,
в
ходе
которых
отслеживалось влияние оксида пропилена на мощностые и экономические
показатели работы дизеля. После чего проводились ездовые испытания на
106
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
реальных автомобилях, где отслеживались экономические показатели и
дымность отработавших газов.
Стендовые испытания проводились на ВТЗ ДТ40 при его работе на
чистом (без присадок) дизельном топливе и на дизельном топливе с
использованием оксида пропилена (ОП). При сопоставлении результатов,
полученных на моторном стенде, количественно оценивались мощностные
и экономические показатели. Испытания проводились при максимальной
загрузке двигателя при концентрации ОП от 0,02 до 0,5%. В результате
было выявлено, что при концентрации ОП равной 0,04% достигается
максимальная мощность и минимальный расход топлива. Данная
концентрация ОП обеспечивает снижение расхода топлива на 10,5% по
сравнению с товарным дизельным топливом. Поэтому для дальнейших
исследований использовались концентрации ОП близкие к 0,04%.
Ездовые испытания проводились на автомобилях КамАЗ 65115 в
условиях одного из АТП г. Кемерова. Эти автомобили выполняли свою
повседневную перевозочную работу.
В процессе испытания автомобили поочередно заправлялись чистым
дизельным топливом и (слив предварительно небольшой остаток
неизрасходованного топлива на начало смены) дизельным топливом,
содержащим оксид пропилена в количестве 0,04%. По каждому баку
фиксировался пробег, в результате вычислялся расход топлива в литрах на
100 километров пробега. В конце смены при помощи дымомера
«Инфракар Д» измерялась дымность отработавших газов.
По результатам испытаний выявлено:
- снижение расхода топлива в среднем на 8,3%;
- снижение дымности отработавших газов в среднем на 33%;
- отмечено, что двигатель работает более мягко;
- отмечено, что увеличивается приемистость двигателя, что
свидетельствует об увеличение мощности [4,5].
107
25-26 сентября 2013, Саратов
Положительное влияние малых добавок оксигенатов мы связываем с
увеличением поверхности факела и очагов горения в дизеле. Оксигенаты
выступают как диспергаторы микрокапель и поляризаторы участков
поверхности факела, ответственных за задержку воспламенения [6].
В дальнейшем ездовые испытания повторялись и на других
автомобилях, как грузовых, так и легковых. По всем этим экспериментам
были
получены
схожие
результаты,
за
исключением
дымности
отработавших газов. Во всех случаях было зафиксировано снижение
дымности, однако, где то дымность снижалась в среднем на 10%, где то
чуть больше. Это
подтолкнуло авторов на проведение нового
исследования, целью которого стало изучение динамики снижения
дымности отработавших газов на автомобилях в зависимости от пробега.
Результаты оказались довольно схожими. Графически зависимость
дымности от пробега по одному из автомобилей представлена на рис. 1.
По этим зависимостям видно, что первоначально дымность
снижается, а спустя определенный пробег снова возрастает. В некоторых
случаях дымность увеличивается даже больше базового варианта, а затем
плавно снижается. Спустя примерно 2 смены показания дымности
стабилизируются примерно на одном уровне, что говорит о моющем
эффекте присадки в начальный период испытания. Результирующие
показания дымности по результатам нескольких тысяч километров пробега
снижаются от 30 до 70%.
108
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Hyundai HD-78
Дымность (К*), 1/м
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
Пробег, км
Рис. 1. Зависимость дымности от пробега
Максимальный эффект от применения присадки достигается в
среднем после 1000-1500 км пробега. Примерно таких же рекомендаций
советуют придерживаться разработчики моющих присадок.
Как отмечалось ранее, в присутствие присадки дизель работает
мягче. Как правило, это достигается снижением вибраций двигателя при
работе. Чтобы количественно подтвердить этот факт был измерен уровень
вибрации при работе двигателя на стенде. Вибрация измерялась сначала на
товарном дизельном топливе, а затем на дизельном топливе с присадкой. В
результате было зафиксировано значительное снижение виброускорения
как при работе дизеля без нагрузки, так и с нагрузкой.
Для полноценного использования присадки на заключительном этапе
исследовались
присадкой,
физико-химические
ведь
кроме
свойства
улучшения
дизельного
вышеописанных
топлива
с
показателей
необходимо, чтобы присадка не ухудшала тех показателей, которые
приведены в «Техническом регламенте» [1]. В ходе экспериментов было
установлено, что присадка в концентрации от 0,02 до 0,1% не ухудшает ни
один параметр, приведенный в «Регламенте».
109
25-26 сентября 2013, Саратов
Дизельное топливо с присадкой оксида пропилена по совокупности
своих положительных свойств, вполне, может являться премиальным
дизельным топливом. При сравнении такого дизельного топлива с
премиальным товарным дизельном топливом («Дизель +» на АЗС
Газпромнефть) становится ясно, что оно ему не уступает, а по некоторым
показателям даже превосходит. В любом случае при использовании
дизельного топлива с оксидом пропилена уже доказано значительное
снижение
дымности
отработавших
газов,
а
это
является
общегосударственной проблемой. Экологическая составляющая всегда
была и будет актуальна, особенно теперь, когда 2013 год в России
объявлен годом охраны окружающей среды.
Однако
для
дальнейшего
продвижения
топлива
необходимы
дополнительные исследования: так снижение вибрации дизеля и моющий
эффект
композиции
непременно
приведут
к
увеличению
ресурса
двигателя. На сколько процентов увеличится ресурс – это тема
дальнейших исследований.
Литература
1. Технический регламент «О требованиях к автомобильному и
авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для
реактивных двигателей и топочному мазуту».
2. Ирисов А. С. Спирт как моторное топливо. ОНТИ НКТП СССР
Государственное научно-техническое издательство по машиностроению,
металлообработке и черной металлургии, 1933 . – Москва, Ленинград.
3. Данилов А. М. Применение присадок в топливах. – М.: Мир, 2005.
– 288 с., ил.
4. Цыганков Д.В. Исследование влияния оксигенатных присадок на
экономические и экологические показатели работы дизеля /Д. В.
110
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Цыганков, А. М. Мирошников, И. Б. Текутьев // Вестник КузГТУ. – 2011.
– №1, С.98-99.
5. Цыганков Д. В. Исследование влияния оксигенатных присадок на
экономичность и дымность дизеля / Д. В. Цыганков, Н. А. Андреева, А. М.
Мирошников, Е. А. Баранов, Е. О. Болдышев // Перспективы развития и
безопасность автотранспортного комплекса: материалы II Всероссийской
научно-практической конференции, г. Новокузнецк: филиал ГУ КузГТУ в
г. Новокузнецке, 2010. – С. 131-132.
6. Чураев Н. В. Развитие исследований поверхностных сил / Н. В.
Чураев // Коллоидный журнал. – 2000. – том 62, №5, с. 581 – 589.
7.
Буторин
А.
С.
Перспективы
применения
оксигенатных
компонентов к автомобильным бензинам / А. С. Буторин, С. Ю. Ерошевич
// Сборник материалов V Всероссийской, 58 научно-практической
конференции молодых ученых «РОССИЯ МОЛОДАЯ», 16 – 19 апреля
2013 г. В 2 т. Т. 1; КузГТУ. – Кемерово 2013. – С.217 – 218.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК
СТЕКЛОФОРМ
Д.Г. Чистяков
Научный руководитель: д.т.н., профессор И.О. Леушин
Нижегородский государственный технический
университет имени Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород
В
виду
шаткой
экономической
конъюнктуры
на
рынке
отечественной металлопродукции, уступающей зарубежным аналогам, как
по закупочной цене, так и по качеству выпускаемых металлоизделий,
111
25-26 сентября 2013, Саратов
отечественная
литейная
индустрия
соотношения
"цена/качество"
заинтересована
производимых
в
оптимизации
деталей
из
чугуна,
применяемых на поточных линиях для массового производства стеклотары
(рис.1, а). Такая особенность присуща чугунным изделиям стеклоформ –
основным деталям, характеризующим формовой комплект для выдува
стеклоизделий (рис. 1, б). Как правило, отечественные детали формовых
комплектов имеют низкий срок службы ввиду получения литых заготовок
ненадлежащего качества и свойств из-за высокого роста конкуренции в
этой области и повышения мировых требований по чистоте получаемых
современных
стеклоизделий
(например,
стеклянные
упаковки
для
химической промышленности). Такая ситуация на внутреннем рынке
страны способствует формированию тенденции в изготовлении деталей с
низкой себестоимостью и в максимально короткие сроки, что неизменно
сказывается на качестве производимых металлоизделий. В результате
этого
отечественные
детали
стеклоформ
быстро
выводятся
из
производственного цикла, и стеклотарные заводы несут колоссальные
убытки по установке новых формовых комплектов и/или ремонту
вышедших из строя.
Детали стеклоформ эксплуатируются в сложных термомеханических
условиях, обуславливаемых формированием тепловых и структурных
изменений в теле изделия в процессе высокотемпературных циклических
нагрузок, а также абразивным износом рабочих поверхностей под
действием
агрессивных
компонентов
расплавленного
стекла.
Температурный циклический режим эксплуатации детали (до 850-900°С)
[1] создает внутренние напряжения в теле изделия, что со временем
приводит к его короблению и, в конечном счете, к формированию
микротрещин на ответственных поверхностях. Помимо этого в ходе
эксплуатации формового комплекта протекают различные химические
процессы,
проявляющиеся
в
диффузии
112
отдельных
элементов
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
вглубь/периферию металлоизделия и приводящие к интенсификации
процессов окисления и обезуглероживания/науглероживания отдельных
слоев детали стеклоформы. Такой принцип работы формового комплекта
требует формирования структуры литья, позволяющей сдерживать
процессы трансформации структурных компонентов и, соответственно,
эксплуатировать детали в бесперебойном циклическом режиме до 1 млн
теплосмен (не ниже мировых аналогов). Для удовлетворения этих условий
необходимо учесть, что в деталях стеклоформ:
-
металлическая
ростоустойчивостью
и
матрица
должна
окалиностойкостью,
обладать
а
также
высокой
минимальной
склонностью к трансформации структурных компонентов в процессе
термических циклических и знакопеременных нагрузок;
- графитовая фаза (как инициатор рост чугуна, за счет протекания
процессов коалесценции мелких включений графита и диффузии атомов
углерода к центрам графитизации) должна обладать компактной формой в
местах интенсивного разогрева и охлаждения – с целью повышения
трещиностойкости
при
эксплуатации
и
улучшения
процессов
механической обработки и полировки детали на этапе ее изготовления.
а
б
Рис. 1. Производство стеклоизделий:
а – готовая стеклотара; б – деталь стеклоформы
Таким образом, высокая ресурсоспособность деталей стеклоформ
достигается при соблюдении двух ключевых условий:
113
25-26 сентября 2013, Саратов
- ферритизация металлической основы изделия (как на этапе
изготовления отливки, так и посредством последующей термической
обработки);
- получение мелкодисперсного графита компактной формы в
рабочем слое изделия, исключающем присутствие карбидной фазы
(цементита и цементита ледебурита).
В связи с этим возникает необходимость установления режимов
охлаждения отливок, позволяющих получить заданную структуру. С этой
целью авторы провели моделирование литейных процессов в программном
комплексе "MAGMASOFT®" v.5. В качестве контролируемых параметров
были выбраны: металлическая основа чугуна – перлит/феррит, а также
высокоуглеродистая фаза чугуна – цементит/графит. Химический состав
сплава для моделирования, %: 3.5С, 4.5Si, 0.4Mn, 0.1Cr, 0.1Al, 0.3Ni,
0.4Mo, 0.04Ti, 0.03S, 0.08P. Температура заливки расплава составляла
1380° С, температура окружающей среды (цеха) – 20° С, температура
формовочной смеси – 30° С. Время выбивки металлического холодильника
из формы – 600 секунд.
В
качестве
затвердевания
переменного
отливки,
параметра
меняющаяся
в
выступала
зависимости
скорость
от
массы
применяемого металлического холодильника и нанесения литейной краски
(изменения коэффициента теплоотвода).
В первом и третьем опытах соотношение массы отливки к массе
применяемого металлического холодильника составляло 1:4, во втором и
четвертом – 1:3. Процесс моделирования охлаждения отливок показал, что
изменение масс применяемых металлических холодильников в таком
соотношении не оказывает серьезных изменений на перераспределение
феррит-перлитных металлических зерен чугуна и заметно влияет на
формирование ледебуритной фазы в граничном слое. Однако наибольший
эффект (ферритизация металлической основы) достигается при нанесении
114
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
литейной краски с теплопроводностью 0.3 Вт/м·К. При этом остается
практически неизменной зернистость металлической основы (Nodule Count
= 200-300/мм2). То есть присутствие литейной краски (толщиной до 0.3
мм)
на
металлических
холодильниках
сохраняет
мелкозернистую
структуру литья в поверхностном слое при увеличении доли ферритной
металлической основы в граничных слоях. На рис. 2 показана схема
распределения перлита по сечению отливки стеклоформы.
Однако прогнозируемый режим охлаждения отливок негативно
влияет
на
графитизацию
чугуна
в
виду
протекания
процессов
карбидизации на границе системы "расплав–металлический холодильник".
Это проявляется, в первую очередь, в формировании колоний цементита и
сложнолегированных эвтектик. Данные компьютерного моделирования
формирования данных фаз в теле отливки представлены на рис. 3.
а
б
в
г
Рис. 2. Изменение перлитной фазы в отливке при: а, в – соотношении 1:4 без и с
нанесением литейной краски; б, г – соотношении 1:3 без и с нанесением литейной
краски
Повышение общей доли феррита (при снижении доли перлита) и
снижение цементита в структуре готового изделия создает повышенную
теплопроводность детали, за счет большей суммарной теплопроводности
материала
(0.12-0.16
кал/см·сек·град),
складывающейся
из
теплопроводностей отдельных структурных фаз (феррит – 0.18, перлит –
0.122, графит – 0.036, цементит – 0.017 [2]). Это благоприятно сказывается
115
25-26 сентября 2013, Саратов
на эксплуатационных характеристиках деталей на производственной
линии. Ввиду этого снижение содержания цементита в структуре литья –
необходимый критерий надежной работы изделия. Это объясняется тем,
что дробление цементитных включений при высоких температурах
эксплуатации приводит к увеличению объема детали (за счет того, что
удельный вес графита намного ниже удельного веса металлической
основы). Такая трансформация структурных компонентов в материале
детали провидит к ее короблению и возможному нарушению сплошности
(трещинообразованию). Помимо этого мелкий цементит при высоких
температурах (>850° С) в черновом формокомплекте (при стекловыдувном
процессе) распадается на углерод и железо, что неизменно приводит к
увеличению объема металлоизделия, так как удельный объем цементита
несравнимо меньше удельного объема продуктов его распада (3.2/26.6 см3
в перерасчете на объем одной грамм-молекулы [3]).
а
б
в
г
Рис. 3. Изменение ледебуритной фазы в отливке (модуль программы – White
Solidification) при: а, в – соотношении 1:4 без и с нанесением литейной краски; б, г –
соотношении 1:3 без и с нанесением литейной краски
Таким
образом,
в
результате
компьютерного
моделирования
процессов образования феррит-перлитной металлической основы чугуна и
отслеживания образования первичных кристаллов графита и цементита,
было установлено, что наиболее выгодная структура, с точки зрения
повышения термостойкости и окалиностойкости литой детали, образуется
посредством
литья
расплава
на
116
металлический
холодильник
с
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
соотношением масс 1:4. При этом
нанесение литейной краски на
металлический холодильник способствует сохранению мелкозернистой
структуры литья при снижении в поверхностном слое общего числа
цементита и цементита ледебурита.
По
результатам
компьютерного
моделирования
авторами
в
производственных условиях проводились экспериментальные плавки с
целью изучения адекватности выявленной при помощи ЭВМ структурной
зависимости от условий затвердевания отливок и получения литых
заготовок в литейном цеху. Чугун вышеописанного химического состава
выплавлялся в индукционной печи ИСТ-0.4 и после сфероидизирующего
модифицирования (модификатором ФСМг5) разливался в песчаные формы
на металлические холодильники различной массы. Структура полученных
отливок представлена на рис. 4.
а
б
в
г
Рис.4. Микроструктура отливок на глубине <10 мм: а – (не травлено), б – (травлено) –
при соотношении 1:3; в – (не травлено), г – (травлено) – при соотношении 1:4
Анализ
данных
компьютерного
моделирования
и
экспериментальных плавок подтвердил высокую степень сходимости
результатов исследований. Последующая
математическая обработка
данных позволила авторам выявить наиболее оптимальную структуру
литья, отвечающую условиям эксплуатации изделий как с точки зрения
эконометрических показателей получения деталей, так и с точки зрения их
ремонтопригодности.
117
25-26 сентября 2013, Саратов
На этом основании в настоящее время на производственных
площадках региона авторами производятся экспериментальные работы по
получению готовых деталей стеклоформ со структурой, позволяющей
эксплуатировать формовые комплекты в циклическом режиме не менее 1
млн теплосмен.
Литература
1. Леушин, И.О. Влияние структурообразования и фазового состава
чугунных отливок стеклоформ на эксплуатационные свойства готовых
изделий / И.О. Леушин, Д.Г. Чистяков // Известия Вузов. Черная
металлургия. – 2013. – №5. – С. 19-23.
2. Ланда, А.Ф. Основы получения чугуна повышенного качества /
А.Ф. Ланда. М.: государственное научно-техническое издательство
машиностроительной литературы. – 1960. – 240 с.
3. Болховитинов, И.Ф. Металловедение и термическая обработка /
И.Ф. Болховитинов. − М.: Машгиз, 1958. − 430 с.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СЛИТКОВ НА ОСНОВЕ
РЕГУЛИРУЕМОГО КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА
А.С. Горшенин
Самарский государственный технический университет, г. Самара
В настоящее время все возрастающими темпами увеличивается
ассортимент и объемы проката, получаемого из алюминиевых слитков.
Анализ технологии производства цилиндрических слитков методом
полунепрерывного литья в водоохлаждаемый кристаллизатор выявил
118
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
главную проблему данного метода - образование неоднородной структуры
слитка. Для ее устранения проводят термическую обработку слитков,
одним из видов которой является гомогенизационный отжиг. Важным
этапом термической обработки является охлаждение слитков после
гомогенизации со скоростью, не превышающей критическую - 70 0С/ч для
предотвращения закалки сплава.
Проведенный анализ способов охлаждения алюминиевых слитков
показал, что наиболее целесообразно использовать специальную камеру,
позволяющую обеспечить заданную технологией скорость охлаждения
слитков и повысить выработку качественной продукции.
Применение существующих режимов охлаждения не обеспечивает
одинаковой скорости снижения температуры во всех частях алюминиевых
слитков, особенно на их торцах и на боковых поверхностях крайних
слитков, что приводит к отклонению структуры и твердости металла от
номинальной и появлению брака при изготовлении готовых изделий.
В настоящее время отсутствуют методы расчета и режимы
проведения процессов охлаждения, учитывающие геометрию садки и
камеры охлаждения и обеспечивающие одинаковую скорость снижения
температуры
во
всех
частях
алюминиевых
слитков,
а
также
способствующие снижению энергетических затрат.
В
связи
с
этим
совершенствование
процесса
охлаждения
алюминиевых слитков воздухом на основе моделирования регулируемого
конвективного теплообмена, обеспечивающего одинаковую скорость
снижения их температуры
во всех точках садки, является актуальной
научной задачей, решение которой позволит обеспечить качество
выпускаемой продукции.
Для изучения процесса охлаждения слитков в камере охлаждения
автором
была
разработана
математическая
119
модель
регулируемого
25-26 сентября 2013, Саратов
конвективного
теплообмена
в
системе
алюминиевые
слитки
–
охлаждающий воздух [1].
При
разработке
конвективного
математической
теплообмена
в
системе
модели
регулируемого
алюминиевые
слитки
–
охлаждающий воздух были приняты следующие допущения: 1) задача
теплообмена принималась двухмерной; 2) теплообмен рассматривался в
половине высоты канала δ
и при омывании половины слитка; 3)
температура воздуха t В по высоте канала δ принималась одинаковой; 4)
температура охлаждающего воздуха при омывании каждого слитка
принималась постоянной; 5) теплообмен рассматривался для каждого
отдельного слитка.
Математическая модель конвективного теплообмена в системе ряд
горизонтальных алюминиевых слитков – охлаждающий воздух включает в
себя расчетную схему (рис. 1), описание процесса теплообмена,
ограничение по скорости охлаждения слитков (1), систему уравнений (2) и
(3) по изменению температур слитков и воздуха.
Описание процесса теплообмена. Процесс нагрева воздуха при
охлаждении горизонтального ряда слитков количеством N основывается
на решении уравнения охлаждения одного слитка [2]. В соответствии с
принятыми допущениями теплообмен между воздухом и слитками
рассчитывается отдельно для каждого слитка. В соответствии с этим
каждый слиток начинает охлаждаться с одной и той же температуры Т 0 . В
соответствии с допущением о постоянстве температуры воздуха при
омывании одного слитка, считаем, что его температура увеличивается
скачком после омывания слитка. Так как температура воздуха t в от слитка
к слитку увеличивается, то перепад температуры между слитками и
воздухом в ряду будет уменьшаться, то есть, каждый последующий слиток
будет более горячим, чем предыдущий.
120
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 1. Расчетная схема к математической модели
При
разработке
математической
модели
регулируемого
конвективного теплообмена было принято ограничение по скорости
охлаждения слитков dT dτ , которая в интервале температур 500 − 300 0 С не
должна превышать
0
dT
≤ 70 С
ч
dτ
,
(1)
Система уравнений (2) и (3) по снижению температур Т N каждого из
алюминиевых слитков количеством N , расположенных в горизонтальном
ряду и по увеличению температур воздуха t В
N
выглядит следующим
образом:
T N = t В N − 1 + (T 0 - t В N − 1 ) ×
0 ,8
G В ⋅ν
0 ,43
0
,
021
d
⋅
N ⋅ d (h − π ⋅ d / 2 ) экв ⋅ Pr ж
× exp − 4 ⋅
d
⋅
λ
АЛ
экв
с
m ал
t
(T ( N −1 ) − t В ( N -1 ) ) − (T 0 - t В1 ) ×
= t В ( N − 1 ) + Рал
ВN
с Рв G В
0 ,8
G В ⋅ν
0 , 021 ⋅
d экв ⋅ Pr ж0 ,43
N ⋅ d (h − π ⋅ d / 2 )
× exp − 4 ⋅
λ АЛ ⋅ d экв
Pr ж
Pr с
0 , 25
Pr ж
Pr с
0 , 25
⋅ λВ ⋅ε ⋅ d
a ⋅τ
⋅ 2
d
[
⋅ λВ ⋅ε ⋅ d
a ⋅τ
⋅ 2
d
(2 )
(3 )
Полученная математическая модель регулируемого конвективного
теплообмена
позволила
провести
121
аналитическое
исследование
25-26 сентября 2013, Саратов
конвективного теплообмена в камере охлаждения с использованием
уравнений (2) и (3) полученной математической модели. Результаты
аналитического исследования конвективного теплообмена в камере
охлаждения при поддержании постоянной в процессе охлаждения
скорости воздуха W , м/с для слитка диаметром d = 0,24, м приведены
на рис. 2.
Рис. 2. Изменение температуры и скорости охлаждения слитков от продолжительности
охлаждения при постоянной скорости охлаждения W = 1,1м / с (1,2,….,4 – номера
слитков, 5 – максимальная скорость охлаждения)
Представленные на рис. 2 зависимости показывают, что при
поддержании постоянной скорости охлаждающего воздуха w = const в
процессе охлаждения не удается обеспечить заданную технологией
скорость охлаждения Т/τ = 70 0С/ч, что приводит к снижению качества
продукции
вследствие
закалки
слитков.
Кроме
этого
сохранение
постоянной скорости воздуха w = const увеличивает продолжительность
периода охлаждения.
В целях повышения качества продукции и предотвращения закалки
алюминиевых слитков предложен алгоритм обеспечения номинальной
скорости охлаждения каждого из алюминиевых слитков любого ряда во
временной динамике процесса их охлаждения путем регулируемого
122
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
конвективного
теплообмена
в горизонтальной
камере
охлаждения,
учитывающий высоту канала между рядами слитков, их диаметр,
изменение скорости воздуха в процессе охлаждения слитков в камере
охлаждения.
Согласно уравнениям (2) и (3) математической модели температура
воздуха при его течении от слитка к слитку увеличивается, а перепад
температуры между слитками и воздухом в ряду наоборот уменьшаться.
Тогда каждый последующий слиток будет иметь более высокую
температуру, по сравнению с предыдущим. Это приводит к тому, что
слитки будут недоохлаждаться, и для каждого последующего слитка
величина недоохлаждения будет увеличиваться.
Учитывая это регулирование скорости охлаждения осуществляется
путем регулирования скорости воздуха, сначала по температуре первого
слитка до момента его охлаждения до 300 0 С , таким образом, чтобы она не
превысила свое номинальное значение, то есть Т1/τ ≤ 70 0С/ч. После этого
предлагается переходить на регулирование скорости охлаждения по
второму слитку, путем изменения скорости воздуха, таким образом, чтобы
она не превысила свое номинальное значение, то есть Т1/τ ≤ 70 0С/ч и так
до охлаждения последнего в ряду слитка до температуры 300 0 С . После
этого
скорость
воздуха,
а
следовательно
скорости
охлаждения
увеличиваются до максимально возможного значения, поскольку при
достижении температуры последнего в ряду слитка до величины 300 0 С
эффекта закаливания алюминия, а следовательно потери качества не
наступает.
С целью проверки правильности
предлагаемого метода было
проведено аналитическое исследование регулируемого конвективного
теплообмена в камере охлаждения при переменной скорости воздуха
W , м/с
для слитка диаметром d = 0,24, м
результаты которого приведены на рис. 3.
123
с высотой канала δ = 0,1м ,
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 3. Зависимость температуры и скорости охлаждения слитков от времени
охлаждения, d = 0,24м , δ = 0,1м при переменной скорости воздуха
W (1,2,….,8 – номера слитков)
График изменения температур и скорости охлаждения слитков,
представленные на рис. 3, подтверждает влияние переменной скорости
охлаждающего воздуха W , м/с на скорость охлаждения слитков Т / τ , 0 С/ч и
время охлаждения τ , ч . Поддержание расчетной скорости воздуха при
охлаждении слитков до 300 0 С позволяет выдерживать скорость их
охлаждения, не приводящую к их закалке и тем самым повышать
выработку качественной продукции. Увеличение скорости воздуха до
максимальной
после
охлаждения
слитков
ниже
300 0 С
позволяет
существенно ускорить процесс охлаждения. Общее время охлаждения
определяется только заданной технологией конечной температурой
слитков.
Для
теплообмена
доказательства
было
достоверности
проведено
математической
экспериментальное
124
модели
исследование.
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Экспериментальная камера охлаждения (рис. 4) состояла из рабочего
пространства,
раздающего и собирающего газоходов, приборов для
измерения температуры слитков (термопары ТХА, измеритель-регулятор
2ТРМ1) и скорости воздуха (трубка Прандтля-электронный манометр).
Рис. 4. Схема экспериментальной камеры охлаждения алюминиевых слитков
(1-измеритель-регулятор 2ТРМ1, 2-термопары ТХА, 3-собирающий газоход,
4-алюминивые слитки, 5-раздающий газоход, 6-вентиляторы, 7-труюка Прандтля,
8-электронный манометр Comarc С9557)
Сопоставление расчетной температуры слитков и полученных
экспериментальных данных для одной точки измерения представлено на
рис. 5.
Рис. 5. Сравнение температур слитка.
(сплошная линия – расчетные значения, точки - экспериментальные данные)
125
25-26 сентября 2013, Саратов
Среднее
расхождение
между
теоретическими
и
экспериментальными данными составляет 34%. Полученная погрешность
позволяет рекомендовать полученную математическую модель для
применения в проектной и эксплуатационной практике.
Литература
1. Горшенин, А.С. Математическое моделирование теплообмена при
охлаждении ряда алюминиевых слитков [Текст] / А.С. Горшенин //
Вестник СГАУ. – 2012. - № 2(33). – С. 179 – 183. - ISSN 1998-6629.
2.
Горшенин,
А.С.
Математическая
модель
охлаждения
алюминиевого слитка после гомогенизационного отжига [Текст] / А.С.
Горшенин // Современные проблемы и пути их решения в науке,
транспорте,
производстве
и
образовании,
2011:
Материалы
международной научно-практической конференции // Одесский нац.
морской ун-т. – Одесса, 2011. – С. 3 –5.
АЛГОРИТМ СИНТЕЗА ДВОЙНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
НА ОСНОВЕ ФАЗОВЫХ ДИАГРАММ
А.А. Демина
Научные руководители: учитель химии Н.П. Помогайбина,
д.х.н., профессор И.К. Гаркушин
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
В наши дни проблемы энергетических потребностей и сохранения
окружающей среды встают особенно остро. Решить эти проблемы могут
новые материалы, которые позволяют создать химические источники
126
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
электрической энергии (ХИТ). В рамках данной работы исследовалось
двойное
соединение
–
суперионный
проводник,
который
можно
использовать в качестве электролита для ХИТ.
Анализ
работ
показал,
[1,2]
что
механизм
возникновения
суперионного состояния до конца не разработан. Предполагается, что у
твёрдых электролитов в узлах кристаллической решётки находятся
заряженные ионы. Они образуют две подрешётки — катионную и
анионную. Ионы совершают колебательные движения, но перемещаться
по кристаллу не могут. Как же тогда в твёрдых электролитах возникает
ток? Если основное вещество "разбавить" другим похожим соединением,
то катионная решётка этого твёрдого раствора остаётся прежней, а в
анионной появляются свободные места — вакансии. Пустые места в
отрицательно
заряженной
решётке
можно
рассматривать
как
положительные заряды. В них начнут переходить анионы с достаточно
большой энергией, а вакансии "побегут" в противоположном направлении
— к катоду. Возникнет электрический ток, обусловленный движением
ионов.
Из литературы [3] известно, что твердые электролиты можно
получить
в
результате
химического
взаимодействия
следующими
способами: гидротермальным, из расплавов, керамическим (твердофазным
синтезом).
В данной работе предложен алгоритм синтеза двойного соединения
KCaF3 керамическим методом, который является наиболее экономичным,
быстрым и простым по технологии.
Для решения поставленной задачи необходимо построение фазовой
диаграммы системы KF-CaF2 (рис.1.) (использованы справочные данные
[4] по температурам плавления исходных веществ и двухкомпонентных
смесей: температура плавления KF 858○С; температура плавления CaF2
1418○С). Температуры плавления соединения конгруэнтного плавления
127
25-26 сентября 2013, Саратов
KCaF3 равна 1068○С (50,0% мол. CaF2). Температуры плавления эвтектик:
е1782○С при 15,4 мол.% CaF2; е21054 ○С при 62,0 мол.% CaF2.
Рис.1. Фазовая диаграмма двухкомпонентной системы KF – CaF2
Эксперимент проводился на базе лаборатории
неорганической
химии
Самарского
кафедры общей и
государственного
технического
университета.
На установке ДТА (дифференциального термического анализа) была
проверена температура плавления сплава эвтектического состава е1. Масса
исходной
навески,
состоящей
из
предварительно
обезвоженных
компонентов, составила 0,3 г (0,1292 г (50 мол.%) KF (хч) и 0,1708 г (50
мол.%) CaF2 (хч)). На кривой ДТА нагревания эвтектического сплава
отмечен эндоэффект при температуре 780○С, что подтверждают данные
литературы [4].
Кроме записи на установке ДТА, эвтектический состав прописан на
дериватографе марки DERIVATOGRAPH MOM BUDAPEST SYSTEM: F.PAULIK,
J. PAULIK, L.ERDEY. Кривые Т и ∆Т приведены на рис.2. Симметричный пик
показывает, что состав эвтектический. Из кривых Т и ∆Т определено время
синтеза.
128
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис.2.Экспериментальные кривые Т и ∆Т низкоплавкой эвтектики
в двухкомпонентной системе KF-CaF2
В соответствии с рекомендациями [3] синтез проводят при
температуре на 5-15 градусов выше температуры низкоплавкой эвтектики,
т.е. при 790-795○С.
Синтез проведен с контролем температуры
на установке ДТА.
Исходная безводная смесь, состоящая из 0,1292 г (50 мол.%) KF и 0,1708 г
(50 мол.%) CaF2, была измельчена в агатовой ступке при температуре 150160°С, перенесена в платиновый тигель, уплотнена и помещена в печь
нагрева шахтного типа. Температура синтеза 790 - 795 ○С в соответствии с
результатами проведенного выше эксперимента. Время синтеза 8 – 10
мин. Полученный продукт представляет собой KCaF3 (идентифицирован на
установке
рентгенофазового
анализа
(дифрактометр
ARL
X/TRA),
температура плавления соответствует 1068○С).
Результаты исследований позволили предположить примерный
механизм синтеза двойного соединения KCaF3. В начальный момент
времени
при
достижении
некоторой
температуры
происходит
взаимодействие KF + CaF2 = KCaF3, то есть на поверхности контакта
зерен KF и CaF2 происходит образование двойного соединения. Таким
образом, получается неравновесная система из трех веществ, которую
129
25-26 сентября 2013, Саратов
условно можно изобразить следующей схемой (рис.3). Из схемы видно,
что в первоначальный момент времени в вершине треугольника 0% KCaF3.
При образовании двойного соединения, в момент времени
τ1, на
поверхности зерен образуется KCaF3 во всем объёме образца. Этому
процессу отвечает контактное плавление трех веществ.
Рис.3. Схема неравновесной системы из трех веществ
Появляется жидкая фаза, которая регистрируется на кривой ДТА
нагрева смеси, при температуре, соответствующей низкоплавкой эвтектике
е1 (780○С). В двойной системе происходит образование соединения D и
повышение содержания KCaF3 до 100% по высоте aD.
По итогам экспериментов разработан и предложен алгоритм синтеза
двойных соединений на основе фазовых диаграмм (рис.4).
Синтез двойного соединения KCaF3 проведён в следующей
последовательности:
1.
анализ фазовой диаграммы двухкомпонентной системы KF –
2.
исследование
CaF2
низкоплавкой
эвтектики
двухкомпонентной
системы на установке ДТА;
3.
исследование твердофазного взаимодействия
дериватографе;
4.
синтез соединения на установке ДТА;
130
KF и CaF2 на
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
5.
рентгенофазовый анализ синтезированного соединения и
подтверждение температуры плавления.
Начало
Обзор литературы и поиск запатентованных
способов синтеза двойных соединений
Исследование
двухкомпонентной
системы методом
ДТА
Изучена ли фазовая
диаграмма?
Подтверждение температуры плавления
низкоплавкой эвтектики
Исследование твердофазного взаимодействия
компонентов на дериватографе
Синтез соединения на установке ДТА
Рентгенофазовый анализ синтезированного
соединения и определение температуры плавления
методом ДТА
Окончание
Рис. 4. Схема алгоритма синтеза двойных соединений при температурах близких
к температурам низкоплавких эвтектик
Таким образом, получено двойное соединение KCaF3 на установке
ДТА в печи нагрева шахтного типа при температуре 780○С. Использование
заявляемого способа позволяет проводить синтез при температуре на
290○С ниже температуры плавления соединения KCaF3 (1068○С), что
позволяет сократить время и снизить стоимость.
131
25-26 сентября 2013, Саратов
Литература
1.
Прохоров
А.М.
Физический
энциклопедический
словарь.
Советская энциклопедия. — М.: Москва, 1983.
2. Бурмистрова Н.П., Прибылов К.П., Савельев Д.П. Комплексный
термический анализ /. - Казань: Изд-во Казан. ун-та, 1981. -110 с.
3. Гаркушин И.К., Лисов Н.И., О.В Лаврентьева, А.В.
Немков.
Химия для технологических вузов: Учеб. Пособие. В 2-х частях / 3-у изд.,
перераб. и доп. Ч1. Самара. СамГТУ, 2012, 404с.
4. Воскресенский Н.К., Евсеева Н.Н.,. Беруль С.И и др. Справочник
по плавкости систем из безводных неорганических солей, Т1. Двойные
системы. Изд. Академия наук СССР, Москва 1961г., 194с.
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ВКЛЮЧЕНИЙ НАНОРАЗМЕРНЫХ
ЧАСТИЦ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ПОЛИПРОПИЛЕНА
Е.А. Бусыгина
Научный руководитель: к.т.н., доцент Л.В. Никитина
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Одно из ведущих мест в общем объеме производства и потребления
пластических масс принадлежит термопластичному высокомолекулярному
соединению - полипропилену (ПП). Обладая ценным сочетанием свойств
и, что очень важно, относительно низкой стоимостью, он чрезвычайно
быстро внедрился во многие отрасли промышленности. Однако, зачастую,
чтобы получить полимерные изделия для различных областей применения
132
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
в зависимости от способа переработки приходиться модифицировать и
создавать новые композиционные материалы.
Работа посвящена модификации полипропилена наноразмерными
частицами диоксида кремния. Предварительно был получен золь диоксида
кремния путем гидролиза тетраэтоксисилана (ТЭОС) в присутствии
катализатора (аммиака, уксусной кислоты). Во время реакции гидролиза
этоксигруппа тетраэтоксисилана (ТЭОС) реагирует с молекулой воды,
формируя
промежуточное
соединение
Si(OC2H5)4-x(OH)x
с
гидроксильной группой вместо этоксигруппы ТЭОС:
Si(OC2H5)4 + xH2O → Si(OC2H5)4-x(OH)x + xC2H5OH.
(1)
Более того, аммиак играет роль щелочного катализатора, а уксусная
кислота кислотного. Мгновенно после гидролиза происходит реакция
конденсации.
Гидроксильная
группа
промежуточного
соединения
Si(OC2H5)4-x(OH)x реагирует либо с этоксигруппой другой молекулы
ТЭОС, либо с гидроксильной группой другого продукта гидролиза,
формируя Si-O-Si мостики. Обе реакции конденсации могут быть
представлены в виде:
≡Si−OC2H5 + HO−Si≡ → ≡Si−O−Si≡ + C2H5OH;
(2)
≡Si−OH + HO−Si≡ → ≡Si−O−Si≡ + H2O
(3)
Таким образом, общая реакция:
Si(OC2H5)4 + 2H2O → SiO2 + 4C2H5OH
(4)
Результаты адсорбционной порометрии выявили, что полученные
частицы диоксида кремния имели высокую удельную поверхность – более
350 м2/г со средним радиусом внутренних пор 1-2 нм. На рис. 1
представлено изображение частиц SiO2, полученное с помощью метода
сканирующей электронной микроскопии.
Затем, для получения композиционного материала использовался
метод «класпол» в растворе – расплаве полипропилена.
133
25-26 сентября 2013, Саратов
Термическое
проводилось
на
исследование
приборе
всех
синтезированных
«Дериватограф
ОД-103».
соединений
Проведенные
исследования анализа отображены на рис. 2.
Рис. 1. Изображение частиц диоксида кремния, сделанное при помощи СЭМ
а) результаты ДТА и ДТГ для чистого
полипропилена
б) результаты ДТА и ДТГ для
модифицированного полипропилена
Рис. 2. Результаты ДТА-исследования
Анализ
кривых
ДТА
показал,
что
температура
плавления
модифицированного ПП понизилась на 200С и составила 1200С (Тпл
чистого
ПП
=
1400С).
Кроме
того,
экзотермические
пики,
свидетельствующие о протекании в полимере процессов, связанных с
изменением
надмолекулярной
структуры
134
(например,
образованием
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
кристаллитов) и окислением, для модифицированного ПП смещены в
область более низких температур: для чистого ПП эти температуры
составляют 3600 и 460 0C, а для модифицированного-2600 и 400 0С.
Однако, температура деструкции модифицированного ПП повысилась
относительно чистого ПП на 400С (Тмах.дестр чистого ПП = 5700С; Тмах.дестр
модифицированного ПП = 6200С).
Как известно, деривативная термогравиметрия (ДТГ) регистрирует
скорость
изменения
массы
вещества
во
времени.
Анализируя
соответствующие кривые ДТГ для чистого и модифицированного ПП,
можно сделать заключение о более высокой скорости деструкции чистого
ПП, подтверждением вышесказанному является анализ кривой ТГ: угол
наклона
кривой,
характерной
для
чистого
ПП
больше,
чем
соответствующий угол наклона для композита. Кроме того, анализируя ТГ
композита и чистого ПП, можно сделать вывод о том, что процесс
разложения
сопровождается
потерей воды при Т = 2000С для
модифицированного ПП и при Т=1800С для чистого ПП. Конечным
твердым продуктом разложения композита является SiO2.
По результатам ИК – спектроскопии, представленным на рис. 3,
видно, что в спектрах присутствуют полосы, характерные для аморфного
гидроксилированного кремнезема (это полосы соответствующие 1100, 940,
810 см-1). Полосы 1105 и 810 см-1 соответствуют ассиметричным и
симметричным валентным колебаниям Si–O–Si, 940 см-1 деформационным
колебаниям связей Si–OH, 1640 и 3450 – деформационным колебаниям
молекул адсорбционных и координационных связей воды.
Сравнение ИК-спектров пропускания чистого и модифицированного
полипропилена показывает появление полосы поглощения около 3690 см-1,
которая свидетельствует
об активной адсорбции молекул воды
молекулами аэросила и соответствует OH– колебаниями в SiOH–группах.
Гидроксильные группы, возникающие при этом, активно адсорбируют
135
25-26 сентября 2013, Саратов
воду, и вокруг частиц аэросила возникает гидратная оболочка, что
согласуется с работой [1].
Рис. 3. Результаты ИК-спектроскопии
Кроме того, в пользу альтернативной теории полиэлектролитов [2],
свидетельствует увеличение сопротивления образцов модифицированного
ПП в сравнении с чистым ПП. Измерения проводились с использованием
усилителя тока Stendford Research Systems на постоянном токе. Согласно
этой теории, добавление аэросила связывает воду, способствующую
проводимости, а точнее, являющуюся катализатором процесса генерации
заряда, что приводит с снижению проводимости или увеличению
сопротивления, что и наблюдалось (удельное объемное электрическое
сопротивление образца модифицированного ПП увеличилось почти на
порядок). Как показали предварительные исследования, вторичный ПП,
модифицированный
наночастицами
диоксида
кремния,
может
использоваться в микроэлектронике, например, в качестве электрета [3].
Проведено физико-механическое испытание полученных образцов.
Показано, что наилучшими свойствами обладают образцы с 3%-ным
содержанием модификатора. В таблице 1 представлены сравнительные
характеристики физико-механических свойств чистого ПП и композита на
его основе.
136
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таблица 1
Сравнительная характеристика чистого ПП и композита
Параметр
Ед.изм.
Прочность при
Метод испытания
ПП
ПП + SiO2
39
52
48
51
0,02
0,02
1015
1016
32
42
ГОСТ 4651-82.
сжатии
МПа
Пластмассы.
Методы
испытания на сжатие
Твердость
ГОСТ 4670-91.
материала по
МПа
Бринелю
Пластмассы. Определение
твердости.
Метод
вдавливания шарика.
Суточное
ГОСТ 4650-80.
водопоглощение
%
Пластмассы.
Методы
определения
водопоглощения.
Уд. объем.
ГОСТ 6433.2-71.
электрическое
Ом·м
Материалы
электроизол.
сопротивление
Твердые.
Разрушающее
ГОСТ 11262-80.
напряжение при
МПа
растяжении
Таким
Пластмассы.
Метод
испытания на растяжение.
образом,
проведенные
исследования
подтверждают
перспективность использования наночастиц диоксида кремния в качестве
модификатора,
улучшающего
физико-химические
свойства
полипропилена.
Литература
1.
Смирнов,
А.
В.
Структурные
и
электретные
свойства
полипропилена с различным содержанием аморфного диоксида кремния/
А. В. Смирнов, Б. А. Федоров, Д. Э. Темнов, Е. Е. Фомичева
//Наносистемы: физика, химия, математика.-2012.-3(2). - С.65-72.
137
25-26 сентября 2013, Саратов
2.
Гороховатский,
взаимодействия
в
Ю.
А.
Проявление
колебательных
спектрах
спин-орбитального
полиэлектролитов
–
волокнистых и пленочных электретов на основе полипропилена и
полиэтилена/Ю. А. Гороховатский, Л. Б. Анискина, А. С. Викторович и
др.//Известия РГПУ А. И. Герцена: Научный журнал. Естественные и
точные науки.-2009.- Т.11,№79. - С.47-61.
3. Губкин, А. Н. Электреты/А. Н. Губкин - М.: Наука, 1978. – 192 с.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ
ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ В КОМПЛЕКСНОМ ЛЕЧЕНИИ
СИНДРОМА «СУХОГО ГЛАЗА»
Р.В. Калмыков
Научный руководитель: д.м.н., профессор Т.Г. Каменских
Саратовский государственный медицинский
университет имени В.И. Разумовского, г. Саратов
Синдром «сухого глаза» (ССГ) представляет собой комплекс
признаков поражения роговичного
и
конъюнктивального
эпителия
вследствие сниженного качества и/или количества слёзной жидкости [1].
Одной из частых причин нарушения качества слезной жидкости является
дисфункция
мейбомиевых
желез
(ДМЖ)
на
фоне
хронического
блефароконьюнктивита. ДМЖ является чрезвычайно распространенным
заболеванием
век,
на
которое
очень
редко
обращают
внимание
практические офтальмологи. Вследствие этого, пациенты с ДМЖ остаются
без необходимой терапии. В свою очередь, нарушение функции сальных и
мейбомиевых желез является частой причиной сухости глаза из-за
неполноценности слезной пленки, что приносит не только неприятные
138
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ощущения пациенту, но и может быть причиной серьезных заболеваний
конъюнктивы и роговицы.
Цель
исследования:
оценить
эффективность
применения
отечественных препаратов в комплексном лечении синдрома «сухого
глаза».
Материалы и методы. В ходе исследования было проведено лечение
25 больных (50 глаз) в возрасте 50 + 15 лет с синдромом «сухого глаза» и
блефароконъюнктивитом. Пациентам было проведено офтальмологическое
обследование,
включающее
в
себя
офтальмоскопию, тонометрию, а
исследования:
определение
визометрию,
так
биомикроскопию,
же дополнительные
стабильности
слезной
методы
пленки
с
использованием 0,1% флюоресцеина натрия (проба Норна), оценка общей
слезопродукции с помощью теста Ширмера, измерение pH слезы с
помощью специальных тест полосок.
Большинство
пациентов
с
синдромом
«сухого
глаза»
и
блефароконъюнктивитом предъявляли схожие жалобы на чувство «песка»,
жжение,
ощущение
инородного
тела,
флюктуирующее
зрение,
светобоязнь. Данные симптомы имеют тенденцию к усилению в течение
дня. Следует отметить, что синдром «сухого глаза» - практически
неизлечимая патология [2]. Лечение направлено на смягчение симптомов и
предотвращение повреждения поверхности роговицы. В соответствии с
этим после обследования всем пациентам с выявленными синдромом
«сухого
глаза»
и
блефароконъюнктивитом
было
назначено
дифференцированное местное медикаментозное лечение. Пациентам с
синдромом «сухого глаза» (без признаков блефароконьюнктивита) был
назначен препарат «Искусственная слеза» по 1-2 капле 4-5 раз в день.
Указанное лекарственное средство отечественного производства («ФИРН
М»,
Россия)
гипромеллозы,
относится
оказывает
к
группе
кератопротекторов
смазывающее
139
и
смягчающее
на
основе
действие.
25-26 сентября 2013, Саратов
Показатель преломления раствора аналогичен естественным слезам.
Препарат восстанавливает, стабилизирует и воспроизводит оптические
характеристики слезной пленки. В случае сочетания ССГ с хроническим
блефароконъюнктивитом
в
качестве
основной
терапии
назначался
«Офтальмоферон» – отечественный препарат («ФИРН М», Подмосковье)
на основе поливинилпирролидона и гипромеллозы с интерфероном и
димедролом – по той же схеме. Дополнительно была рекомендована
следующая медикаментозная терапия: «Аллергоферон» при признаках
хронического коньюнктивита аллергического генеза, «Блефарогель-2» –
при признаках хронического блефарита, в том числе демодекозной
этиологии. Каждый из этих препаратов рекомендовалось наносить на края
век утром и вечером после проведения гигиенических процедур (умывание
с мылом или лосьоном).
Аллергоферон, гель для местного применения – это новый
оригинальный отечественный препарат для лечения аллергического
конъюнктивита («ФИРН М», Подмосковье). Аллергоферон содержит такие
активные компоненты как человеческий рекомбинантный интерферон
альфа-2 (концентрация не менее 5000 МЕ/г) и лоратадин (1%) [3].
Препарат
обладает
противозудным,
антигистаминным,
антиэкссудативным,
противоаллергическим,
противовоспалительным,
иммуномодулирующим, противовирусным действием, что важно в
лечении хронического блефароконъюнктивита, на фоне хронического
аллергического коньюнктивита.
«Блефарогель-2» («Гельтек-Медика», Москва) создан на основе
гиалуроновой кислоты с добавлением сока AloeVera и глицерина.
Действие препарата направлено на нормализацию гидробаланса кожи век,
её увлажнение и повышение упругости за счет содержания гиалуроновой
кислоты. Сок
Aloe оказывает противовоспалительное действие в виде
140
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
уменьшения гиперемии и отёка век. Содержащаяся в препарате сера
оказывает акарицидное действие.
Результаты
Повторные осмотры пациентов основной и контрольной групп,
которым было назначено лечение, были проведены через 7, 14 и 28 дней.
Через 7 дней в основной группе 38 человек из 56 отметили субъективное
улучшение состояния органа зрения: уменьшение жжения, чувства «песка»
и
инородного
значительного
тела,
светобоязни.
улучшения.
У
18
двоих
человек
не
наблюдалась
почувствовали
индивидуальная
непереносимость препарата «Блефарогель - 2». Этим пациентам был
назначен «Блефарогель-1», который отличается отсутствием в составе
серы. У пациентов контрольной группы наблюдалась схожая картина: 14
человек
из
18
отметили
субъективное
улучшение,
четверо
не
почувствовали разницы.
У пациентов основной группы было отмечено увеличение величины
слезопродукции с 9,3 + 1,7 мм до 11,2 + 1,8 мм (по тесту Ширмера),
времени разрыва слезной пленки с 7,8 + 2,2 с до 8,7 + 1,3 с (по пробе
Норна) и незначительное уменьшение величины pH слезы с 8,25 + 0,5 до
8,0 + 0,5. У пациентов контрольной группы было также отмечено
увеличение величины слезопродукции с 9,7 + 1,3 мм до 13,8 + 1,2 мм (по
тесту Ширмера), времени разрыва слезной пленки с 8,1 + 1,9 с до 8,9 + 1,1
с (по пробе Норна) и уменьшение величины pH слезы с 7,75 + 0,75 до 7,5 +
0,5.
В ходе второго повторного осмотра (через 14 дней) в основной
группе 53 человек из 56 отметили субъективное улучшение состояния
органа зрения: уменьшение жжения, чувства «песка» и инородного тела,
светобоязни. Трое не почувствовали улучшения. Непереносимости
препаратов в течение второй недели отмечено не было. В контрольной
группе 17 человек из 18 отметили субъективное улучшение, один пациент
141
25-26 сентября 2013, Саратов
не почувствовал разницы. У пациентов основной группы было отмечено
увеличение величины слезопродукции до 13,2 + 1,8 мм (по тесту
Ширмера), времени разрыва слезной пленки до 9,7 + 1,3 с (по пробе
Норна). Величина показателя pH слезы осталась неизменной (8,0 + 0,5),
что связано с непрекращающимся воздействием цементной пыли на орган
зрения. У пациентов контрольной группы было также отмечено
увеличение величины слезопродукции до 14,8 + 1,2 мм (по тесту
Ширмера), времени разрыва слезной пленки до 9,1 + 0,9 с (по пробе
Норна). Уровень pH слезы остался на прежнем уровне (7,5 + 0,5).
Через 14 дней пациентам с хроническим коньюнктивитом и
блефаритом аллергического генеза вместо «Аллергоферона» был назначен
«Блефарогель-1» по той же схеме. Всем пациентам, получавшим в качестве
терапии «Офтальмоферон», был назначен препарат «Искусственная слеза».
В ходе повторного осмотра через 28 дней значимых изменений
выявлено не было, что подтверждает достигнутый терапевтический
эффект.
Результат исследования оказался статистически значимым (p<0,05),
что говорит об эффективности курса профилактики и лечения синдрома
«сухого глаза».
Выводы
Дифференцированный
подход
к
лечению
современными
отечественными препаратами «Искусственная слеза», «Офтальмоферон»,
«Аллергоферон» и «Блефарогели» позволяет купировать симптомы
блефароконьюнктивита и синдрома «сухого глаза», а также приблизить к
норме показатели функциональных проб, что говорит об эффективности
представленных препаратов.
142
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Литература
1. Полунин Г.С., Сафонова Т.Н., Полунина Е.Г. Особенности
клинического течения различных форм синдрома сухого глаза основа для
разработки адекватных методов лечения // Вестник офтальмологии, 2006.
№ 5. – С.17-20.
2. Д. Кански Клиническая офтальмология: систематизированный
подход
[пер.
с
англ.]
под
ред.
В.П.
Еричева.
–
Wroclaw:
ElsevierUrban&Partner, 2009. – 944 с.
3. Справочник ВИДАЛЬ. Лекарственные препараты в России. М.:
АстраФармСервис, 2012. – 1662 с.
СТОХАСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНТАКТА
ЭЛЕМЕНТОВ ВИНТОВОГО СОПРЯЖЕНИЯ
Г.Х. Мукатова
Научный руководитель: к.т.н., доцент Б.М. Изнаиров
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Дальнейшее повышение надежности, долговечности винтовых
механизмов связано с необходимостью глубокого изучения условий
взаимодействия их рабочих поверхностей.
Один из возможных путей наиболее общего анализа контактных
взаимодействий в этих механизмах заключается в следующем.
Пусть имеется винтовая передача, включающая К пар витков. Витки
резьбы расположены с некоторым шагом, номинальное значение которого
равно S. Шаг
S имеет погрешности систематического и случайного
характера. Если передача собрана без предварительного натяга, между
143
25-26 сентября 2013, Саратов
рабочими поверхностями образуются зазоры, имеющие вследствие
погрешности шага различную величину в различных парах.
Удобно ввести систему координат
с центром O в точке
XYZ
первоначального контакта витков, и одну из координатных осей
совместить с направлением шага силовых элементов механизма (или с
каким-либо другим характерным направлением, например, приложения
силы и т.п.). Эта ось, в зависимости от конструкции механизма, может
быть прямолинейной, круговой, винтовой и др. Допустим, это будет ось
OZ.
Тогда можно записать:
Имея
уравнения
ненагруженном
Z1 = f1(X,Y); Z2 = f2(X,Y)
можно
(1),
состоянии)
или
найти
натягов
величину
(под
(1)
зазоров
нагрузкой)
соответствующими точками рабочих поверхностей:
(в
между
g = Z1 – Z2
;
(2)
g = f1(X,Y) – f2(X,Y)
(3)
Известно, что величина контактных деформаций зависит от
величины действующих на область контакта сил:
α i = α (Wi) ,
(4)
где α i - упругая контактная деформация рабочих поверхностей
i-ой пары витков резьбы;
Wi - часть внешней силы, приходящаяся на i-ю пару.
Очевидно также, что
m
W=
∑W
i =1
i
(5)
где W - полная величина внешней силы, действующей на все пары витков;
m - количество пар витков, находящихся в контакте в данный момент.
Величину деформации в i -й паре выразим следующим образом:
α i= α 1 – gi
144
(6)
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Выражение (6) справедливо при отсутствии начального зазора в
первой контактирующей паре, т.е. при g1 =0,
где g1 и gi
- начальный зазор соответственно в первой и i -й
контактирующих парах; α 1 - величина упругой контактной деформации в
первой паре.
Выразим из (4) Wi через α I :
Wi = Wi ( α i - gi) (8) получим: W =
Wi = Wi ( α i) (7) и учитывая (6):
m
∑W i ( α i - gi ) (9).
i =1
Поскольку (3) учитывает только математически точный профиль
рабочих поверхностей, а различного рода технологические факторы
вызывают систематические и случайные погрешности шага, то gi в
выражении
(9)
является случайной величиной, поэтому для ее
вычисления необходимо знать распределение функции g = g ( Z ).
Пусть f (g) и
функция
F (g)
распределения
- соответственно плотность вероятности и
величины
зазора
g
между рабочими
поверхностями витков. Плотность вероятности распределения величины
зазора
i-й
по счету (в порядке возрастания зазора) пары f i (g)
представляет собой вероятность попадания величины g в область (gi; gi +
dgi) и зависит от возможности совмещения следующих событий:
P(A) = fi (g)dg
- элемента вероятности появления величины g в
области
(gi; gi + dgi ) ; P(B) = [Fi(g )] i-1 - вероятности того, что в других ( i - 1 ) парах
зазор оказался меньше, чем у i-й пары; Р(С) = [ 1 - Fi(g) ] к-i- вероятности
того, что у (k - i ) пар зазор оказался больше, чем в i-й паре. При этом
возможны самые разные комбинации появления той или иной пары
витков из K возможных в области ( gi ; gi + dgi ), число таких комбинаций
равно
K ; и разнообразное число комбинаций появления из (K - 1 )
145
25-26 сентября 2013, Саратов
оставшихся пар ( i – 1 ) пары с зазором, меньшим gi . Оно равно числу
сочетаний из ( K - 1 ) витков по ( i - 1), т.е.
Таким образом, f (g) = k
Используя
это
С
i −1
k −1
fi(g) [F i((g)
выражение,
C
]
i −1
k −1
i—1
несложно
.
[1 − F (g) ] k-i
i
(10).
определить
основные
характеристики случайной величины зазора (математическое ожидание и
дисперсию) :
∞
Mg=
∫
g f(g) d g = k
0
Dg=k
С
C
i −1
k −1
∞
∫
g f i (g) [F i(g) ] i-1 [1 − F i(g) ] k-i dg
(11)
0
i −1
k −1
∞
∫
g2fi(g) [F i(g) ] i-1 [1 − F i(g) ] k-i dg –(Mg)2
(12)
0
Подставляя выражение (6) в равенство (4), получим выражение, на
основе которого можно найти значение внешней силы W , при котором в
контакте будут находиться M пар витков, а по формуле (7) можно найти
величину их упругой контактной деформации.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВНЕШНЕЙ СИЛЫ МЕЖДУ ВИТКАМИ
ВИНТА И ГАЙКИ В ВИНТОВОЙ ПЕРЕДАЧЕ
Г.Х. Мукатова
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.Н. Васин
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Модель образования контакта в винтовой передаче необходима для
вычисления его параметров: суммарной площади пятна контакта,
величины контактных напряжений и др.
Предположим, что оси винта и гайки совпадают (рис. 1). Приложим
к винтовой передаче элементарную внешнюю осевую силу, при которой
произойдет начальный контакт боковых поверхностей винта и гайки
146
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
(первичный контакт) и примем произвольную точку, расположенную на
общей оси винта и гайки, за начало координат системы ХОУ.
Рис.1. Винт и гайка в системе координат X’Y’Z’ и XYZ
Параметрические уравнения винтовых линий, на которых находятся
точки контакта винта и гайки, будут выглядеть следующим образом:
X г=
Dk
Dk
S
cos ϕ ; Yг=
sin ϕ ; Zг= ϕ ;
2
2
2π
X B=
где:
(1)
dk
dk
S
cos ϕ ; YB=
sin ϕ ; ZB= ϕ ;
2
2
2π
ϕ - полярный угол, соответствующий проекциям точек контакта на
плоскость, перпендикулярную осям винта и гайки; Dk- диаметр цилиндра,
на котором лежит винтовая линия с расположенными на ней точками
контакта гайки; dk - то же для винта;S
гайки; Xг, XB, Yг, YB, Zг,
- шаг винтовой линии винта и
- текущие координаты точек контакта
поверхностей винта и гайки.
С учетом погрешностей шага винта и гайки можно записать:
ZB=
S ср.b + ∆Sb
2π
(ϕ + ψ ) + ∆Sсл.b (ϕ + ψ ) + Z 0 ;
(2)
Zг=
S ср.г + ∆S г
2π
(ϕ + ψ ) + ∆Sсл.г (ϕ + ψ ) + Z 0
где: ∆S B, ∆S г - систематические погрешности шага резьбы винта и гайки;
∆S сл.в, ∆S сл..г - случайные погрешности шага резьбы винта и гайки как
функции от ϕ
и ψ ; ψ - фазовый угол точек контакта; Z0 - начальная
аппликата ближайшей к началу координат контактной группы.
147
25-26 сентября 2013, Саратов
Разность между уравнениями (2), дает значение величины осевого
зазора в произвольной первой паре витков резьбы винта и гайки:
∆Z = Zb-Z2=
S + ∆Sb
( ϕ + ψ ) + ∆Scл
2π
b
(ϕ +ψ ) -
S 2 + ∆S 2
( ϕ + ψ ) - ∆Sсл.2 ( ϕ + ψ )
2π
(3)
Раскладывая правую часть выражения (3) в ряд Маклорена и
ограничиваясь, ввиду малости площадки контакта по сравнению с
размерами контактирующих поверхностей одним, наиболее значащим,
членом ряда, в общем виде для произвольной пары витков получим:
Ζ B- Ζ 2 = A * ϕ ,
n
где:
(4)
A - постоянный коэффициент; n - показатель степени (любое
действительное положительное число больше единицы).
Таким образом, контакт винта и гайки приведен к случаю контакта
упругих тел сложной формы.
Под действием внешней силы W возникают площадки контакта
сложной формы, в первом приближении напоминающие эллипс.
Известно, что величина упругой деформации тел под действием
силы Wi определяется выражением :
n
α i = C Wi n +1
где C =
αi
(5)
n +1
K(l) (V1 + V2)
n*λ
- суммарная деформация поверхностей
i-й пары витков под
действием приходящейся на нее составляющей Wi внешней силы W;
λ
- коэффициент, определяемый из графиков
1п
приложения 1;
V1, V2, - упругие постоянные материалов контактирующих тел
1+ µ2
V=
E
148
и
2п
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
где:
µ
- коэффициент Пуассона; E
- модуль упругости; K(l)
-
полный эллиптический интеграл 2-го рода.
Так как W =
m
∑W
i =1
(6)
i
где m - число витков резьбы, находящихся под действием внешней силы
W,
α i = α1 - (gi - g1),
(7)
где g1 и gi - начальный боковой зазор соответственно в первой и i-й парах;
α1
- упругая деформация первой пары витков под действием силы
W, то, имея в виду, что упругая деформация в первой контактной группе
начинается при g1=0, можем записать:
n =1
m
W = W1 ∑ (1 − gi ) n
i =1
(8)
α1
Подставляя выражение (5) в равенство (8) , при g1 = 0 найдем:
m
W = W1 ∑ (1 − k C
i =1
Если
известны
α1
∞
n =1
{gfi ( g )[Fi ( g ) ]i −1[1 − Fi ( g ) ]k − i } n
k −1 ∫
i −1
dg
(9)
0
значения
плотности
fi(g)
и
Fi(g)
функции
распределения величины зазора между витками, то на основе выражения
(9) можно найти значение внешней силы
W, при которой в контакте
будут находиться m витков винта и гайки, а затем найти их суммарную
упругую деформацию.
149
25-26 сентября 2013, Саратов
ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА
ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА
О.А. Дударева, В.А. Протасова, И.П. Гришина,
Д.С. Гришин, Г.П. Манюшкина
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.В. Лясникова
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Как
следует
из
результатов
теоретических
предпосылок
и
выполненных экспериментальных исследований, процесс образования
текстурированного
микрорельефа
определяется
многочисленными
факторами (амплитуда УЗ-колебаний, время обработки, давление струи,
размеры абразивных частиц, угол атаки абразивными частицами,
дистанция между соплом и обрабатываемой деталью, угол атаки между
летящим абразивом и плоскостью обрабатываемой основы, механические
и физические характеристики материала основы). Такое многочисленное
количество факторов, несомненно, влияет на рельеф самым разнообразным
образом. Поэтому необходимо выделить основные факторы, управляя
которыми,
можно
в
широких
пределах
изменять
геометрические
параметры микрорельефа. Из представленных переменных процесса
наиболее просто регулировать время и давление рабочей смеси. Как было
показано выше, при изменении амплитуды можно регулировать глубину
врезания абразивных частиц в основу за счёт дополнительного вектора
ультразвуковой скорости. Но изменять и поддерживать амплитуду,
особенно в камере воздушно-абразивной обработки, достаточно сложно.
Целесообразно выбрать одно значение в зависимости от свойств материала
и вести обработку при этой величине.
150
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Как известно, наиболее значимыми параметрами микрорельефа
поверхности являются Rmax и Sm. На основе теоретических расчётов и
экспериментальных данных было получено следующее: при возрастании
амплитуды УЗ-колебаний возрастает и параметр Rmax, причём его
увеличение гораздо выше, чем Sm. Оптимальным значением следует
признать амплитуду 8-10 мкм. Такое значение довольно легко обеспечить
при помощи существующих ультразвуковых систем. При времени
обработки
18-20
секунд
рельеф
поверхности
приобретает
текстурированность. Форма лунок приобретает вытянутый характер, что
положительно сказывается на адгезии покрытия. К тому же становится
меньше мелких, не участвующих в зацеплении частиц покрытия лунок.
Таким образом, УЗ-колебания, вводимые в зону абразивно-струйной
обработки, вносят изменения в получение микрорельефа. Эти изменения
положительным
образом
сказываются
на
эксплуатационных
характеристиках деталей с пористыми покрытиями.
Также сильное влияние на рельеф оказывает время обработки. Это
относится как к образцам, обработанным с применением УЗ, так и без УЗ.
При малом времени обработки образуется рельеф, характеризующийся
большим количеством разноразмерных и мелких лунок. На основе
исследований, время, необходимое для обработки без УЗ, может быть
рекомендовано не менее 25 с. При использовании УЗ его можно сократить
до 15 с при сохранении достаточной развитости самого рельефа. Так как
обработку деталей целесообразно вести при фиксированном значении
амплитуды, то в этом случае именно время, а не давление рабочей струи
играет решающую роль. При изменении времени обработки от 10 до 50 с
Rmax увеличится на 10-20%. На Sm время влияет еще более существенно:
при
тех
же
временных
промежутках
средний
шаг
неровностей
увеличивается на 17%. Однако существует предел увеличения времени
обработки. Во-первых, после 50 секунд параметры микрорельефа
151
25-26 сентября 2013, Саратов
перестают увеличиваться, а длительное время обработки ведет к эрозии
поверхности имплантата и изменению его размеров, что приведет к
неравномерной и некачественной адгезии покрытия в дальнейшем. Также
это может привести к непредсказуемому изменению размеров, нарушению
достигнутой ранее точности, исправить которое невозможно при помощи
такого стохастического процесса, как плазменное напыление.
Увеличение
времени
приводит
к
повышению
содержания
посторонних примесей в поверхностном слое, переносимых потоком
абразива и воздуха: продукты абразивного износа материала сопла
воздушно-абразивной установки, шаржированные частицы абразива и т. п.,
что недопустимо. К тому же время наиболее просто поддается регулировке
и его наиболее целесообразно использовать для целей управления
свойствами микрорельефа. Как показали эксперименты, зависимость
шероховатости от давления не такая четкая. При изменении избыточного
давления с 0,4 до 0,8 МПа Rmax увеличится лишь на 3-4 %. Изменение
давления в тех же пределах практически не влияет на средний шаг
неровностей.
Следовательно,
давление
при
обработке
желательно
минимизировать на уровне 0,6 МПа. При формировании микрорельефа
необходимо также, чтобы угол между образующей абразивной струи и
плоскостью обработки был близким к 00. Это необходимо для образования
более глубокого микрорельефа. К тому же при больших углах атаки
поверхность будет царапаться с образованием неглубокого бороздчатого
рельефа, так как абразивные зерна будут в большом количестве отлетать от
поверхности.
Таким образом, нами рекомендуются следующие режимы воздушноабразивной обработки с воздействием ультразвука:
- частота УЗК – 22 кГц;
- амплитуда УЗК – 8 - 10 мкм;
- направление УЗК – перпендикулярно потоку частиц;
152
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
- избыточное давление воздуха – 0,6 МПа;
- время обработки – 20 с;
- дисперсность абразива (корундовый порошок) – 200-250 мкм.
Литература
1. Лясникова А.В. Обоснование и реализация комбинированной
механической и физико-химической обработки титановых деталей в
ультразвуковом
поле
с
учетом
электроплазменного
напыления
композиционных покрытий: дис. ... д-ра техн. наук. – Саратов, 2009. – 320
с.
2.
Лясникова
А.В.,
Дударева
О.А.
Технология
создания
многофункциональных композиционных покрытий / А.В. Лясникова, О.А.
Дударева. - М.: Спецкнига, 2012. - 301 с.
3. Лясникова А.В., Лясников В.Н. Внутрикостные имплантаты в
стоматологии / А.В. Лясникова, В.Н. Лясников. - Саратов: электронное
научное
издание.
-
ФГУП
НТЦ
«Информрегистр»,
Депозитарий
электронных изданий, 2013. - 759с. (Регистрационное свидетельство
№0321303181).
153
25-26 сентября 2013, Саратов
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ФАСОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ
ПЕРСПЕКТИВНОГО СПОСОБА ЛОБОВОГО ШЛИФОВАНИЯ
О.П. Решетникова, А.С. Носков
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.В. Королев
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А.
Надежность продукции машиностроения, автомобильной и другой
техники в значительной степени зависит от качества механической
обработки деталей. Узлы вращения машин являются самыми сложными и
ответственными, что обуславливает особое внимание к качеству их
изготовления. К таким изделиям в первую очередь относятся подшипники
и подшипниковые узлы.
Как известно, наиболее распространенным методом окончательной
обработки дорожек качения подшипников является шлифование.
Наибольшую сложность представляет собой шлифование торцевых
фасонных
поверхностей.
Обычно
такие
поверхности
шлифуются
периферией шлифовального круга дисковой формы [1]. Для получения
требуемой точности шлифование этих поверхностей осуществляется
кругом малого диаметра, что приводит к повышенному его износу,
необходимости правки после каждой обработанной детали и к частой
замене шлифовального круга. Это резко снижает производительность
обработки.
На кафедре «Технология машиностроения» СГТУ имени Гагарина
Ю.А.
разработан
перспективный
154
способ
шлифования
фасонных
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
поверхностей типа дорожек качения колец упорных подшипников торцом
чашечного шлифовального круга (патент № 2482952) [2, 3].
Сущность способа можно отразить в следующей схеме (рис.1). Ось
вращения кольца упорного подшипника 4 устанавливают под острым
углом α
к направлению подачи шлифовального круга 1, а ось
шлифовального круга 1 устанавливают вдоль направления подачи S круга.
Шлифовальный круг подвергают правке, в результате которой придают его
рабочей поверхности тороидальную форму профиля 3, которая является
зеркальным отражением формы профиля, которую требуется получить на
обрабатываемой поверхности детали.
Рис. 1. Схема лобового шлифования дорожек качения колец упорных подшипников
В процессе шлифования деталь 4 и шлифовальный круг 1 вращают в
противоположных
шлифовального
направлениях,
круга
к
осуществляют
обрабатываемой
быстрый
поверхности,
подвод
а
затем
осуществляют врезание рабочей поверхности круга в поверхность детали с
рабочей подачей S , обеспечивающей заданный размер. После достижения
заданного размера детали шлифовальный круг отводят в исходное
положение.
155
25-26 сентября 2013, Саратов
Угол α устанавливают таким образом, чтобы каждая режущая
кромка абразивного инструмента в процессе вращения шлифовального
круга периодически входила и выходила из контакта с обрабатываемой
поверхностью 2 детали 4. Это обеспечивает очистку рабочей поверхности
инструмента от стружки, способствует отводу тепла из зоны обработки и
повышению производительности обработки.
Так как ось вращения шлифовального круга установлена в
направлении подачи, то износ круга не влияет на диаметр шлифуемой
поверхности,
что
обеспечивает
возможность осуществления
высокую
точность
обработки
и
правки шлифовального круга после
обработки нескольких деталей.
Ось шлифовального круга устанавливалась вдоль направления его
подачи, а обрабатываемая деталь закреплялась в патрон бабки изделия под
углом α = 5-8 0 градусов к этому направлению. Выбор такого диапазона
угла разворота оси детали обеспечивает, с одной стороны, хорошую
очистку шлифовального круга от стружки и шлама, а с другой стороны,
обеспечивает высокую точность формирования тороидального профиля
детали, идентичную форме профиля рабочей поверхности шлифовального
круга.
По сравнению с дисковым шлифовальным кругом чашечный круг
имеет значительно больший размер рабочей поверхности, в результате
чего снижается его износ и появляется возможность правки круга после
обработки нескольких деталей. Шлифовальный круг работает длительное
время без замены.
В
ходе
проведения
экспериментальных
исследований
была
подтверждена эффективность применения данного способа, а так же
получены математические модели, устанавливающие связь получаемых
геометрических параметров с режимами обработки. В качестве объекта
исследований использовались кольца подшипников 1118-2902840-04.
156
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Подшипник предназначен для восприятия радиальных и осевых нагрузок в
верхней опоре стойки передней подвески автомобилей семейства ВАЗ,
моделей «Калина», «Приора» и «Гранта».
С целью проведения экспериментальных исследований процесса
шлифования
дорожек
качения
упорных
подшипников
был
модернизирован станок модели ТПК-125М.
В
качестве
шлифовального
круга
использовался
шашечный
шлифовальный круг размером 82х72х20 мм на керамической связке
24А60М3К7. Обработку осуществляли за один рабочий ход. Фактически
удаленный слой материала (припуск) составил 0,2 мм. Шлифование
ведется с применением смазочно-охлаждающей жидкости 3% раствор НГЛ
205 в воде.
Для получения математической модели процесса шлифования
дорожек качения упорных подшипников использовали метод полного
факторного эксперимента 2 4 .
Регулируемыми количественными факторами являлись подача
шлифовального круга S, время выхаживания шлифовального круга t,
частота вращения заготовки n при обработке колец подшипников и
окружная скорость шлифовального круга v.
За параметры оптимизации приняли радиус дорожки качения R и
толщину колец подшипников по дну канавки h и момент сопротивлению
вращению М.
В результате обработки экспериментальных исследований были
получены следующие математические модели:
R = 2,46 ⋅ S −0, 015 ⋅ v 0,022 ⋅ t −0, 057
(1)
M = 18,28 ⋅ S 0,568 ⋅ v −0, 234 ⋅ t 0,107 ⋅ n −0, 24
(2)
h = 3,353 ⋅ S 0, 013⋅ln( n ) −0, 04 ⋅ v −0, 016⋅ln( S )−0, 012 ⋅ t 0, 003+0,005⋅ln( S ) ⋅ n 0,015
На
основании
проведенных
следующие выводы:
157
исследований,
можно
(3)
сделать
25-26 сентября 2013, Саратов
1. Разработан новый перспективный способ шлифования дорожек
качения упорных подшипников.
2. Спроектирована специальная экспериментальная установка для
шлифования дорожек качения колец подшипников.
3. Разработана методика полного факторного эксперимента 2 4 ,
позволяющего провести исследования на двух уровнях исследуемых
факторов и тем самым снизить трудоемкость экспериментальных
исследований, а так же выявить влияние каждого из исследуемых
факторов.
4. Статистическая обработка результатов исследований
возможность
выявить
искомые
математические
обеспечила
зависимости.
Математические модели адекватны с 95% вероятностью.
Литература
1. Королев, А.В. Теоретико-вероятностные основы абразивной
обработки: в 3 ч. Ч2: Взаимодействие инструмента и заготовки при
абразивной обработке/ А.В. Королев, Ю.К. Новоселов; под ред. С.Г.
Редько. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1987. 154 с.
2. Исследование влияния режимов шлифования на геометрические
параметры колец упорных подшипников / О. П.Решетникова, А.В.
Королев,
А.Г.
Мирошкин,
М.М. Журавлев
//
Вестник
Донского
государственного технического университета. 2012. №5 (66). С. 56-61.
3. Решетникова, О.П. Экспериментальные исследования способа
торцового шлифования дорожек качения колец упорных подшипников /
О.П. Решетникова // Вестник Саратовского государственного технического
университета. 2011. №3 (58). С. 125-129.
158
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРУКТУРЫ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ
В СЕТЧАТЫХ ПОЛИМЕРАХ
А.В.Косарев, В.Н. Студенцов, Д.О. Коваленко
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Густосшитые полимеры сегодня находят широкое применение во
многих отраслях промышленности: медицине и фармакологии, пищевой и
химической технологии, строительстве, приборо- и автомобилестроении, в
легкой
промышленности
при
изготовлении
товаров
широкого
потребления. Увеличивающийся ежегодно объем применения полимерных
материалов обусловлен, с одной стороны высокой функциональностью
этих материалов и легкостью переработки в товары промышленного
назначения, а с другой – более низкими экономическими затратами на их
производство и технологическую переработку в товары по сравнению с
другими материалами, применяемыми в данных отраслях (металлы,
минеральные строительные материалы и др.). Между тем, спектр
экологических проблем, связанных с производством, переработкой,
эксплуатацией и утилизацией данных компонентов достаточно широк.
Основные экологические проблемы эксплуатации полимерных объектов
сводятся к образованию токсичных компонентов в результате их
химической и механической деструкции. Густосшитые полимеры являются
неплавкими и нерастворимыми материалами, что сильно сокращает
возможности их вторичной переработки. Практически единственным
возможным способом вторичной переработки таких полимеров является
их
диспергирование
путем
механического
измельчения.
Низкая
подвижность макромолекул и образование пространственной сетки
159
25-26 сентября 2013, Саратов
значительно снижает реакционную активность таких систем [1]. Поэтому
основным фактором токсичности полимерных материалов являются
процессы их термо- и фотодеструкции, а также их механическая
деформация под действием внешних нагрузок. При этом происходит
изменение структуры полимера и происходят деполимеризационные
процессы, в ходе которых образуются низкомолекулярные компоненты,
обладающие
высокими
токсичными
свойствами
–мономеры
и
олигомерные компоненты. Кроме того, в результате миграционных
процессов
в
модификаторы,
окружающую
среду
попадают
стабилизаторы,
красители
и
др.
пластификаторы,
[2].
На
химизм
образования экотоксикантов оказывают влияние также условия протекания
процесса (температура, давление), среда (кислотность, влажность и др.) и
способ переработки (действие окислителей, сжигание и др.). Также
влияние оказывают процессы механической деформации структуры
полимера в полях напряжений. Также в [2] отмечается, что токсичными
свойствами могут обладать не только продукты, мигрирующие из
полимера, но и сам полимерный материал, в тех случаях, когда он имеет
сообщение с организмом либо с пищевыми продуктами. В таком случае
для оценки экологичности полимерных материалов применяются физикогигиенические методы [2], реализация которых требует знания изменения
структуры материала в результате его эксплуатации. Поэтому является
актуальной задача оценки влияния структуры густосшитого полимера на
его экологические свойства, применяя деформационно-механический
подход. Следует отметить, что ключевой является закономерность: чем
легче густосшитый полимер подвергается упругой деформации, тем выше
его
способность
экологичность.
к
Кроме
деполимеризационным
того,
чем
выше
процессам
и
функциональность
ниже
узла
густосшитого полимера, тем ниже его способность к деформации и выше
экологичность. Вместе с тем следует отметить, что на деформационную
160
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
активность влияет способ упаковки межузловых полимерных цепей.
Степень подвижности межузловых участков цепи влияет на интенсивность
миграционных процессов с участием остаточных молекул мономеров и
олигомеров, а также на их распределение в объеме полимерного образца. С
одной стороны повышение молекулярной массы и энтропии конфигурации
межузловых цепей свидетельствуют о невысокой степени трехмерной
упорядоченности полимера и формировании эластомерной структуры, а с
другой- о повышении содержания остаточного мономера в нем, которое
обусловлено понижением его свободной энергии Гиббса по сравнению с
таковыми, находящимися в густосшитой структуре полимера. В этом
плане информативными являются данные по оценке энтропий структуры и
деформации, которые являются мерой упаковки полимерных цепей в
ячейке. При этом данные о конфигурации межузловых цепей позволяют
проводить
оценку
диффузионной
способности
мономерных
и
олигомерных молекул из полимерного образца. Таким образом, упругомеханические характеристики, такие как напряжение, модуль упругости,
работа деформации, а также термодинамические данные об энтропии,
задающей
статистику
информацию
об
конфигурации
экологичности
полимерной
полимера.
Также
системы,
несут
деформационно-
механическое моделирование в сочетании с термодинамическим подходом
предоставляет информацию о влиянии имеющихся низкомолекулярных и
олигомерных
примесей
в
сетчатой
структуре
полимера
на
его
экологические свойства. Актуальной задачей является определение
взаимосвязи вязкостных свойств полимера и концентрации остаточного
мономера и олигомеров в нем.
Химический потенциал остаточного мономера, включенных в
полимерную
систему,
определяется
не
только
конфигурацией
их
микроокружения, но и кинетика отверждения исходной олигомерной
системы.
Это
обусловлено
присутствием
161
в
системе
соединений-
25-26 сентября 2013, Саратов
отвердителей,
которые
обладают
токсичностью
(алифатические
и
ароматические первичные и вторичные амины, алифатические полиамиды,
ангидриды, в состав которых, как правило, входят эпокси-группы) [2].
Токсичность мономеров и олигомеров, мигрирующих из полимерной
системы,
определяется
наличием
сопряженных
углерод-углеродных
связей, центров формирования радикалов, ароматических фрагментов,
полициклических
и
гетероатомных
структур,
а
также
ряда
функциональных группировок. Также на токсичность оказывает влияние
расположение данных молекулярных групп в молекулах. Кроме того, если
отверждение осуществляется по механизму инициирования отверждения,
то дополнительно в систему водятся соединения инициаторы (например,
перекись
метилэтилкетона),
ускоритель
и
соускоритель
распада
инициатора (например, нафтенат кобальта),если же процесс протекает с
участием катализатора, то в системе могут присутствовать соединения
олова, титана, свинца, железа, а также аммиак, а также фенолы, спирты,
альдегиды. кетоны [2]. Катализаторы остаются в трехмерной структуре
густосшитого полимера и оказывают влияние на его свойства [2]. Наличие
данных
соединений
обусловливает
канцерогенную
и
мутагенную
активность как исходной, так и отвержденной олигомерной смолы.
Экологический
окружающую
среду
риск
воздействия
является
сетчатых
функцией
полимеров
химических
на
потенциалов
остаточного мономера и олигомеров, катализаторов, инициаторов, а также
упруго-деформационных параметров полимера.
Высокую роль в отношении экологичности густосшитых полимеров
несет влажность. Ее роль проявляется с одной стороны на стадии синтеза
сетчатого полимера из олигомерной смолы, а с ругой – на стадии
эксплуатации. В первом случае влага, содержащаяся в отверждаемом
субстрате аккумулируется в структуре полимера и удерживается в нем за
счет эффекта гидратации полярных групп полимера. Второй случай
162
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
реализуется при длительной эксплуатации полимерной системы в
условиях действия влажной атмосферы или при контакте с водой. При
этом первоначально вода адсорбируется в поверхностном слое полимера,
после чего происходит ее диффузия в трехмерную структуру полимера и
гидратация
полярных
групп
полимера.
Это
вызывает
ослабление
молекулярного взаимодействия в полимере и увеличивает подвижность его
молекул [3]. Это приводит к снижению упруго-деформационных свойств
полимера, а именно: прочности при разрыве, предела текучести, модуля
упругости при нагрузке и др. [3]. Это приводит к деструкции сетчатой
структуры полимера и выделению продуктов ее распада в окружающую
среду. Контроль влажности сетчатого полимера задается на стадии анализа
свойств исходной олигомерной смолы. Экологичность полимера также
определяется его устойчивостью к действию кислот и щелочей.
Взаимодействие полимера с этими соединениями приводит к разрушению
его трехмерной структуры и приводит к миграции продуктов деструкции в
окружающую
среду.
Эта
характеристика
зависит
от
наличия
функциональных групп в молекулах полимера, активных в отношении
указанных компонентов и возрастает при увеличении степени сшивки
полимера. Также следует отметить, что повышение степени сшивания
полимера увеличивает его устойчивость в отношении органических
растворителей, что также снижает поступление в окружающую среду
мономеров и олигомеров.
Важным
критерием
экологичности
полимера
является
его
атмосферное старение, которое может быть количественно определено как
время, в течение которого наступает необратимое изменение свойств
полимера под действием факторов внешней среды, таких как температура
окружающего воздуха, кислород, его влажность, воздействие солнечного
света без существенного изменения структуры, упруго-деформационных,
теплотехнических, электрических и других свойств [2]. При этом
163
25-26 сентября 2013, Саратов
происходит
процессы,
испарение
результатом
пластификаторов,
которых
включаются
становится
химические
понижение
упруго-
деформационных характеристик материала, в частности возникновение
предельных поперечных деформаций в условиях действия продольной
нагрузки, что завершается растрескиванием полимера. Кроме того примеси
инициаторов и катализаторов полимеризации, содержащихся в материале,
обусловливают возникновение фотохимических процессов деструкции,
поставляющих в окружающую среду токсичные продукты окисления.
Следует отметить, что старение полимера является свойством, значительно
зависящим от условий окружающей среды, а именно: вышеупомянутых
климатических факторов, а также времени года, освещенности территории
и др. [2].
Мерой упруго-деформационных свойств
материала, отражающих
его экологичность, является усталостная прочность материала, т.е.
напряжение, при котором происходит усталостное разрушение полимера
после действия определенного числа циклов нагрузки [3]. В зависимости
от вида прилагаемой нагрузки различают деформацию изгиба, растяжения,
сжатия и др., в каждом из них происходит изменение структуры
полимерной системы. Этот показатель, тесно связанный с экологичностью
полимера увеличивается с повышением таких факторов молекулярной
структуры, как средняя молекулярная масса и плотность полимера [3].
Кроме того, существенным фактором является густота сшивки, увеличение
которой снижает вероятность растрескивания полимера. Кроме того, к
факторам структуры, влияющим на экологичность полимерной системы,
следует отнести уменьшение числа концов в структуре полимера, так как
свободные объемы между концами соседних цепей могут служить местами
формирования
трещин
[3].
Важным
эколого-эксплуатационным
параметром полимера является разность между энергиями химических
связей в цепях полимера и деформации. Чем выше эта разность, тем ниже
164
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
число актов деструкции полимера в условиях приложенной нагрузки и тем
ниже количество продуктов деструкции, попадающих в окружающую
среду. Важную роль в экологическом отношении несут дефекты
переработки полимера, такие как углубления, надрезы, структура
поверхности,
нарушение
целостности
материала,
поскольку
они
концентрируют напряжения и являются вероятными центрами разрушения
структуры полимера, что приводит к вышеотмеченным последствиям [3].
Экологические свойства густосшитых полимеров являются, таким
образом, функцией параметров синтеза (температуры, давления, наличия
катализаторов, инициаторов), параметров переработки (содержания и
структуры пластификаторов), а с другой стороны, зависят от факторов
внешней
среды.
К
упруго-деформационным
и
физико-химическим
характеристикам, определяющим экологичность полимера, относятся
усталостная прочность материала, атмосферное старение, влажность,
прочность при разрыве, предела текучести. Они, в свою очередь зависят от
молекулярных параметров системы, а именно: молекулярной массы и
конфигурации межузловых цепей, плотности, густоты сшивки, количества
свободных концов полимерных молекул, адсорбционной способности
поверхности материала, а также от параметров структуры мономеров и
олигомеров.
Литература
1. Полимерные соединения и их применение: Учебное пособие / Л.А.
Максанова, О.Ж. Аюрова.- Улан-Уде: изд-во ВСГТУ.-2005 г.
2.Энциклопедия Полимеров. в 3 т. /Ред. коллегия: В.А. Кабанов
(глав. ред.) и др. Т.2. Л-П. М.: Советская энциклопедия, 1974.-1032 с; Т.3.
П-Я. 1977.-1152 с.
3. Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Выбор пластмасс для изготовления
и эксплуатации изделий: Справ. изд. Л.: Химия, 1987.-416 с.
165
25-26 сентября 2013, Саратов
АПРОБАЦИЯ НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА ИЗ НАНОВОЛОКОН
ХИТОЗАНА С ВКЛЮЧЕНИЕМ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРА
«ФОТОСЕНС» В УСЛОВИЯХ IN VITRO
И.В. Видяшева*, А.Н. Северюхина
Саратовский государственный университет
имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов
*
ФГБУ «СарНИИТО» Минздравсоцразвития России, г. Саратов
Ведущей локализацией в общей (оба пола) структуре заболеваемости
злокачественными новообразованиями населения России является кожа
(12,6%, из них с меланомой – 14,0%). Новообразования кожи весьма
разнообразны, что объясняется сложным строением кожи, большим
числом её структурных компонентов, каждый из которых может служить
источником опухоли.
Чаще всего для лечения больных применяется хирургическое
вмешательство — иссечение опухоли, криодеструкция (удаление при
воздействии низкой температуры) или электрокоагуляция (удаление при
воздействии тока) опухоли. Также может применяться лучевая терапия,
главным образом в случаях, когда невозможно удалить опухоль
хирургическим иссечением из-за её расположения (в углу глаза, на носу и
т.д.).
Альтернативным методом лечения является фотодинамическая
терапия (ФДТ). Данный метод незаменима в тех случаях, когда опухоль
расположена в "неудобных" местах: на губе, в полости рта, на веке, на
ушных раковинах. Хирургическая операция в таких случаях ведет к
серьезным косметическим дефектам и функциональным ограничениям [1].
166
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ФДТ – неинвазивный двухкомпонентный метод, составляющими
которого являются низкоинтенсивное лазерное излучение и фотоактивное
вещество-фотосенсибилизатор. При взаимодействии фотосенсибилизатора
со светом определенной длины волны происходит химическая реакция,
результатом которой является интенсивное выделение синглетного
кислорода и образование других активных форм кислорода в ходе цепной
реакции,
что
повреждению
создает
и
фототоксический
гибели
клеток,
эффект,
накопивших
приводящий
к
фотосенсибилизатор.
Сенсибилизатор вводится в организм чаще всего внутривенно, но может
применяться аппликационно или перорально. Вещества для ФДТ обладают
свойством избирательного накопления в опухоли или иных целевых тканях
(клетках). В качестве источника света в настоящее время используются
лазерные
установки,
светодиоды
позволяющие
излучать
свет
определённой длины волны.
ФДТ также приводит к нарушению питания и гибели опухоли за счёт
повреждения её микрососудов [2].
В настоящей работе проводиться изучение фотодинамических
свойств отечественного препарата «Фотосенс», включенного в структуру
нетканого материала из нановолокон хитозана, полученного методом
электроформования.
«Фотосенс» представляет собой смесь натриевых
солей сульфированного фталоцианина алюминия. В спектре поглощения
этого фотосенсибилизатора наиболее интенсивная полоса находится в
красной области спектра с максимумом в области 678 ± 2 нм.
Целью
нашего
исследования
была
оценка
эффективности
воздействия фотосенсибилизатора на культуры клеток, с дальнейшим
использованием в противоопухолевой терапии.
В первой части эксперимента дермальные фибробласты человека
культивировались в течение недели на исследуемом полотне. Для
подтверждения адгезии клеток производили окрашивание Акридином
167
25-26 сентября 2013, Саратов
Оранжевым (окрашивание по стандартным методикам). При детальном
рассмотрении образца во флуоресцентном микроскопе с использованием
светофильтра в синей области спектре наблюдалось ярко-зеленое свечение
клеток.
Во второй части эксперимента полотно облучалось светодиодом
АФС (аппарат фототерапевтический светодиодный) в течение 30 минут в
локальную область. Тем самым вызывая фотодинамический эффект в
последствии приводящий к гибели клеток.
Для подтверждения гибели облучаемых клеток использовали
Пропидий-Йодид (окрашивание по стандартной методике). В результате
вокруг места облучения АФС наблюдали фибробласты с оранжевым
свечением ядра. Количество окрашенных таким образом фибробластов
уменьшалось по мере удаления от центра облучения. Наличие такого
свечения свидетельствует о начальных этапах гибели клеток.
Результаты
настоящего
исследования
подтвердили,
что
культивируемые дермальные фибробласты человека являются удобной и
адекватной моделью для изучения различных аспектов фотодинамического
воздействия
на
чувствительность
клетки.
этих
Такая
клеток
к
модель
позволяет
компонентам
оценивать
фотодинамического
воздействия (фотосенсибилизаторы и облучение), позволяет определять
параметры лазерного облучения.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в
рамках научного проекта № 12-03-33088 мол_а_вед.
Литература
1.
E. Glassberg, L. Lewandowski, G. Lask, J. Uitto Laser-induced
photodynamic therapy with aluminium phthalocyanine tetrasulfonate as the
photosensitizer: differential phototoxicity in normal and malignant human cells
168
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
in vitro // The Journal of Investigative Dermatology 022-202X/90/S03.50 (1990)
604-610
2.
Maria C. DeRosa, Robert J. Crutchley
Photosensitized singlet
oxygen and its applications // Coordination Chemistry Reviews 233 /234 (2002)
351 -371
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ СЕТЧАТЫХ ПОЛИМЕРОВ
НА ИХ УПРУГО-ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
А.В. Косарев, В.Н. Студенцов, Д.О. Коваленко
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Проблема экологичности полимерных материалов в настоящее время
является все более актуальной. Причиной тому является расширение
сферы применения полимерных материалов в различных отраслях
промышленности, таких как медицина и фармакология, пищевая и
химическая технологии, строительство, приборо- и автомобилестроение.
Основные проблемы эксплуатации полимерных объектов сводятся к
образованию токсичных компонентов в результате их химической и
механической деструкции. Настоящая работа посвящена моделированию
влияния
молекулярной
экологические
свойства
структуры
в
густосшитого
результате
Рассмотрим ячейку густосшитого полимера.
169
полимера
деформационных
на
их
процессов.
25-26 сентября 2013, Саратов
а
б
Рис.1. Структура густосшитого полимера:
а – полимерная сетка; б - ячейка густосшитого полимера
Объем, занимаемый межузловыми цепями в полимерной ячейке,
может быть определен как объем тора (рис .1 а, б):
,
где L – внешний диметр тора; a – ширина полости тора.
(1)
Внешний диаметр тора равен межузловому расстоянию, при этом
величина a определяется так:
где ymax
,
(2)
– максимальный прогиб межузловой цепи [1], φ – угол прогиба
межузловой цепи.
Подставляя (2) в (1) получаем:
(3)
Объем ячейки Vяч определяется следующим образом:
(4)
Вероятность P конформации межузлового участка цепи задается
следующим образом:
(5)
Для системы в недеформированном состоянии получаем:
(6)
170
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Дифференцируя соотношение (6) по φ, получаем:
Отсюда выражение для плотности вероятности p0
(7)
может быть
записано следующим образом:
(8)
Энтропия недеформированной ячейки в соответствии с классической
теорией Больцмана задается так:
(9)
Пусть деформация ячейки вдоль определенного направления
характеризуется кратностью λ увеличения межузлового
расстояния.
Концентрация n межузловых цепей в ячейке изменяется в результате
деформации по соотношению:
(10)
где n0 и n(λ) –концентрация межузловых цепей в недеформируемой ячейке
и при кратности деформации λ соответственно. Коэффициент α
для
углеводородной молекулы можно определить так:
,
(11)
где nol – число метиленовых звеньев в углеводородном радикале, Vсн2 –
объем метиленового радикала.
Подставляя (3) в (11) получаем:
(12)
Тогда плотность вероятности p(λ) конформации деформированной
полимерной ячейки задается уравнением:
(13)
Тогда энтропия s(λ) одной полимерной ячейки в деформированном
состоянии составит:
(14)
Выражение (14) с учетом (13):
(15)
171
25-26 сентября 2013, Саратов
Подставляя (12) в (15), получаем:
(16)
Тогда выражение для энтропии деформации ячейки имеет вид:
(17)
Подставляя (16) в (17), получаем:
(18)
Изменение энтропии ∆S(λ) в образце густосшитого полимера с
концентрацией ячеек С (моль/м3) в результате деформирования, может
быть определено так:
,
(19)
где NA – число Авогадро.
С учетом соотношений (8), (16) и (17) выражение (19) может быть
представлено следующим образом:
(20)
Пренебрегая вкладом изменения внутренней энергии в изохорноизобарном процессе, работу деформации можно определить так:
(21)
Подставляя (20) в (21) получим:
(22)
Напряжение, как известно является производной работы деформации
по λ:
(23)
C учетом (22) величина напряжения σ определяется так:
(24)
Таким образом, напряжение деформируемой полимерной системы
пропорционально числу
участке
межузловой
nol
цепи
повторяющихся метиленовых звеньев в
в
элементарной
ячейке
и
обратно
пропорционально величине межузлового расстояния L и квадрату
172
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
максимального прогиба межузлового участка цепи. Отсюда видно, что
наиболее сильно влияющим фактором среди рассмотренных является
величина прогиба межузловых цепей, то есть их подвижность. Таким
образом, модуль упругости Eсдв определяется соотношением:
(25)
Сравнивая соотношение (25) с известным соотношением [2]
,
где nc – молярная концентрация межузловых цепей, находим:
(26)
(27)
Таким образом, данная работа устанавливает взаимосвязь между
концентрацией межузловых цепей и параметрами элементарной ячейки.
Полученные результаты актуальны при решении широкого круга задач
промышленной
экологии,
связанных
с
эксплуатацией,
вторичной
переработкой полимерных материалов, а также конверсией в окружающей
среде.
Литература
1.
Косарев А.В., Студенцов В.Н. Статистическая термодинамика
деформации сетчатого полимера // Пластические массы.-2009, №2.-С.4042.
2.
Гуль В.Е. Структура и механические свойства полимеров //
В.Е. Гуль, В.Н. Кулезнев. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Высшая школа,
1972. – 320 c.
173
25-26 сентября 2013, Саратов
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ПОЛЯ СВЕРВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ И УДЕЛЬНОЙ
ПОГЛОЩЕННОЙ МОЩНОСТИ В ОБРАЗЦЕ МАГНИТНОЙ
ЖИДКОСТИ
С.C. Милкин
Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор С.Б. Вениг
Саратовский государственный университет
имени Чернышевского Н.Г., г. Саратов
Для описания электрофизических параметров гетерогенных систем
существует
целый
ряд
моделей,
построенных
на
различных
предположениях. Общим для всех них является то, что такая система
рассматривается
в
качестве
матрицы
основного
вещества
с
расположенными в ней включениями одного или нескольких типов.
Свойства такой системы напрямую зависят от объемного содержания
включений.
Использование наночастиц магнетита в качестве наполнителя,
повышающего поглощательные свойства веществ, при их взаимодействии
с СВЧ-излучением, требует определения оптимальных концентраций
наночастиц.
Эффективность
электромагнитного
нагрева
должна
повышаться с ростом концентрации [1-3]. При этом для гетерогенной
системы существует придельная концентрация, при которой система
кардинальным образом меняет свои свойства. Это происходит тогда, когда
хаотично расположенные частицы становятся способны образовать один
непрерывный кластер, вызывая резкий скачок проводимости [4].
Для проведения моделирования распределения поля в гетерогенной
системе (наночастицы магнетита, диспергированные в керосине и
174
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
стабилизированные олеиновой кислотой) в зависимости от объемной
фракции частиц при взаимодействии ее с СВЧ-излучением необходимо
наличие
известных
параметров
диэлектрической
проницаемости
и
проводимости. При этом система рассматривается как двухкомпонентная,
с учетом того, что олеиновая кислота, используемая в качестве
стабилизатора, близка по своим диэлектрическим свойствам к веществу
матрицы – керосину. В качестве среды моделирования использовалась
пробная версия программного обеспечения HFSS фирмы Ansoft.
Требуемые
параметры
можно
рассчитать,
используя
модели
Максвелла-Гарнетта-Силларса [5,6] для диэлектрической проницаемости и
Бруггемана [4] для проводимости. Модель Максвелла-Гарнетта-Силларса
эффективной диэлектрической проницаемости гетерогенной среды в ее
модифицированном виде, пригодном для использования в случае высоких
концентраций включений и учитывающим наличие взаимодействия между
частицами, описывается выражением:
ε = ε м 1 +
3φK n
,
1 − φK n (1 + M )
где ε – эффективная диэлектрическая проницаемость гетерогенной среды,
εч
и
εм
–
диэлектрическая
проницаемость
частиц
и
матрицы
соответственно, φ – объемная концентрация частиц,
Kn =
εч − εм
εч + ε м
1+ n
n
,
M = b1 K 5φ 11 / 3 + c1K 7φ 5 − aφ 7/3 ×
1 + c 2 K 5φ 11 / 3 + c 3 K 52φ 22 / 3
,
K 3-1 + b 2φ 7 / 3 + c 4 K 5φ 6
числовые константы a = 1,3045, b1 = 0,01479, b2 = 0,4054, c1 = 0,1259, c3 =
0,06993. Данное выражение позволяет получить значение эффективной
диэлектрической
проницаемости
гетерогенной
системы,
используя
диэлектрические проницаемости ее составных частей, а также объемную
концентрацию включений, и справедливо до концентраций включений
порядка 45%.
175
25-26 сентября 2013, Саратов
Эффективную проводимость системы можно получить из модели
Бруггемана, описываемой выражением:
σ=
1
(3 p − 1)σ 1 + (2 − 3 p )σ 2 +
4
[(3 p − 1)σ 1 + (2 − 3 p )σ 2 ]2 + 8σ 1σ 2 ,
где σ1 – проводимость хорошо проводящих включений (наночастиц), σ2 –
проводимость плохо проводящей матрицы (керосина).
В случае сильной неоднородности, когда σ1 » σ2,
в случайно
неоднородной среде происходит перколяционный переход: вблизи порога
протекания, то есть, такой концентрации, при которой в системе впервые
образуется связный путь по хорошо проводящей фазе (бесконечный
кластер),
наблюдается
резкое
изменение
поведения
эффективной
проводимости. Приближение самосогласованного поля Бруггемана хорошо
описывает практически весь диапазон концентраций, давая прекрасное
совпадение с численным счетом на сетках, везде, кроме узкой области
вблизи порога протекания.
Используя две приведенные модели, а также характеристики
исследуемой гетерогенной системы (диэлектрическая проницаемость
керосина – 2,5, наночастиц магнетита – 10, проводимость керосина – 300
пОм-1·м-1, наночастиц магнетита – 2×104 Ом-1·м-1) были получены
концентрационные
диэлектрической
зависимости
проницаемости
эффективных
и
проводимости.
параметров
Также
было
использовано предположение о неизменности значений диэлектрической
проницаемости и проводимости в интересующем диапазоне частот от 300
КГц до 3 ГГц.
В области концентрации включений порядка 30% наблюдается
качественное изменение свойств гетерогенной системы, вызванное резким
изменением ее проводимости. Для проведения моделирования был выбран
ряд
значений
рассчитанной
диэлектрической
проницаемости
и
проводимости системы, соответствующие различным концентрациям
включений. Значения выбирались таким образом, чтобы наглядно
176
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
пронаблюдать изменение распределение электромагнитного поля в
образце, связанное с качественным изменением свойств гетерогенной
системы. Значения, используемые для моделирования, приведены в
таблице 1.
Таблица 1
Значения диэлектрической проницаемости и проводимости при различных
значениях объемной концентрации включений
Объемная концентрация
Диэлектрическая
Проводимость,
включений
проницаемость
Ом-1·м-1
0
2,5000
3×10-10
0,05
2,7253
3,52×10-10
0,15
3,2185
5,45×10-10
0,3333
4,2863
2,99×10-6
0,3334
4,2869
2
0,33367
4,2886
10
0,334
4,2907
20
0,4
4,7260
2000
Также
было
проведено
моделирование
величины
удельной
мощности поглощения в диэлектрическом теле для гетерогенной системы
в зависимости от концентрации хорошо проводящих включений. По
определению,
величина
удельной мощности, поглощаемой в объеме
пространства равна:
σE
SAR =
ρ
2
[Вт/кг],
где σ - проводимость материала, См/м, Е – напряженность поля, В/м, ρ удельная плотность вещества, кг/м3. Моделируемая система при этом
представляет собой излучатель и замкнутый объем с исследуемым
веществом. Моделируемый эксперимент был максимально приближен к
действительности. Предположим, что исследуемый образец находится в
177
25-26 сентября 2013, Саратов
трубке из слабопоглощающего материала – фторопласта. Такая трубка
может
служить
частью
промышленной
установки
по
облучению
электромагнитным СВЧ излучением. В качестве облучающей системы
возьмем отрезок прямоугольного волновода, облучение будет проводиться
его открытым концом (размеры волновода 43,18 мм на 86,36 мм).
Внутренний диаметр трубки был выбран равным 40 мм, толщина стенок –
2 мм. Конфигурация моделируемой системы изображена на рисунке.
Облучение проводилось на частоте 2,45 ГГц. Модель трубки с
исследуемым веществом располагалась в максимуме электрического поля,
который был определен по промоделированному распределению в
отсутствии трубки, на расстоянии 35 мм от открытого конца волновода.
В качестве вещества, заполняющего трубку, были взяты керосин без
добавок
и
набор
магнитных
электрофизическими
жидкостей
параметрами,
на
основе
рассчитанными
керосина
с
относительно
концентрации включений. С ростом концентрации напряженность поля
внутри трубки уменьшается. На двумерном распределении поля в
плоскости (рис. 1), пересекающей трубку с образцом и волновод по узкой
стенке видно, что при небольших концентрациях включений поле
проходит через трубку, испытывая некоторое ослабление. При больших
концентрациях, близких к порогу протекания, поле испытывает эффект
вытеснения.
С
ростом
концентрации
хорошо
проводящих
включений
наблюдается увеличение поглощенной мощности. Это связано с тем, что
происходит значительно увеличение проводимости образца с ростом
концентрации включений. Одновременно с этим, при дальнейшем
увеличении концентрации происходит обратный процесс, и величина
поглощенной удельной мощности уменьшается. Это в свою очередь
связано с тем, что напряженность электрического поля в образце
уменьшается, так как поле испытывает вытеснение с ростом проводимости
178
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
образца, нивелируя ее рост. На двумерном распределении удельной
поглощенной мощности в плоскости (рис. 2), пересекающей волновод по
узкой стенке и трубку с образцом, видно, что при малой концентрации
включений поглощение идет в основном в стенках трубки, выполненных
из слабопоглощающего материала. С ростом концентрации все большая
мощность поглощается внутри объема трубки. При достижении порога
протекания электрическое поле испытывает эффект вытеснения, проникая
внутрь объема трубки на все меньшее расстояние, что наблюдается в
сокращении области поглощения СВЧ-энергии.
Рис.1. Распределение электрического поля в плоскости,
пересекающей трубку с образцом и волновод по узкой стенке:
а – при концентрации включений 5%, б – при концентрации включений 33,34%.
179
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 2. Поглощенная удельная мощность в зависимости от расстояния до образца:
а – при концентрации включений 5%, б – при концентрации включений 33,34%,
в – при концентрации 33,4%.
Вывод. В ходе работы проведено моделирование распределения
электромагнитного поля сверхвысокой частоты, а также удельной
поглощенной мощности излучения в образцах магнитных жидкостей с
различным объемным содержанием наночастиц. Продемонстрирован
эффект
вытеснения
поля
образцом
при
достижении
критической
концентрации наночастиц.
Литература
1. Hafeli U., Schutt W., Teller J., Zborowski M. Scientific and Clinical
Applications of Magnetic Carriers. Plenum, New York, 1997
2. Акчурин Га. Г., Акчурин Ге. Г., Горин Д. А., Портнов С. А. Патент
2382659 (РФ). Способ локального разрушения опухолей с помощью СВЧ
нагрева магнитных наночастиц. Опубл. в Б.И. , 2010. №6.
3. Kalinin Yu.A., Starodubov A.V., Moiseenko A.V. An experimental
investigation of influence of microwave radiation of on water-oil emulsions.
2010 20nd Int. Crimean Conf. “Microwave & Telecommunication Technology”
(CriMiCo’2010). Sevastopol, 2010, pp. 1093-1094.
180
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
4. Снарский А.А., Знал ли Максвелл о пороге протекания? (К
пятидесятилетию создания теории протекания), УФН 177, 2007.
5. Fannin P.C., Marin C.N., Malaescu I., Stefu N. Microwave dielectric
properities of magnetite colloidal particles in magnetic fluids, Journal of
Physics: Condensed Matter. 2007. V. 19. N. 3. P. 036104.
6. Hao T. Electrorheological fluids: the non-aqueous suspensions, Studies
In Interface Science, №22, 2005.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ
ГАЗОВЫМИ РАЗРЯДАМИ НА ПРОЧНОСТНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ
О.А. Дударева, И.П. Гришина, О.А .Маркелова,
В.А. Протасова, Н.В. Протасова, А.В. Лясникова
Научный руководитель: д.т.н., профессор В.М. Таран
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
На рис. 1 представлены зависимости прочности сцепления покрытия
от скорости перемещения плазмотрона при различной силе тока
активирующего дугового разряда низкого давления (материал образцов –
Мо, порошка – Ti). График 1 соответствует силе тока разряда 30 А,
графики 2 и 3 – соответственно 20 и 10 А. Режимы плазменного напыления
следующие: ток дуги плазмотрона 500 А, расход плазмообразующего газа
(аргона) – 2 м3/ч, давление газа в рабочей камере – 8 кПа, дистанция
напыления - 210 мм.
181
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 1. Зависимость прочности сцепления покрытия от скорости перемещения
плазмотрона при различной силе тока активирующего дугового разряда
Как видно из графиков, при токе активирующего дугового разряда
30 А
прочность
перемещения
сцепления
плазмотрона
практически
в
не
исследованном
зависит
от
диапазоне
скорости
изменения
скорости. При токах 20 и 10 А наблюдается иная закономерность
взаимосвязи прочности сцепления и скорости перемещения плазмотрона.
В
этих
случаях
увеличение
скорости
плазмотрона
приводит
к
существенному снижению прочности сцепления покрытия. Обсудим
приведенные на рис. 1 зависимости.
Теоретический анализ показал, что единичное катодное микропятно,
воздействуя на напыляемую поверхность, обеспечивает активацию участка
диаметром примерно 30 мкм. Очевидно, что при размере частицы,
попадающей в процессе напыления на активированный участок более 30
мкм, условия для химического взаимодействия будут обеспечены только
на части контакта. Так, при напылении порошка дисперсностью 40-70 мкм
благоприятные
условия
для
прочного
сцепления
частицы
будут
обеспечены на 43-75% контакта «частица – напыляемая поверхность».
182
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Расчеты показали, что катодное микропятно перемещается гораздо
медленнее поступления напыляемых частиц на поверхность. Таким
образом, единичное катодное микропятно недостаточно эффективно в
качестве источника локальной активации.
При возбуждении дугового разряда низкого давления одновременно
возникает, как правило, не единичное катодное микропятно, а целая серия.
Естественно,
что
с
увеличением
числа
микропятен
расширяется
активируемая зона на напыляемой поверхности. К сожалению, сведения о
корреляционной связи между количеством пятен и параметрами дугового
разряда низкого давления в настоящее время отсутствуют. Однако
расчетным путем можно определить величину силы тока активируемого
дугового
разряда,
которая
при
заданной
скорости
перемещения
плазмотрона обеспечит активацию зоны напыления покрытия. Допустим,
производится плазменное напыление покрытия на поверхность изделия из
молибдена.
Находим силу тока дугового разряда, необходимую для активации
напыляемой поверхности:
I=
πeνcρTT .a.l 2
2rU
=
3,14 ⋅ 2,72 ⋅ 0,1 ⋅ 0,257 ⋅ 10 ⋅ 700 ⋅ 0,52
.
2 ⋅ 0,8 ⋅ 30
При увеличении скорости перемещения плазмотрона до 0,2 и 1 см/с
сила тока активирующего разряда увеличится соответственно до 16 и 80 А.
Таким образом, активацию напыляемой поверхности дуговым
разрядом можно производить с использованием широкого диапазона
регулирования силы тока. Однако необходимо учитывать, что уменьшение
силы тока активируемого дугового разряда приводит к снижению
производительности процесса, а с увеличением силы тока дугового разряда
повышается средняя температура обрабатываемого изделия. Так, в наших
опытах, при активации образцов дуговым разрядом силой тока 90 А
183
25-26 сентября 2013, Саратов
средняя температура образцов находилась в пределах 500-6000 С, а при
активации разрядом силою тока 10 А не превышала 3000 С.
В табл. 1 приведены сравнительные данные прочности сцепления
покрытия
при
термической
активации
и
обработке
напыляемой
поверхности непрерывным и импульсным дуговым разрядом низкого
давления. Режимы плазменного напыления
следующие: дистанция
напыления – 210 мм, расход плазмообразующего газа 1,8…2 м3/ч, давление
газа в рабочей камере – 8 кПа, скорость перемещения плазмотрона – 1
см/с.
Режим активирующего дугового разряда: ток – 90 А, длительность
импульса тока – 0,02 с, частота повторения импульсов в секунду – 50.
Как видно из результатов, приведенных в табл. 1, для снижения
температуры нагрева обрабатываемого изделия в процессе напыления и
повышения прочности сцепления покрытия наиболее целесообразно
использовать импульсный дуговой разряд. Металлографический анализ
переходной зоны титанового покрытия и молибденового образца,
напыляемая поверхность которого обработана импульсным дуговым
разрядом силой тока 90 А (рис. 2), показывает, что покрытие имеет
хорошую адгезию, переходная зона практически отсутствует.
Таблица 1
Сравнительные данные прочности сцепления покрытия при различных
методах активации напыляемой поверхности, МПа
Материал
Ток дуги
Термическая
обрабатываемого плазмотрона, активация
изделия и
А
Активация
непрерывным импульсным
дуговым
порошка
Активация
разрядом
разрядом
Т0, С
184
σ
Т0, С
σ
Т0, С
σ
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Мо - Мо
700
700
70
500
71
300
70
Mo-Ni
400
700
70
500
70
300
70
Cu-Ti
600
600
60
520
68
360
65
Ni-Mo
700
700
81
500
60
300
78
Ni-Ti
600
700
70
500
72
300
70
Рис. 2. Металлографический шлиф; × 200
Активация импульсным дуговым разрядом может проводиться при
большом количестве сочетаний значений параметров газового разряда.
а
б
Рис. 3. Зависимость прочности сцепления покрытия от силы тока
импульсного дугового разряда (а) и от частоты импульсов тока(б)
Закономерности влияния параметров импульсного дугового разряда
на прочность сцепления покрытия приведены на рис. 3, а. Длительность
импульсов тока и пауз между ними выбиралась 0,02 с. Температура
185
25-26 сентября 2013, Саратов
нагрева образцов в процессе напыления не превышала 3000 С. На рис. 3, б
показана зависимость прочности сцепления покрытия от частоты
импульсов тока при тех же условиях.
Из графиков следует, что увеличение тока дугового разряда и
частоты повторения импульсов до определенного предела способствует
увеличению прочности сцепления покрытия.
Литература
1. Протасова Н.В., Гришина И.П., Таран В.М., Лясникова А.В.
Исследование влияния активации поверхности основы дуговым разрядом в
процессе
напыления
на
адгезионно-когезионные
характеристики
плазменного покрытия / Н.В. Протасова, И.П. Гришина, В.М. Таран, А.В.
Лясникова // Вестник СГТУ.2012.-№2 (66).-Вып.2-С.147-152.
2. Лясникова А.В. Проектирование электроплазменных технологий и
автоматизированного оборудования / С.М. Лисовский, В.М. Таран, А.В.
Лясникова. - М.: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана, 2005. - 256 с.
3.
Протасова
Н.В.
Технологическое
обеспечение
качества
плазменных покрытий на основе применения комбинированных физикотехнических методов активации поверхности / Н.В. Протасова, В.М.
Таран, А.В. Лясникова, О.А. Дударева, И.П. Гришина. - М.: Спецкнига,
2012. - 350 с.
186
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ИЗДЕЛИЯ МЕДИЦИНСКОЙ
ТЕХНИКИ НА ОСНОВЕ ТЕОРЕТИКО-МНОЖЕСТВЕННОГО
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
М.С. Фролова, С.В. Фролов
Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов
Для формулировки и решения многокритериальной задачи выбора
оптимальной модели ИМТ необходимо создать информационную модель
ИМТ на основе теоретико-множественного представления. Для этого
разработан алгоритм трансформации информационной модели ИМТ на
основе объектно-ориентированной декомпозиции в информационную
модель ИМТ на основе теоретико-множественного представления.
Информационная модель ИМТ на основе теоретико-множественного
представления записывается в виде множества:
MDk = { s k , Lk , N k , Ak , Bk , c k }, k = 1, K ,
(1)
где s k – параметр, определяющий наименование k-й модели вида ИМТ;
Lk –
множество параметров k-й модели вида ИМТ, принимающих
логические значения; N k – множество параметров k-й модели вида ИМТ,
принимающих целочисленные значения; Ak – множество параметров k-й
модели вида ИМТ, принимающих вещественные значения; Bk – множество
параметров k-й модели вида ИМТ, принимающих интервальные значения;
c k – вещественный параметр, определяющий стоимость k-й модели вида
ИМТ. Здесь k – номер модели вида ИМТ; K – количество моделей.
Множество Lk представляется в виде последовательности кортежей:
~
~
~
k ,
Lk = l1k , l1k , ..., l k , l k , ..., l Fk , l F
f
f
187
(2)
25-26 сентября 2013, Саратов
~
где l fk , l kf – кортеж, в котором для k-й модели вида ИМТ переменная
является именем f-го параметра; переменная
l kf
~k
lf
определяет значение f-го
параметра и принимает логическое значение «true», если параметр
~k
l f присутствует
в k-й модели вида ИМТ, «false» – если этот параметр
отсутствует.
Множество
Nk
представляется в виде последовательности кортежей:
k , xk ,
N k = n~1k , x1k , ..., n~gk , x gk , ..., n~G
G
(3)
где n~gk , x gk – кортеж, в котором для k-й модели вида ИМТ переменная n~gk
является именем g-го параметра; переменная x gk принимает целочисленное
значение, соответствующее g-му параметру k-й модели вида ИМТ 2
группы (множество N k ).
Множество
Ak
представляется в виде последовательности кортежей:
k , yk ,
A k = a~1k , y1k , ..., a~ k , y k , ..., a~H
H
h
h
(4)
где a~hk , y hk – кортеж, в котором для k-й модели вида ИМТ переменная
a~hk
является именем h-го параметра; переменная
yhk
принимает вещественное
значение, соответствующее h-му параметру k-й модели вида ИМТ 3
группы (множество Ak ).
Множество Bk представляет последовательность кортежей:
~
~
~
Bk = b1k , [ z ]1k , ..., b pk , [ z ] kp , ..., b Pk , [ z ] kP ,
(5)
где
~
b pk , [ z ] kp – кортеж, в котором для k-й модели вида ИМТ переменная
~
b pk
является именем p-го параметра; интервальная переменная [ z]kp
характеризуется
двумя
значениями:
z kp
и
z kp , соответственно
целочисленным или вещественным значением нижней границы параметра
188
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
[ z]kp , переменная [ z]kp принимает интервальное значение, соответствующее
p-му параметру k-й модели вида ИМТ 4 группы (множество Bk ).
Сформировав множество (1) путем присвоения переменным модели
конкретных значений, получим информационную модель (1) – (5) вида
ИМТ на основе теоретико-множественного представления.
Для формулирования задачи выбора оптимальной модели вида ИМТ
из множества возможных моделей, число которых равно K, необходимо
представить техническое задание на ИМТ. Предлагается построить в виде
информационной модели единый шаблон технического задания на ИМТ
для целей технического оснащения ЛПУ.
Информационную модель технического задания определенного вида
ИМТ будем представлять в виде множества:
{
}
T = LT , N T , AT , B T .
(6)
Здесь установлено соответствие между множествами k-й модели
вида ИМТ и техническим заданием. Множество Lk соответствует LT , N k
– N T , Ak – AT , Bk – B T , для всех k = 1, K , т.е. параметры k-й модели вида
ИМТ соответствуют параметрам технического задания.
Множество LT представляется в виде последовательности кортежей:
T , λL .
LT = l1T , λ1L , … , l T , λ L , … , l F
F
f
f
(7)
Логическая переменная l Tf определяет наличие f-го параметра в
техническом задании. Выполнение равенства l Tf = «true» означает, что f-й
параметр присутствует в техническом задании. Коэффициент
λf
характеризует в техническом задании степень необходимости наличия f-го
параметра в выбираемой модели рассматриваемого вида ИМТ, f = 1, F .
Условимся степень необходимости наличия f-го параметра определять по
189
25-26 сентября 2013, Саратов
следующей
шкале.
Коэффициент
λf
может
принимать
значения
λ Lf = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 . Равенство означает: λ Lf = 0 – наличие f-го параметра в
ИМТ безразлично для заказчика; λ Lf = 1 – малая значимость f-го параметра;
λ Lf = 5 – большая значимость f-го параметра. Равенство λ Lf = 6 определяет
строгую необходимость наличия f-го параметра при выборе вида ИМТ для
ЛПУ. Градация значений λ Lf в промежутке от 2 до 4 ( λ Lf = 2, 3, 4 ) означает
степень значимости наличия для заказчика f-го параметра в выбираемой
модели вида ИМТ, которая определяется на основе субъективных оценок
лицом, принимающим решение о выборе оптимальной модели.
NT
Множество
представляется
в
виде
последовательности
кортежей:
N T = x1T , σ 1 , λ1N ,...,
N
xT
g , σ g , λ g , ...,
T ,σ , λN .
xG
G G
(8)
Переменная x Tg есть численная характеристика g-го параметра,
больше, равно или меньше которой не должен быть параметр выбираемой
модели вида ИМТ, g = 1, G . Параметр σ g конкретизирует понятия «не
больше», «равно», «не меньше»:
− 1, x k ≤ x T
g
g
σ g = 0, x gk = x Tg ,
1, x kg ≥ x T
g
k = 1, K .
(9)
Переменная λ N
g определяет степень необходимости использования
g-го параметра в ИМТ ( λ N
g = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 ).
Множество
AT
представляется в виде последовательности кортежей:
A .
AT = y1T , γ 1 , λ1A ,..., y T , γ h , λ A , ..., y T
,γ H , λH
H
h
h
190
(10)
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Параметры y hT , γ h , λhA определяются аналогично, как в (8), (9),
h = 1, H .
Множество B T представляется в виде последовательности кортежей:
B T =
T
B
[ z ]T , µ1 , λ B ,... , [ z ]Tp , µ p , λ B
p ,... , [ z ] P , µ P , λ P .
1
1
(11)
Интервальная переменная [ z]Tp
определяет заданный интервал
изменения p-го интервального параметра технического задания на ИМТ,
p = 1, P . Здесь переменная λ B
p выполняет такую же роль, как переменные
A
λ Lf , λ N
g , λ h . Параметр µ p конкретизирует понятия «не больше», «равно»,
«не меньше»:
− 1, [ z ] k ⊆ [ z ]T
p
p
µ p = 0, [ z ]kp = [ z ]Tp , k = 1, K .
1, [ z ]kp ⊇ [ z ]Tp
(12)
Критерий выбора оптимальной модели вида ИМТ имеет векторную
форму:
I ( k ) = ( I 1 ( k ) , I 2 ( k ) ).
(13)
Критерий I1 (k ) характеризует функциональность k-й модели вида
ИМТ и определяется как сумма, каждое слагаемое которой характеризует
одну из четырех групп параметров выбираемой модели и технического
задания ИМТ: логические, целочисленные, вещественные и интервальные
значения:
F
G
H
P
N (k ) +
Aδ A ( k ) +
I1 (k ) = ∑ λ L δ L ( k ) + ∑ λ N
δ
λ
λ Bp δ pB (k ),
∑
∑
g
g
f f
h h
f =1
g =1
h =1
p =1
191
k = 1, K
,
(14)
25-26 сентября 2013, Саратов
1, если (λ j ≠ 6) ∧ (Τ i ( k ) = " true" ) ;
i
j
j
j
j
где
δ i (k ) = Ψ, если (λi = 6) ∧ (Τi ( k ) = " false" ) ;
0, иначе ,
здесь (i, j ) ∈ {( f , L), ( g , N ), (h, A), ( p, B )}, f = 1, F , g = 1, G , h = 1, H , p = 1, P .
(15)
Для определения составляющих критерия (15) вводится логическая
переменная Τi j (k ) , которая принимает значение «true», если для k-й модели
вида ИМТ для i-го параметра вида j выполняются условия технического
задания, иначе выполняется равенство Τi j (k ) = «false». При невыполнении
обязательных условий технического задания: λij = 6 – значение штрафа
равно очень большому отрицательному числу Ψ = −106 .
Таким образом, критерий (14), (15) характеризует функциональные
возможности модели MDk , которые определяются своим численным
значением. Численная характеристика формируется на основе требований
лица, принимающего решение по техническому оснащению ЛПУ.
Критерий I 2 (k ) определяет цену k-й модели вида ИМТ ( k = 1, K ):
I 2 (k ) = ck .
(16)
Задача выбора оптимальной модели вида ИМТ формулируется
следующим образом: для принятого к рассмотрению технического
{
}
задания, определяемого множеством T = LT , N T , AT , B T , необходимо
найти такую модель вида ИМТ MDk*
MD , MD , … , MD , … , MD ,
1
2
K
k
из всего множества моделей
для которой достигается оптимальное
значение критерия I (k ) :
I * (k * ) = opt (I1 ( k ), I 2 ( k ) ) .
k =1, K
192
(17)
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Для решения многокритериальной задачи (13) – (17) используется
принцип Парето:
I1 (k ′) ≥ I1 (k * ) ,
I 2 ( k ′) < I 2 ( k * ) или I1 (k ′) > I1 (k * ) , I 2 ( k ′) ≤ I 2 ( k * ) .
(18)
Неравенство (18) формализует принцип оптимальности Парето, т.е.
для оптимального решения: оптимальной k∗-й модели вида ИМТ не
существует другой k′-й модели вида ИМТ, в которой при таких же
функциональных
возможностях,
I1 ( k ′) = I1 ( k * ) ,
т.е.
или
лучших
функциональных возможностях, I1 (k ′) ≥ I1 ( k * ) , была бы меньше цена
I 2 ( k ′) < I 2 ( k * ) .
Алгоритм решения многокритериальной задачи (13) – (17) выбора
оптимальной модели вида ИМТ состоит из следующих этапов. На
первоначальном этапе осуществляется ввод всех параметров всего
множества
моделей
MD , … , MD , … , MD
1
K
k
{
вида
ИМТ.
Далее
}
формируется техническое задание T = LT , N T , AT , B T . После этого
определяется начальное значение I 20 критерия I 2 (k ) и задается шаг ∆I 2
изменения критерия I 2 (k ) . Для этого вычисляется минимально возможное
значение
критерия
I 2 (k )
как
нижняя
граница
множества:
I min = inf {c1 , … , c k , … , c K }, тогда начальное значение определяется как
2
сумма: I 20 = I 2min + ∆I 2 . После этого находится k∗-я модель вида ИМТ,
которая имеет лучший критерий I1 (k ) для всех моделей ИМТ: MD k , для
которых
I 2 (k ) ≤ I 0 .
2
Если
выполняются
обязательные
требования
технического задания, т.е. Ψ = 0 , то проводится запоминание модели MDk*
и критерия I1* ( k * ) в область Парето. Далее с шагом ∆I 2 изменяется
критерий I 2 (k ) от начального I 20 до своего конечного заданного значения
193
25-26 сентября 2013, Саратов
I max ,
2
которое
находится
как
верхняя
граница
множества:
I max = sup {c1 , … , c k , … , c K }. Для каждой итерации определяется k -я модель
2
∗
вида ИМТ, которая имеет лучший критерий I1 (k ) для всех моделей ИМТ
MDk ,
находящихся в диапазоне шага
∆I 2 .
Если эта k∗-я модель
удовлетворяет принципу Парето (16) и выполняются обязательные
требования технического задания, т.е. Ψ = 0 , то проводится запоминание в
область Парето модели
MDk*
и критерия I1* ( k * ) . Модель k * определяет
точку области Парето. Далее выбирается новая большая цена ИМТ, т.е.
критерий I 2 (k ) увеличивается на шаг ∆I 2 . Аналогично определяется новая
оптимальная по Парето k∗-я модель. Построение области Парето
заканчивается тогда, когда будет достигнута максимально возможная цена
вида ИМТ: граница I 2max изменения критерия I 2 (k ) . В результате работы
алгоритма определяется множество моделей вида ИМТ, образующих
область Парето, которые являются основой подготовки документации для
проведения торгов в соответствии с Федеральным законом № 94-ФЗ. На
основе
области
Парето
по
предложенному
в
работе
алгоритму
формируется техническое задание на проведение закупок ИМТ согласно
рекомендациям Федеральной антимонопольной службы РФ.
194
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ВЛИЯНИЕ КВАЗИПОСТОЯННЫХ ТОКОВ НА РАБОТУ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
М.В. Дубинин
Научный руководитель: к.т.н., профессор В.В. Вахнина
Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти
Электроэнергетическая
система
(ЭЭС)
–
это
сложный
производственный комплекс, все элементы которого участвуют в едином
процессе производства, преобразования и распределения электрической
энергии, основными специфическими особенностями которого являются
быстротечность
явлений
и
неизбежность повреждений
аварийного
характера – перегрузок и коротких замыканий в электрических установках.
Квазипостоянные
токи,
вызванные
геомагнитными
возмущениями,
грозовой и сейсмической активностью, могут привести к возрастанию и
искажению токов и снижению напряжений на объектах ЭЭС, что может
быть воспринято релейной защитой и аварийной автоматикой (РЗА) также
как повреждение аварийного характера [1].
К устройствам релейной защиты и автоматики ЭЭС воздействующая
величина (ток или напряжение) подводится от первичных измерительных
преобразователей [2]. Они обеспечивают изоляцию цепей устройств РЗА
от высокого напряжения и позволяют независимо от номинального
первичного тока или напряжения получить значения вторичных токов и
напряжений.
В
ЭЭС
наиболее
распространенными
первичными
преобразователями тока являются электромагнитные измерительные
трансформаторы тока (ТТ).
195
25-26 сентября 2013, Саратов
Работа трансформатора тока для РЗА начинается с момента
возникновения в ЭЭС аварийного состояния, характеризующегося рабочим
током, в несколько раз превосходящим рабочий ток. Первичный ток ТТ
при повреждениях аварийного характера в ЭЭС определяется по
выражению:
i1 = I 1 пер m cos(ωt − δ 1 ) + I 1a .
где I1
пер m
нач
e − t / T1 ,
(1)
– амплитуда первичного периодического тока, зависящая от
условий возникновения повреждений аварийного характера в ЭЭС; δ1 –
фаза этого тока в начальный момент времени переходного процесса (t=0;
I1а. нач – начальное значение апериодической составляющей тока; T1=L1/R1 –
постоянная времени затухания этой составляющей, равная отношению
индуктивности первичной цепи к ее активному сопротивлению.
В каждый момент времени вторичный ток i2 ТТ отличается от его
первичного тока i1 на ток намагничивания i0, который в свою очередь
содержит периодическую и апериодическую составляющие.
Конструктивно электромагнитный ТТ с нелинейной характеристикой
намагничивания
представляет
собой
трансформатор
с
замкнутым
ферромагнитным магнитопроводом или магнитопроводом, имеющим
небольшой
немагнитный
зазор,
недостаточный
для
устранения
нелинейности. Для анализа работы ТТ с нелинейной характеристикой
намагничивания применима схема замещения, представленная на рис. 1. В
схеме замещения приняты активная составляющая ветви намагничивания
равной нулю, индуктивность L2 и сопротивление r2 постоянными (в состав
L2 входят индуктивности рассеяния вторичной обмотки ТТ и его нагрузки,
а в r2 – их активные сопротивления). Взаимная индуктивность ветви
намагничивания – нелинейная величина и с учетом [3] определяется по
выражению:
2
M (i0 ) = k
w1 S
⋅ µ a ( H ),
l
196
(2)
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
где i0 – ток намагничивания; w1 – число витков первичной обмотки ТТ;
S – площадь поперечного сечения магнитопровода; l – средняя длина
магнитной
линии;
эмпирическим
коэффициент,
k –конструктивный
µa (H ) =
путем;
µB
tg ( β )
µH
–
определяемый
абсолютная
магнитная
проницаемость; β – угол между касательной в рабочей точке кривой
намагничивания и осью напряженности магнитного поля. Положение
рабочей точки на кривой намагничивания и осью напряженности
магнитного поля определяется током i1, протекающим по первичной
обмотке ТТ.
i'
i'
1
i2
0
L2
M(i )
0
r2
Рис.1. Схема замещения электромагнитного трансформатора тока
с нелинейной характеристикой намагничивания
Переходный процесс в электромагнитном ТТ с нелинейной
характеристикой
намагничивания
при
возникновении
повреждений
аварийного характера в ЭЭС описывается уравнением:
M (i0 )
di0
di
= i2 r2 + L2 2 ;
dt
dt
i2 = i1 − i0 .
(3)
При протекании квазипостоянного тока в первичной обмотке
электромагнитного
трансформатора
тока
его
магнитная
система
насыщается. Относительная магнитная проницаемость электротехнических
сталей, применяемых при изготовлении трансформаторов тока, при
197
25-26 сентября 2013, Саратов
сильном насыщении (В ≥ 1,2 Тл) стремится к единице. При этом на
вторичной обмотке ТТ получается заниженное значение тока i2. По
достижении индукции насыщения сердечника трансформатора тока почти
весь первичный ток поступает в ветвь намагничивания, ток во вторичной
цепи снижается, что может привести к ложному срабатыванию РЗА
силовых трансформаторов.
Выполнены
экспериментальные
исследования
работы
электромагнитных измерительных трансформаторов тока типа ТОЛ-10-1 и
TA30R при протекании постоянного тока в первичной обмотке.
Подмагничивание ТТ осуществлялось посредством добавки постоянной
составляющей тока в периодический сигнал, проходящий через нагрузку и,
соответственно, через первичную обмотку трансформатора тока. Доля
постоянной составляющей сигнала выбиралась равной 10, 20, 30, 40 % от
номинального тока измерительных трансформаторов и составила 1,5 А,
3 А, 4,5 А, 6 А для ТОЛ-10-1 (номинальный ток 15 А) и 25 А, 50 А, 75 А,
100 А – для трансформатора тока TA30R (номинальный ток 250 А). В
экспериментах измерялись значения первичного и вторичного токов
измерительных трансформаторов тока.
На рис. 2 и 3 приведены изменения коэффициентов трансформации
трансформаторов тока ТОЛ-10-1 и TA30R. При доле постоянного тока 40%
от
номинального
тока
коэффициент
трансформации
КТ
для
трансформатора тока ТОЛ-10-1 возрос на 20%, для трансформатора тока
TA30R – на 36%, т.е. протекание постоянного тока по первичной обмотке
электромагнитного ТТ приводит к увеличению его токовой погрешности.
198
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
68
3,6
КТ
66
3,5
КТ
64
62
3,4
60
3,3
58
56
3,2
54
3,1
52
I подм. А
3,0
I подм. А
50
48
0
1
2
3
4
5
6
0
20
40
60
80
100
Рис. 2. Изменение коэффициента
Рис. 3. Изменение коэффициента
трансформации трансформатора тока
трансформации трансформатора тока
ТОЛ-10-1
TA30R
Таким образом, протекание квазипостоянных токов в первичной
обмотке
электромагнитных
измерительных
трансформаторов
тока
приводит к увеличению их токовой погрешности и, следовательно,
неправильной работе РЗА. Поэтому вместо применяемых в ЭЭС
электромагнитных
необходимость
в
измерительных
разработке
и
трансформаторов
применении
тока
назрела
специальных
ТТ,
неподверженных влиянию остаточных магнитных потоков, что позволит
обеспечить правильную работу РЗА в присутствии квазипостоянных токов
в ЭЭС. Из числа новых технологий в этом направлении представляют
интерес оптические трансформаторы тока, использующие технологии
передачи данных о мгновенном значении тока, как в цифровом, так и в
аналоговом виде.
Благодаря конструкции, основанной на пассивных компонентах с
использованием технологии оптических методов считывания, оптические
трансформаторы тока (ОТТ) по целому ряду характеристик превосходят
традиционные электромагнитные и емкостные трансформаторы тока [4].
Типичная схема ОТТ содержит чувствительный элемент в виде нескольких
витков оптического волокна (ОВ), помещенных в жесткую защитную
199
25-26 сентября 2013, Саратов
оболочку из немагнитного материала – токовую головку для ОТТ и
электронно-оптический блок, соединяемый с чувствительным элементом
непосредственно для оптических преобразователей тока или через
оптический кросс для оптических трансформаторов тока (рис. 4).
Рис. 4. Упрощенная структурная схема оптического трансформатора тока
Конструкция
оптических
трансформаторов
тока
обусловила
следующие их преимущества перед электромагнитными аналогами:
-
отсутствие
насыщения
магнитопровода
при
протекании
квазипостоянных токов в первичной обмотке, что приводит к улучшенным
точностным характеристикам ОТТ;
- возможность коррекции коэффициента трансформации, что
уменьшает погрешность измерений при протекании квазипостоянных
токов в ЭЭС и, следовательно, предотвращает неправильное срабатывание
РЗА;
- расширенная полоса пропускания входных сигналов (не менее 6
кГц), позволяющая производить полный анализ не только количества, но и
качества электроэнергии в части гармоник (до 100 гармоник) и переходных
процессов;
- оптические измерительные трансформаторы тока в отличие от их
электромагнитных аналогов, легко можно включать в те или иные
цифровые системы (например, цифровые подстанции в соответствии со
200
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
стандартом,
минуя
промежуточное
использование
измерительных
приборов;
- высокая помехоустойчивость к электромагнитным помехам,
позволяющая
монтировать
изделия
в
сложной
электромагнитной
обстановке без ее предварительного анализа и коррекции и др.
Результаты выполненных исследований показывают, что для
устранения явлений насыщения, гистерезиса, остаточного намагничивания
и, следовательно, предотвращения нежелательных срабатываний релейной
защиты и противоаварийной автоматики в ЭЭС и особенно обеспечения
надежного
функционирования
дифференциальной
защиты
силовых
трансформаторов при протекании квазипостоянных токов целесообразно в
качестве датчиков тока использовать трансформаторы тока без стали –
оптические
трансформаторы
тока,
которые
позволяют
обеспечить
стабильность коэффициента трансформации и нормируемую токовую и
угловую погрешность.
Литература
1. Абдурахманов А.Я., Ишан-Ходжаев Р.С., Мухаметшина З.М.
Влияние геомагнитных индуктированных токов на работу силовых и
измерительных трансформаторов // Вопросы регулирования напряжения в
электропередачах сверхвысокого напряжения. – М., 1988. – С. 63 – 70.
2. Басс
Э.И.,
Дорогунцев
В.Г.
Релейная
защита
электроэнергетических систем. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. –
296 с.
3. Вахнина В.В., Шаповалов В.А. Насыщение магнитной системы
силовых
трансформаторов
при
геомагнитных
бурях
//
Проблемы
электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сборник трудов
IV Международной научно-технической конференции : в 2 ч. – Тольятти:
Изд-во ТГУ, 2012. – Ч.2. – С. 20 – 25.
201
25-26 сентября 2013, Саратов
4. Гуляев Ю.В., Никитов С.А., Потапов В.Т. Волоконно-оптические
технологии, устройства, датчики и системы [Электронный ресурс] //
Спецвыпуск «Фотон-экспресс». – 2005. – № 6. – http://www.fotonexpress.ru;
свободный. – Загл. с экрана.
СИНТЕЗ НОВЫХ ПРОТОНПРОВОДЯЩИХ МЕМБРАН
ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Т.В. Шебунина
Научные руководители: к.х.н. Р.С. Бегунов,
м.н.с. А.Н. Валяева
Ярославский государственный университет
имени Демидова П.Г., г. Ярославль
Использование водорода и топливных элементов (ТЭ), способствует
получению «безопасной» энергии, выработка которой не влияет на климат,
обеспечивает повышение эффективности использования энергии, по
сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания.
В современном ТЭ, одним из важнейших элементов является
твердополимерный электролит - протонпроводящая мембрана ППМ.
Существующие ППМ имеют довольно низкий срок службы, поскольку
примеси, содержащиеся в топливе вызывают необратимое разрушение
мембраны и выход ее из строя. Кроме хемостойкости, к полимерным
электролитам предъявляют ряд других требований, а именно – высокая
протонная проводимость, термическая и механическая устойчивость, в том
числе
при
температурах
свыше
100
0
С,
минимальное
проницаемости газов-реагентов, низкая стоимость и т.д.
202
значение
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Сравнительно
недавно
появились
новые
коммерческие
протонпроводящие мембраны на основе ароматических конденсационных
полимеров (АКП), из которых наибольший интерес представляют
полиариленэфирсульфоны.
Интерес к полиариленэфирсульфонам (ПАЭС) как к базовым
полимерам для получения протонопроводящих мембран для топливных
элементов, обусловлен высокими тепло-, термо- и хемостойкостью,
которые также делают возможным получение на их основе термопластов с
высокими эксплуатационными характеристиками.
Для
сообщения
ПАЭС
протонопроводящих
свойств
в
их
макромолекулы обычно вводятся протогенные группы, в ряду которых
наибольшее внимание привлекли сульфокислотные группы. Подавляющее
большинство
ПАЭС,
содержащих
протогенные
(сульфокислотные)
группы, получается с использованием следующих общих методов:
•
сульфированием готовых ПАЭС;
•
использованием сульфированных мономеров;
Наиболее перспективным способом синтеза полимеров, содержащих
протогенные группы, является сульфированием готовых ПАЭС.
Поэтому
был
осуществлен
синтез
полиариленэфирсульфонов,
исследованы их физико-химические свойства, а также проведено
сульфохлорирование полученных полимерных материалов.
Вначале
работы
были
отработаны
способы
синтеза
новых
активированных сульфогруппами ароматических дигалоидных соединений
– полупродуктов для термостойких полимерных композиций. В качестве
нового ароматического сульфона нами была предложена следующая
структура 5 (рис.1).
Выбор данной структуры обусловлен тем, что полимеры, основная
цепь
которых
состоит
перерабатываются
в
из
мета-замещенных
полимерную
203
пленку.
фрагментов
Также
наш
лучше
выбор
25-26 сентября 2013, Саратов
обуславливается ее большой молекулярной массой, наличием двух
высокоактивных реакционных центров, и присутствием двух сульфоновых
групп, повышающих устойчивость получаемого полимерного материала к
действию окислителей. Наличие боковой тиофенильной подвески - высоко
реакционно-способного центра для электрофильного замещения, дает
возможность осуществлять введение протогенных групп, таких как
сульфогруппа. Известно, что введение заместителей в боковые подвески
более эффективно, так как в противном случае нахождение требуемых
функциональных групп в бензольных кольцах главной цепи, придадут
получаемым полимерным пленкам хрупкость.
Синтез данной структуры был осуществлен по схеме:
NO2
Cl
2
HS
Cl
Cl
Cl
NO2
2
S
S
3
Cl
1
X
Cl
O
S
O
5
NO2
Cl
Cl
O
O
S
S
O
O
Cl
O
S
4
O
где Х=S, O, NH
Рис.1
Как оказалось на первых двух стадиях не возникало никаких
проблем, процессы шли в рамках основных закономерностей реакций
ароматического нуклеофильного замещения и окисления. Понадобилось
только
подобрать
оптимальные
условия,
позволяющие
получить
высокочистые вещества с высоким выходом. Однако, как оказалось, на
стадии введения тиофенильного фрагмента в трехядерную структуру
происходит образование нескольких продуктов реакции. Это связано с тем,
что в данном соединении присутствует несколько высокореакционных
центров, для нуклеофильной атаки.
204
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Для установления механизма протекания основного и побочных
процессов реакции ароматического нуклеофильного замещения, мы
разложили сложную структуру данного субстрата на ряд более простых
веществ, содержащих возможные реакционные центры для нуклеофильной
атаки, и исследовали закономерности взаимодействия их с тиофенолом:
При взаимодействии 4-хлордифенилсульфона 6 с тиофенолом, мы
получили только один продукт 1-фенилсульфанил-4-(фенилтио)бензол 7.
Выход
продукта
свидетельствует
составил
о
98
наличии
в
%.
Образования
данной
одного
структуре
продукта
только
одного
реакционного центра.
O
Cl
S
+
HS
O
6
O
k2co3
S
DMFA
S
O
7
Рис.2
В
результате
взаимодействия
4-нитродифенилсульфона
8
с
тиофенолом была получена смесь продуктов – целевой 7 и продукт
замещения
фенилсульфонового
фрагмента
9,
в
соотношении
3:1
соответственно, которые были разделены дробной кристаллизацией в
бинарной смеси растворителей ДМФА-ИПС. Структура веществ была
доказана методами ЯМР 1Н- и масс-спектроскопии. Образование двух
продуктов свидетельствует о том, что в данной структуре при реакции
ароматического нуклеофильного замещения в качестве нуклеофуга могут
выступать как NO2–нитрогруппа так и фенилсульфоновый фрагмент.
205
25-26 сентября 2013, Саратов
O
S
S
O
O2N
S
O
k2co3
+ HS
DMFA
O
8
O2N
S
9
Рис.3
В ходе реакции 4-нитро-4´-хлордифенилсульфона 10 с тиофенолом
также была получена смесь из трех продуктов, один из которых 4нитродифенилсульфид 9. Таким образом, можно сделать вывод о наличии
в данной структуре возможности трех реакционных центров.
O
O2 N
S
Cl
+
K2CO3
HS
DMFA
O
10
O2 N
S
+ X1 + X2
Рис.4
Таким образом, на основе проведенного исследования можно сделать
вывод о наличии в 2,4-бис[(4-хлорфенил)сульфанил]-1-нитробензоле
нескольких реакционных центров, а именно нитрогруппы, двух хлоров и
фенилсульфоновых фрагментов.
Не содержащие примесей продукты замещения нитрогруппы удалось
получить, прикапывая раствор нуклеофила в течение 30 минут при
температуре
процесса
35
Целевой
°С.
мономер,
содержащий
тиофенильный фрагмент был получен с выходом 92 %.
Эти же условия были также использованы для синтеза целевых
хлорсодержащих полиядерных дисульфонов, имеющих в своей структуре
фениламинный и феноксизаместители (рис.5). Выход данных продуктов
составил 85 % и 89 % соответственно.
206
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
O
Cl
O
S
S
O
O
O2N
XH
4
O
S
S
O
O
Cl
X
Cl
Cl
O
5
где Х=S, O, NH
Рис.5
Для синтеза новых полимеров класса полиариленэфирсульфонов в
качестве сомономеров были использованы бисфенолы – флуорен и
фенолфталеин.
Выбор
данных
нуклеофилов
обусловлен
тем,
что
обширные исследования показали, что полимеры, содержащие фрагменты
флуорена
или
фенолфталеина,
интересны
из-за
возможности
их
потенциального применения в качестве фотоэлектронных материалов и
газоразделительных мембран.
Синтез
полимеров
Уильямсона,
в
осуществляли
котором
по
ароматический
методу
этерификации
дихлорид
реагировал
с
нуклеофильными бисфенолами, а именно 4,4'-(9-флоурелидин)бисфенолом
(ФБФ) или/и фенолфталеином (ФФ):
Cl
OH
O S O
H O
R
O
O
S
X
O
O
+
R
S
S
O
O
X
Cl
n
O
Cl
OH
O
где R =
,
C
O
Для сообщения полиариленэфирсульфонам протонопроводящих
свойств
в
их
макромолекулы
(сульфокислотные) группы:
207
были
введены
протогенные
25-26 сентября 2013, Саратов
O
HO
R
O
O
S
S
O
O
X
n
Cl
HSO3Cl
O
HO
R
O
O
S
S
O
O
X
Cl
O S OH
O
Согласно данным
ЯМР-1Н - спектроскопии, сульфирование в
выбранных условиях (40ºС, 3 часа) проведения реакции протекает только в
боковые
подвески
полимера
и
не
затрагивает
основных
цепей
макромолекул.
Степень сульфирования контролируется изменением соотношения
хлорсульфоновой кислоты и ПАЭС. В ряде экспериментов была
достигнута степень сульфирования равная 1.28; при этом сульфирование в
основную цепь не имело места.
Сульфированные ПАЭС хорошо растворяются в ДМАА, ДМСО,
ДМФА и МП. Из растворов полимера в ДМАА были политы плёнки,
сохраняющие прочность и эластичность, как в сухом, так и во влажном
состоянии.
Согласно данным ДТГА, рассматриваемые сульфированные ПАЭС в
атмосфере сухого азота претерпевали двухстадийную потерю массы – в
области 50 ÷ 180 ºС, обусловленную десорбцией воды, и выше 250 ºС,
обусловленную потерей сульфокислотных групп. Ниже температуры
деструкции не наблюдалось никаких переходов типа стеклования или
плавления.
Полученные
мембраны
характеризуются
высокой
гидролитической стабильностью – выдержка их при 140 °С и 100%-ой
относительной влажности в течение 24 часов не приводила к изменению
их прочности, эластичности, цвета.
208
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Протонную проводимость мембран изучали методом импедансной
спектроскопии.
При
исследовании
температурной
зависимости
проводимости мембран в районе 100 0С отмечался перегиб, связанный с
испарением воды из мембраны. Значения протонной проводимости всех
синтезированных ППМ находились в области 0,1×10-1 – 2,8×10-2 См/см при
температуре от 80 до 140 0С.
Таким образом, получение ППМ на основе сульфированных
полиариленэфирсульфонов
является
перспективным
направлением,
позволяющим создавать эффективные полимерные электролиты для ТЭ,
работающих при температуре свыше 100 0С и обладающих протонной
проводимостью сравнимой с коммерческими мембранами.
ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ
ВОЗДУХА И ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ГОРОДСКОМ
ЛЕСОПАРКЕ «КУМЫСНАЯ ПОЛЯНА»
М.А. Аралина
Научный руководитель: д.т.н., профессор С.В. Бобырев
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Лесопарк "Кумысная поляна" (далее КП) относится к особо
охраняемым природным территориям Саратовской области. Он с трёх
сторон охвачен Саратовом (рис. 1). Несколько лет назад через КП были
проложены магистрали, по которым в настоящее время происходит
интенсивное движение автотранспорта.
209
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис.1. Лесной массив, в который входит лесопарк "Кумысная поляна"
Представляет
интерес
смоделировать
движение
воздуха
и
переносимых им загрязняющих веществ по территории КП с целью
определения допустимого количества и оптимального расположения
транспортных магистралей и парковок на территории КП.
Используя подход, развиваемый в [1] посвящённой движению
атмосферы Таганрога, мы составили
модель приземной аэродинамики, включающей в себя:
Уравнение неразрывности ∂(ρ ⋅ u ) + ∂(ρ ⋅ v ) + ∂ (ρ ⋅ w) = 0
∂x
∂y
∂z
Уравнения движения (Навье-Стокса)
∂ (ρ ⋅ u ) ∂ (ρ ⋅ u ⋅ u ) ∂ (ρ ⋅ v ⋅ u ) ∂ (ρ ⋅ w ⋅ u )
∂ρ ∂
∂u ∂
∂u ∂
∂u
+
+
+
=−
+ (µ + µt ) ⋅ + (µ + µt ) ⋅ + (µ + µt ) ⋅
∂t
∂x
∂y
∂z
∂x ∂x
∂x ∂y
∂y ∂z
∂z
∂ (ρ ⋅ v ) ∂ (ρ ⋅ u ⋅ v ) ∂ (ρ ⋅ v ⋅ v ) ∂ (ρ ⋅ w ⋅ v )
∂ρ ∂
∂v ∂
∂v ∂
∂v
+
+
+
=−
+ (µ + µt ) ⋅ + (µ + µt ) ⋅ + (µ + µt ) ⋅
∂t
∂x
∂y
∂z
∂y ∂x
∂x ∂y
∂y ∂z
∂z
∂ (ρ ⋅ w) ∂ (ρ ⋅ u ⋅ w) ∂ (ρ ⋅ v ⋅ w) ∂ (ρ ⋅ w ⋅ w)
∂ρ ∂
∂w ∂
∂w ∂
∂w
(
)
(
)
(
)
+
+
+
=−
+ (µ + µ t ) ⋅
+
µ
+
µ
⋅
+
µ
+
µ
⋅
+
ρ
⋅
g
⋅
β
⋅
T
−
T
t
t
0
0
∂t
∂x
∂y
∂z
∂z ∂x
∂x ∂y
∂y ∂z
∂z
Уравнение кинетической энергии турбулентности
(
)
∂ (ρ ⋅ k ) ∂ ρ ⋅ u j ⋅ k
∂
+
=
∂t
∂x j
∂x j
µ + µt ⋅ ∂k + Pk + B − ρ ⋅ ε
σ k ∂x j
Уравнение энергии диссипации
(
)
∂ (ρ ⋅ ε ) ∂ ρ ⋅ u j ⋅ ε
ε
s2
∂
+
= Cε 1 ⋅ Pk ⋅ f1 ⋅ ⋅ (G + B ) ⋅ (1 + C3 ⋅ R f ) − ρ ⋅ Cε 2 ⋅ f 2 ⋅ +
∂t
∂x j
k
k ∂x j
Уравнение турбулентной вязкости
µt = ρ ⋅ C µ ⋅ f µ ⋅
Уравнение транспорта тепла
210
k2
ε
µ + µt
σε
∂ε
⋅
∂x j
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
∂ (ρ ⋅ T ) ∂ (ρ ⋅ u ⋅ T ) ∂ (ρ ⋅ v ⋅ T ) ∂ (ρ ⋅ w ⋅ T ) ∂
µ
+
+
+
= µ + t
σT
∂t
∂x
∂y
∂z
∂x
∂T ∂
µ
+ µ + t
⋅
∂y
x
σ
∂
T
Модель
с
сжимаемой
атмосферы
∂T
⋅
∂y
ведением
∂
µ
+ µ + t
∂z
σ
T
∂T
+ qm
⋅
∂
z
виртуальной
температуры:
Уравнение состояния влажного воздуха
p ⋅ν = RN ⋅ Tν ,
где T = T ⋅ (1 + 0.608 ⋅ s )ν
Уравнение переноса влаги
∂ (ρ ⋅ s ) ∂ (ρ ⋅ u ⋅ s ) ∂ (ρ ⋅ v ⋅ s ) ∂ (ρ ⋅ w ⋅ s ) ∂
µ ∂s
µ ∂s ∂
µ ∂s ∂
+
+
+
= µ + t ⋅ + µ + t ⋅ + µ + t ⋅ + q m
∂t
∂x
∂y
∂z
∂x
σ S ∂z
σ S ∂y ∂z
σ S ∂x ∂y
Математическая
модель
распространения
однокомпонентной
примеси в условиях лесопарка
Уравнение:
∂ (ρ ⋅ Φ ) ∂ (ρ ⋅ u ⋅ Φ ) ∂ (ρ ⋅ v ⋅ Φ ) ∂ (ρ ⋅ w ⋅ Φ ) ∂
∂Φ ∂
∂Φ ∂
∂Φ
+
+
+
= (Γ + Γt ) ⋅
+ (Γ + Γt ) ⋅
+ (Γ + Γt ) ⋅
+S
∂t
∂x
∂y
∂z
∂x
∂x ∂y
∂y ∂z
∂z
где Ф-концентрация вредной примеси
Г-коэффициент диффузии
Гt - коэффициент турбулентной диффузии
S-функция источников-стоков вредной примеси
При построении модели переноса загрязнений рассматривались три
вида источников загрязнений - площадные, линейные и точечные (рис. 2).
Для
моделирования
была
выбрана
территория
на
вершине
возвышенности, где выбирались характерные участки леса - открытые,
большие поляны, узкие просеки.
211
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 2. Точечные, линейные и площадные источники загрязнений - привязка
к спутниковой карте участка моделирования
По результатам наблюдений были выбраны участки моделирования,
содержащие
точечные,
линейные
и
площадные
источники,
зоны
сплошного леса, поляны просеки. Один из таких участков представлен на
рис. 3.
Космическая карта
Точки измерения рельефа
триангуляционная сеть
Рис.3. Построение опорной триангуляционной сети на участке моделирования
На выбранном участке моделирования строится триангуляционная
сеть, а по ней TRI-поверхность лесного массива с учётом базового рельефа
почвы (рис. 4).
212
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис.4. TIN-поверхность участка моделирования приземного ветра
Для совмещения рельефа с растровой картой участка моделирования
создаётся равномерная прямоугольная сетка (рис.5), на которой методом.
Рис.5. Создание прямоугольной опорной сети участка моделирования
для совмещения триангуляционного рельефа
с растровой картой местности
На той сетке восстанавливается 3D-рельеф в формате MATR (рис. 6),
с которым совмещается растровая карта участка моделирования.
Рис. 6. MATR-поверхность участка моделирования (рельеф + лес)
213
25-26 сентября 2013, Саратов
В результате мы получаем фотореалистичное 3D-изображение
(рис.7), которое выступает как основа для построения краевых условий при
решении модельных уравнений.
Рис.7. Фотореалистичное 3D-изображение участка моделирования приземного
движения воздуха в лесном массиве
Это изображение является векторным, т.е. представляет собой
реляционную базу данных, из которой выбираются исходные данные и в
которую записываются результаты геоинформационного моделирования.
Литература
1. Гадельшин
В.К.,
Любомищенко
Д.С.,
Сухинов
А.И.
Математическое моделирование поля ветровых течений и распространение
загрязняющих примесей в условиях городского рельефа местности с
учётом k-e модели турбулентности // Известия ЮФУ. Технические науки.
Тематический
выпуск
"Теоретические
и
прикладные
аспекты
математического моделирования".- Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФО, 2010.-№6
(107). - С.49-65.
214
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА
«МАЛЫЕ РЕКИ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ (R-64)»
Д.Ю. Чувашкин
Научный руководитель: д.т.н., профессор С.В. Бобырев
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Особенностью гидрологического режима малых рек Саратовской
области является высокая активность гидрологических процессов в период
весеннего паводка. Именно в этот период, длящейся 2-3 недели происходят
основные процессы руслообразования, переноса загрязнений, образование
наносов, заиливание (рис.1).
Рис. 1. Весенний разлив и смыв почвы с полей на реке Малый Узень
Такие процессы которые зачастую приводят к существенному
изменению тальвегов русла, глубин, скоростей течения.
Для компенсации этих зачастую негативных явлений в области
постоянно проводится комплекс гидрологических работ, таких как
расчистка русел, дноуглубление, выкашивание водной растительности
(рис.2).
215
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис.2. Восстановление русел малых рек
Проведение мероприятий по формированию русла и управлению
гидрологическим режимом рек наталкивается на довольно устойчивые
процессы естественного руслообразования, которые приводят к снижению
времени существования положительных эффектов от мероприятий. Уже
через несколько лет река возвращается в исходное состояние и работы
приходится проводить заново.
Учитывая высокую стоимость работ, представляется перспективным
перед
их
проведением
произвести
компьютерное
моделирование
последствий мероприятий по формированию русел и управлению
гидрологическим режимом.
Состояние реки определяется как естественными природными
процессами,
не
связанными
с
деятельностью
человека,
так
и
антропогенными воздействиями.
Систему
взаимодействия
человек-река
можно
рассмотреть,
например, как систему массового обслуживания (рис.3), где в качестве
заявок на обслуживание выступают антропогенные воздействия.
216
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 3. Река как система массового обслуживания
Однако, такой подход был бы оправдан, если бы нас интересовал
порядок обслуживания и время прохождения заявок. Например, в качестве
заявки можно рассмотреть высыпание в реку мешка с удобрением, а время
обслуживания - время полного его растворения. При этом подходе
рассматриваются воздействия загрязнений на реку.
В разработанной нами информационной системе реки описываются
как
•
один из видов водных объектов, наследующий признаки
верхнего уровня:
•
отдельный географический объект, имеющий географические
атрибуты (исток, тальвег, устье)
•
структурированный
объект,
имеющий
отдельные
составляющие (перекат, коса, остров, пляж Воронка Быстрина Проток
Валун Коса песчаная, подводная Гряда твёрдых пород Перекат Суводь
Обрыв Береговой овраг Отбойная струя Глубина, прибрежная Борозда
Углубление Отмель, прибрежная Залив, Мыс, Приток, устье Плотина.
Составляющие относятся к руслу, течениям, объектам в русле и пойме
гидротехническим сооружениям
217
25-26 сентября 2013, Саратов
•
система взаимодействующих объектов (какая река куда
впадает, очертания водосборного бассейна, пойма). Данная информация
может быть представлена в разработанной геоинформационной системе в
форме тематических слоёв, например слой "Тальвеги" (рис. 4)
Рис. 4. Отображение на электронной карте слоя "Тальвеги"
При описании системы рек в базах данных геоинформационной
системы указываются:
•
Водоразделы и основные бассейны
•
Краткая характеристика природных условий района
•
Районирование Европейской части СССР по условиям
грунтового питания ре
•
Количество и длина рек
•
Озера и водохранилища, их использование
При описании отдельной реки рассматриваются:
•
состав воды
•
околоводные и водные экосистемы
218
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
•
гидрологические процессы, проходящие в реке
•
объект права собственности
При этом принимается во внимание:
•
Зональность грунтовых вод
•
Зоны мутности речных вод
•
Уклоны и падения рек
•
Максимальные и минимальные расходы воды
•
Соотношение стока взвешенных наносов и растворенных в
воде веществ
•
Типы рек по источникам питания
•
Основные типы режима рек
•
Основные черты режима рек
•
Реки, их хозяйственное значение и использование
•
длина реки
•
исток, тальвег, устье
•
Река как объект собственности
а также процессы, связанные с гидрологией реки и морфологией её
русла:
•
Изменение водного режима степной и лесостепной зон под
влиянием преобразования природы
•
Изменчивость годового стока рек
•
Колебания уровня воды в реках
•
Сток взвешенных наносов главнейших рек
2.2. Река как информационный объект
Состояние реки оценивается и анализируется по трём группам
показателей состояния (рис. 5).
219
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 5. Группы параметров информационного объекта "Река"
Характеристики признаков реки как водного объекта :
•
площадь (водосбора, водного зеркала и пр.), длина, глубина;
•
расход и объем воды, скорость течения;
•
уровень воды;
•
температура воды;
•
длительность неблагоприятных по водности и условиям
водообмена периодов (межень, ледостав, отсутствие стока и т.п.);
•
показатели условий водообмена;
•
фильтрационные свойства почв и горных пород.
Основные показатели состояния реки, включаемые в
геоинформационную систему R-64
Река
•
Уникальный номер реки
•
Название реки
•
Исток реки координаты
•
Устье реки координаты
•
Длина реки
•
Водоём, куда впадает река
•
Код реки по классификатору
•
Полигон (или линия) русла реки
220
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Дерево взаимосвязи рек
•
Уникальный номер впадающей реки
•
Уникальный номер принимающей реки
Физические, химические, бактериологические показатели воды:
•
Запах, баллы (0-нет, 1-есть)
•
Вкус, Привкус баллы (0-нет, 1-есть)
•
Цветность, град
•
Мутность (прозрачность), мг/дм2, мутноватая
•
Уровень кислотности рН
•
Жёсткость общая, ммоль/дм3
•
Нитраты, мг/дм3
•
Хлориды, мг,/дм3
•
Сульфаты, мг/дм3
•
Сухой остаток, мг/дм3
•
Осадок (количество, цвет) – 5г/л, сероватый
•
Состав осадка – (известковый, железистый, кремнистый)
•
Окисляемость перм., мгО/дм3
•
Железо, мг/дм3
221
25-26 сентября 2013, Саратов
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ
КОНТРОЛЛЕРОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗАЦИИ
ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
А.А. Мальцев
Научный руководитель: к.т.н., доцент В.А. Пыльский
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
В последние годы в России наблюдается увеличение объемов
жилищного строительства. В январе 2013 г. в ходе расширенного
заседания кабинета министров РФ было завялено, что необходимо
увеличить объем жилищного строительства в стране до 100 миллионов
квадратных метров в год. При этом цена квадратного метра должна быть
снижена
Главными
строительными
железобетон. Производство
материалами
качественного
являются
строительного
бетон
и
материала
напрямую влияет на долговечность, надежность и прочность будущих
строительных конструкций. От того, как будет организовано производство
бетона, зависит рентабельность и конкурентоспособность предприятия.
Наиболее распространенным способом ускоренного твердения
бетона при производстве железобетонных изделий является ускоренное
твердение в условиях тепловлажностной обработки насыщенным паром в
пропарочных камерах периодического действия ямного типа.
Пар непосредственно не участвует в химических реакциях, а служит
для нагрева либо материала, либо промежуточного теплоносителя воздуха.
В условиях повышения стоимости энергоносителей такой способ тепловой
обработки материалов является нерациональным.
222
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
В данной статье рассматривается возможность использования
промышленного
контроллера
Siemens
SIMATIC
S7-1200
для
автоматизации процесса беспаровой тепловой обработки железобетонных
изделий продуктами сгорания природного газа.
С середины 90-х г. активно внедряется технология, замещающая пар
на
паро-газовоздушный
теплоноситель,
который
генерируется
в
теплогенераторах и непосредственно применяется для тепловой обработки
строительных материалов (рис. 1).
Как показывает опыт, применение газовоздушной системы тепловой
обработки материалов по сравнению с паровой позволяет снизить затраты
на тепловую энергию в 1,5-2 раза.
Тепловлажностная термообработка бетонных и железобетонных
изделий в среде продуктов сгорания природного газа является наиболее
экономной технологией производства.
Физически данный эффект достигается тем, что тепловая энергия от
источника (природный или иной газ) непосредственно вырабатывается в
камере обработки.
Повышение качества бетонных изделий, использование различных
наполнителей ужесточают требования к соблюдению технологии пропарки
бетонных изделий. Выдержать предъявляемые требования пропарки,
используя ручное управление, чрезвычайно сложно, особенно для цеха,
содержащего большое количество пропарочных камер.
Основным выходом является автоматизация технологического
процесса пропарки бетонных изделий.
223
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 1. Схема автоматизации процесса беспаровой тепловой обработки
железобетонных изделий
На схеме, представленной на рис. 1, блока автоматического
управления построен на базе промышленного контроллера Siemens
SIMATIC S7-1200.
Программируемые
контроллеры
SIMATIC
S7-1200
имеют
модульную конструкцию и универсальное назначение. Они способны
работать в реальном масштабе времени, могут использоваться для
построения относительно простых узлов локальной автоматики или узлов
комплексных систем автоматического управления, поддерживающих
интенсивный коммуникационный обмен данными через сети Industrial
Ethernet/PROFINET, а также PtP (Point-to-Point) соединения.
Применение SIMATIC S7-1200 позволяет полностью регулировать
основные технологические параметры процесса беспаровой тепловой
обработки железобетонных изделий.
224
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Данные о производстве выводятся с помощью персонального
компьютера, на котором при помощи системы визуализации изображен
весь процесс производства бетона, что позволяет оператору точно знать,
какой этап сейчас выполняется, и вовремя реагировать на возникающие
сбои.
Блок
автоматического
управления,
представленный
системой
автоматизации на базе Siemens Simatic S7-1200, позволяет:
• контролировать и управлять параметрами среды;
• оптимизировать
технологический
регламент
гидратации
в
зависимости от марки бетона, геометрии изделия;
• повысить качество выпускаемой продукции.
При этом удельный расход газа на 1 м³ товарного железобетона
составляет 7-18 м³, электроэнергии 2,5-3 кВт час.
Рассмотренная выше технологическая установка, использующая
продукты сгорания газа, имеет неоспоримые преимущества перед
традиционными способами с использованием пара:
• увеличение прочностных показателей бетона на 10%, по
сравнению с традиционными методами пропарки;
• розжиг и выход на номинальную мощность занимает считанные
минуты и полностью автоматизирован;
• использование в качестве теплоносителя воздуха, позволяет
выключать установки, когда в них нет необходимости, что невозможно
при использовании пара, из-за того, что конденсат может замерзнуть.
В связи с этим переход на беспаровые способы тепловой обработки
бетона эффективен и экономически выгоден.
225
25-26 сентября 2013, Саратов
Литература
1.
Пособие по тепловой обработке железобетонных изделий
продуктами сгорания природного газа (к СНиП 3.09.01-85) / НИИЖБ
Госстроя СССР. – М.: Прейскурантиздат, 1988. – 32 с.
2. Баженов Ю.М., Технология бетонных и железобетонных изделий:
Учебник для вузов. – М.: АСВ, 2002. – 500 с., ил.
ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОИНДЕКСНЫХ МАСЕЛ
ИЗ СЕРНИСТЫХ И ВЫСОКОСЕРНИСТЫХ НЕФТЕЙ
С.А. Антонов, Е.О. Жилкина
Научный руководитель: д.х.н., профессор Н.Н. Томина
Самарский государственный технический университет, г. Самара
В настоящее время в нашей стране происходит постепенный переход
к выпуску и потреблению топлив Евро - 4 и 5. При использовании таких
топлив содержание серы в основе моторного масла становится значимым.
Это объясняется тем, что в двигателе сгорает испаряемая часть базового
масла, и образуются экологически вредные SOх. Поэтому современные
требования предусматривают снижение содержания серы в базовом масле
до 0,03 % мас. Общепринятой в мировой практике является классификация
базовых масел по API. Согласно данной классификация [1] базовые масла
II и III групп должны содержать менее 0,03 % мас. серы, 90 и/или более
мас % насыщенных соединений. Для II группы масел индекс вязкости
должен находиться в пределах от 80 до 120, а для III группы быть более
120.
При переходе на топлива Евро - 4 и 5 необходимо использовать в
производстве масел базовые основы II и III группы по API [2].
226
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Проблема производства высокоиндексных масел из сернистых и
высокосернистых
нефтей
диктует
необходимость
модернизации
технологий и создания процессов, позволяющих активно влиять на
химический состав и свойства получаемых масел [3]. Одним из таких
процессов является гидроконверсия рафинатов селективной очистки
(RHC). Процесс разработан компанией Exxon Mobil [4]. Назначение
процесса – увеличение индекса вязкости, снижение испаряемости по
NОАК, увеличение содержания насыщенных углеводородов, улучшение
цвета базовых масел.
Процесс происходит в двух реакторах гидроконверсии с одним
слоем катализатора и в одном реакторе гидрогидрофинишинга также с
одним слоем катализатора. В процессе гидроподготовки обеспечивается
требуемое увеличение индекса вязкости и удаление серы и азота. Стадия
гидрофинишинга осуществляется при более низких температурах по
сравнению со стадией гидроподготовки рафината, чтобы обеспечить
удаления остаточых ароматических соединений и добиться хорошей
стабильности базовых масел. Поток с установки гидроконверсии затем
фракционируется в вакуумных отпарных колоннах для обеспечения
соответствия требованиям спецификаций по летучести и вязкости.
Изменение физико-химических свойств сырья и продукта установки RHС
представлено в таблице [4,5].
Получаемый в процессе RHC продукт содержит меньшее количество
веществ, ухудшающих цвет, стабильность, повышающих токсичность,
поэтому возможно использование простой заключительной стадии
разделения без сепарации промежуточных продуктов. Содержание
насыщенных соединений в базовом масле в начале рабочего цикла
достигает 99% (по методу Exxon FLS — жидкостная хроматография
высокой разрешающей способности) и очень медленно снижается в
процессе
работы
установки.
В
227
реакторе
доочистки
продукт
25-26 сентября 2013, Саратов
стабилизируется и затем фракционируется для удовлетворения требований
спецификаций по испаряемости.
Таблица 1
Изменение свойств рафинатов в процессе RHC
Рафинат
Средневязкий
Кинематическая вязкость,
Средневязкий
после RHC
Вязкий
Вязкий после
RHC
5,06
4,62
9,54
7,86
Плотность при 15°C, г/см3
0,869
0,851
0,877
0,864
Содержание серы, % мас.
0,57
0,00
0,59
0,00
5%
394
387
447
399
50%
429
426
489
483
99,5%
484
481
567
562
при 100°C, мм2/с
Фракционный состав, °С
(по ASTM D-2887):
Производство
модернизации
высокоиндексных
существующего
базовых
производства
масел
получения
за
счет
масел
с
применением современных гидрокаталитических процессов, внедрения
современных катализаторов позволит сохранить и укрепить позиции
любой нефтяной компании [6].
Литература
1.
Lynch T.R. Process Chemistry of Lubricant Base Stocks. New
York: CRC Press, Taylor & Francis Group. -2008. - 369 p.
2.
Цветков О.Н. Обеспечение отечественного производства
моторных масел высококачественными базовыми маслами // Мир
нефтепродуктов. -2009. - №4. - с. 22-23.
3.
Шабалина
Т.Н.,
Каминский
С.Э.
Гидрокаталитические
процессы в производстве масел. Самара: ГУП. СамГТУ.-2003.-56 с.
228
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
4.
Процесс гидроконверсии рафинатов селективной очистки
масел (RHC) компании «Exxon». Экспресс информация. Переработка
нефти и нефтехимия.- 2001.-№1. – с. 7-12.
5.
Производство базовых масел компанией «Exxon mobil».
Экспресс информация. Переработка нефти и нефтехимия.- 2002.- №5-6. –
с. 28-31.
6.
Плешакова Н.А., Тыщенко В.А., Антонов С.А. и др.
Эффективность внедрения гидрогенизационных процессов в схемы
получения высокоиндексных масел. «Нефтегазопереработка-2010», Уфа. –
2010.- с. 132.
ПАРАДИГМА ФОРМАЛЬНОГО ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКОГО
ОПИСАНИЯ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ СЕРВИСНЫХ МЕДИЦИНСКИХ
РОБОТОВ В КЛИНИКЕ
Д.Г. Лапитан
Научный руководитель: д.т.н., доцент Д.А. Рогаткин
Московский областной научно-исследовательский клинический институт
имени М.Ф. Владимирского, г. Москва
Стремительное развитие в современном мире робототехники
открывает новые возможности во многих областях деятельности человека,
в том числе и в медицине. С начала 2000-х годов наблюдается резкий
скачок первых инновационных проектов по созданию коммерческих
медицинских роботов, которые уже начали поступать в клиники. И одно из
наиболее ярко проявляющихся сегодня направлений в медицинской
робототехнике - направление по роботам-помощникам, или, как их еще
называют, - сервисным медицинским роботам (СМР). Однако известные
229
25-26 сентября 2013, Саратов
классические монографии по общей (промышленной) робототехнике [1,2]
посвящены
не
конкретно
медицинским
роботам,
а
разработке
промышленных роботов общего назначения. В них очень слабо
описываются
(или
не
описываются
вовсе)
теоретические
основы
проектирования таких роботов, обобщенные модели и алгоритмы
поведения СМР в клинике, их функции назначения, и в том числе методы
описания среды обитания робота.
Поэтому в данной работе рассматривается парадигма формального
инженерно-технического описания среды обитания СМР в клинике.
Иногда ее называют «моделью мира робота» [3]. Было установлено, что
всю среду обитания СМР в клинике можно представить в виде трех
больших классов однородных и имеющих общие ключевые признаки
объектов, а именно: 1) Территория обитания робота (коридоры, комнаты) и
ее ландшафт (лестницы, уступы, уклоны); 2) Предметы, расположенные на
территории (двери, мебель, приборы); 3) Другие обитатели (врачи,
пациенты, другие роботы).
Для каждого класса исследовались варианты формализованных и
унифицированных
инженерных процедур описания его элементов и
способов задания их в программном обеспечении (ПО) СМР в виде набора
признаков и/или переменных. Для этого сначала был составлен
развернутый список признаков (свойств) каждого из типовых экземпляров
объектов каждого перечисленного класса. Все возможные свойства
(признаки) объектов могут подразделяться на изменяемые свойства
(например, состояние прибора включен/выключен) и на неизменяемые
свойства (скажем, размер комнаты), а также на редко изменяемые свойства
(например, параметры телосложения пациента). Также возможно деление
на существенные признаки (например, цвет глаз пациента) и на
несущественные (например, цвет одежды) в смысле опознания объекта
роботом и возможности их классификации. Собственно, все это в целом
230
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
известно в теории распознавания образов [4-5]. Все эти свойства объектов
могут быть заданы в виде числовых, включая массивы данных,
символьных (строковых) и/или логических переменных, а также в виде
функций от этих переменных (методов работы с переменными). Наиболее
эффективно
сегодня
ориентированного
это
достигается
программирования,
средствами
например,
объектнона
основе
высокоуровневых языков C++ и LabView. В этих языках для каждого
класса объектов определяются их общие характерные признаки (элементы
класса), которые затем внутри основного выполняемого кода программы
могут принимать различные конкретные значения у разных конкретных
экземпляров (объектов) этого класса.
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
class device //класс прибор
{
public:
int NumberID; //инвентарный номер
float length, width, height; //габариты
int color[3]; //цвет в RGB
string name; //назначение
bool movable; //перемещаемый=1/не перемещаемый=0
bool on; //включен=1/выключен=0
int RoomID; //номер комнаты
float X,Y; //координаты в комнате
list<string> Properties; //список дополнительных параметров
};
int main()
{
device ultrasound_device;
ultrasound_device.NumberID = 133;
ultrasound_device.length = 0.7;
ultrasound_device.width = 0.5;
ultrasound_device.height = 1.5;
ultrasound_device.color[0] = 87;
ultrasound_device.color[1] = 153;
ultrasound_device.color[2] = 224;
ultrasound_device.name = "US-sсanner ";
ultrasound_device.movable = 0;
ultrasound_device.on = 1;
ultrasound_device.RoomID = 325;
ultrasound_device.X = 2.5;
ultrasound_device.Y = 3.8;
ultrasound_device.Properties.push_front("Model 12-5/L38");
ultrasound_device.Properties.push_front("3D mode");
}
Рис. 1. Пример создания класса объектов «Device» на языке С++
и пример выполняемого кода присвоения первому экземпляру этого класса
конкретных характеризующих его значений
231
25-26 сентября 2013, Саратов
Пример
рис.1
иллюстрирует
формирование
класса
объектов
«Прибор» на языке С++ и пример выполняемого кода основной программы
по
присвоению
первому
экземпляру
этого
класса
-
объекту
«ультразвуковой_прибор» - конкретных числовых и символьных значений,
характеризующих
его
уникальные
свойства
для
СМР.
Рис.
2
демонстрирует аналогичные возможности создания класса объектов
«Приборы» на языке LabView. Как видим, средства LabView более
наглядны, но принципиальной разницы в подходах между этими
языковыми формами нет. Фактически, это - единая парадигма объектноориентированного программирования, и она удобно, однозначно и
достаточно унифицированным образом может определять сегодня всю
формальную инженерно-техническую процедуру описания среды обитания
любого робота в клинике. Поэтому она была принята в данной работе за
основу для дальнейшей проработки.
Рис. 2. Тот же пример создания класса объектов «Прибор» на языке LabView
232
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Также в ходе исследований было показано, что среди существующих
в робототехнике подходов по описанию территории обитания роботов,
именно метод объектно-ориентированного описания является наиболее
естественным и точным методом в рамках характерных расстояний внутри
клиники. В этом методе вся территория и имеющиеся на ней предметы и
другие обитатели описываются в единых терминах объектов и их свойств.
К объектам территории относятся все помещения (комнаты, коридоры и
т.д.), имеющие свои собственные размеры (длину, ширину, высоту –
массив данных {L,W,H}), цвет стен (массив данных {RGB}) и соединения
с другими помещениями (входы-выходы), которые в совокупности
однозначно их характеризуют. Внутри комнат располагаются предметы и
обитатели в координатной сетке {X,Y,Z} каждой комнаты в зависимости
от ее размеров. Движение робота по территории происходит от узла к узлу
по карте, где в каждом конкретном узле согласно заложенной в СМР карте
местности он точно знает, в каком направлении от него находится тот или
иной искомый объект (комната, прибор и пр.). Это позволяет ему
самостоятельно прокладывать маршрут из любой точки для доступа к
любому нужному объекту.
Таким образом, среда обитания СМР в клинике должна описываться
на объектно-ориентированном языке в терминах классов объектов и
конкретных экземпляров объектов внутри каждого класса с присвоением
всем объектам среды тех уникальных индивидуальных свойств, которые
способны
«видеть»
и
классифицировать
органы
чувств
робота
(совместно со встроенной системой распознавания образов) инвариантно
по
отношению
к
меняющимся
условиям
наблюдения
объекта
(освещенность комнаты, например). Одним словом, именно наличие у
СМР конкретного набора органов чувств определяет те существенные и не
существенные свойства объектов, которые должны закладываться при
проектировании в ПО робота в виде его модели мира.
233
25-26 сентября 2013, Саратов
Представленная работа выполнена при финансовой поддержке
гранта РФФИ № 12-08-00415-а.
Литература
1. Юревич Е.И. Основы робототехники. - 2-е изд., перераб. и доп. СПб. БХВ-Петербург, 2005. - 416с.
2. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Теоретические
основы робототехники. Кн. 2. – М.: Наука, 2006. – 376с.
3. Интегральные роботы. Сборник статей. / Пер. с англ. под ред.
Г.Е.Поздняка. – М.: Мир, 1973. – 624с.
4. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько С.В., Романов М.П.
Искусственный интеллект и интеллектуальные системы управления / Под
ред. И.М. Макарова. - М.: Наука, 2006. - 333с.
5. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. Теория распознавания образов
(статистические проблемы обучения). – М.: Наука, 1974. – 416с.
ПРИМЕНЕНИЕ ОТХОДОВ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР ДЛЯ ОЧИСТКИ
ВОД ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
А.А. Алексеева, А.Ш. Шаймарданова
Научный руководитель: к.т.н., доцент С.В. Степанова
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, г. Казань
Загрязненные производственные стоки представляют угрозу для
водных объектов, так как содержат высокотоксичные вещества, среди
которых наиболее опасны соединения тяжелых металлов. Последние,
попадая в окружающую среду и взаимодействуя с другими элементами,
234
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
образуют токсиканты, даже незначительные количества которых могут
нанести вред здоровью человека и состоянию окружающей среды.
Тяжелые
металлы,
включаясь
в
пищевую
цепь,
способны
концентрироваться в организме до количеств, в сотни и тысячи раз
превосходящие их содержание в водной среде. Одним из эффективных
методов извлечения ионов тяжелых металлов (ИТМ) из водных объектов
является сорбция [1].
Сорбционная
очистка
воды
-
физико-химические
процессы
поглощения твердыми сорбентами примесей (молекул, ионов) из воды.
При сорбции происходит поглощение и концентрирование веществ из
раствора на поверхности и в порах сорбента. Сорбенты для очистки воды –
это вещества, обладающие высокой адсорбционной способностью, то есть
могущие задерживать и накапливать в себе различные примеси,
содержащиеся в воде. В настоящее время проводится поиск дешевых, но в
тоже время эффективных сорбентов для очистки воды от ИТМ. В этом
плане особый интерес представляют отходы
растениеводства, которые
являются вторичными материальными ресурсами. Они экономически
выгодны и экологически безопасны.
Исследование
сорбционной
способности
отходов
сельского
хозяйства (шелуха пшеницы, овса, ячменя) является актуальной задачей,
поскольку поможет производить очистку сточных вод от ИТМ при низких
экономических затратах. Важнейшими свойствами пшеницы являются
строение и химический состав зерна, а также строение и состав
образующих тканей. Снаружи зерно пшеницы покрыто плодовыми и
семенными оболочками. Состав ШП: лигнин – 31,53 %, пентозаны – 16,79
%, N – 2,09 %, C – 41,10 %, H – 5,57 %. Шелуха овса – отход переработки
овса, представляет собой лёгкий материал с характерной формой
скорлупы, плотность – 100 кг/м3. Состав ШО: лигнин – 29,16 %, пентозаны
235
25-26 сентября 2013, Саратов
– 21,18 %, N – 1,93 %, C – 42,39 %, H – 5,77 %. Состав ШЯ: лигнин – 18,40
%, пентозаны – 42,57 %, N – 3,88 %, C – 41,03 %, H – 6,01 %.
Эксперименты по определению сорбционной емкости приводились в
статистических и динамических условиях, на модельной СВ в различных
средах: в нейтральной и кислой (в модельную сточную воду добавлялась
96 % -ная H2SO4 до достижения растворами рН = 3).
В четырнадцать плоскодонных колб емкостью 250 мл помещались
навески исследуемых СМ по 1 г. Затем в колбы заливалось по 200 мл
раствора, содержащего ион Zn(II) в концентрациях от 20 мг/л до 4000
мг/л: 20, 40, 60, 80, 100, 200, 300, 400, 500, 750, 1000, 2000, 3000 и 4000
мг/л.
В модельной СВ в качестве загрязнения использовался ZnSO4·7H2O.
Навеска соли бралась с учетом кристаллизационной воды.
Колбы с находящимися в них навесками СМ и соответствующими
растворами плотно закрывались пробками и энергично встряхивались в
течение 3 часов. Затем СМ удалялся фильтрацией, а в фильтратах
определялись остаточные концентрации иона Zn(II) согласно стандартным
методикам выполнения измерений массовой концентрации иона Zn(II)
фотометрическим методом в сточных и природных водах [2].
Количество ионов металла, сорбированное 1 г СМ (Г) в мг/г
рассчитывалось по формуле:
Г=((С0 –Ср)·200)/ (1·1000),
где С0 – исходная концентрация ионов металла, мг/л; Ср – конечная
концентрация ионов металла, мг/л; 200 – объем раствора, мл; 1 – вес СМ, г;
1000 – переход от мл к л.
При использовании СМ массой 1 г для сорбции иона цинка
получены результаты, представленные на рис. 1.
236
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис.1. Зависимость сорбционной емкости СМ от концентрации
Из графика, представленного на рис. 1 видно, что сорбционная
емкость заметно увеличивается до определенной концентрации, затем
происходит насыщение СМ и рост сорбционной емкости перестает
интенсивно меняться. Таким образом, с увеличением концентрации цинка,
сорбционная емкость перестает интенсивно расти.
Из рис. 1 можно сделать вывод, что большей сорбционной емкостью
по отношению к иону цинка обладает шелуха овса, чуть ниже сорбционная
емкость – у ячменя, и еще ниже – у пшеницы.
Для определения сорбции ИТМ в статистических условиях в пять
плоскодонных колб емкостью 250 мл помещались навески СМ по 0,1 г.
Навески вносились исходя из содержания сорбционных материалов в
количестве 1 г на литр жидкости. Затем в колбы приливалось по 100 мл
модельных растворов, содержащих ион Zn(II) в концентрации 100 мг/л.
Колбы с находящимися в них навесками СМ и растворами плотно
закрывались пробками и энергично встряхивались на шейкерах в течение
заданных промежутков времени: 30 мин., 1 час, 2 часа, 3 часа, 5 часов.
Затем СМ отфильтровывались и в фильтратах определялись
остаточные концентрации иона
Zn(II) фотометрическим методом,
237
25-26 сентября 2013, Саратов
согласно методикам [27]. По полученным конечным концентрациям
компонентов при различном времени контакта СМ и раствора, строились
кинетические кривые изменения концентрации иона Zn(II).
Результаты полученных данных, представленные на рис. 2.
Рис. 2. График зависимости сорбционной емкости СМ от времени
Из
графика
зависимости
сорбционной
емкости
видно,
что
поглощение цинка с течением времени идет неравномерно, с увеличением
времени выдержки сорбционная емкость увеличивается.
Анализируя кривые, можно сделать вывод, что шелуха овса имеет
большую сорбционную емкость в статических условиях по сравнению с
другими видами шелухи. Наименьшая сорбционная емкость – у шелухи
пшеницы.
Для проведения эксперимента с по изучению сорбции ионов
тяжелых металлов в динамических условиях в адсорбционные колонки
набивалось по 5 г СМ и пропускался раствор с концентрацией иона Zn(II),
равной 100 мг/л. Устанавливался определенный расход прохождения
модельной СВ через слой СМ, равный 20 мл/мин. Через определенные
промежутки
времени
(0,5ч,
1ч,
238
1,5ч)
определялись
остаточные
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
концентрации иона Zn(II) в воде, прошедшей через слой реагента. По
полученным
данным
строились
кривые
зависимости
остаточной
концентрации Zn(II) в растворе после очистки от времени прохождения
модельной воды через слой СМ в нейтральной и кислой среде, а также в
условиях плазменной обработки в динамических условиях.
Количество иона Zn(II), поглощенного 1 г СМ (М) за определенный
промежуток времени в динамических условиях, определялось по формуле:
Мi =((С0 – Ср)·υ·τ)/ (m·1000) ,
где С0 – исходная концентрация иона Zn(II), С0=100 мг/л; Ср –
конечная концентрация иона Zn(II), мг/л; υ – скорость прохождения
раствора, υ=20 мл/мин; m – вес СМ, m=5 г; τ – интервал пробоотбора, мин;
1000 – переход от мл к л.
Суммированием всех значений М за 90 минут определялось значение
максимальной сорбционной емкости исследуемых СМ в заданных
одинаковых условиях:
М = ∑ Мi
В ходе эксперимента получены данные, представленные на рис.3.
Рис. 3. Сорбционная емкость СМ в динамических условиях
239
25-26 сентября 2013, Саратов
Из гистограммы 3 видно, что лучшей сорбционной емкостью
обладает шелуха овса, незначительно ниже сорбционная емкость – у
шелухи ячменя, и еще ниже – у шелухи пшеницы.
С целью повышения сорбционной способности СМ по отношению к
ионам цинка в качестве модификата использовался раствор серной
кислоты.
Было исследовано влияния параметров химической обработки
сорбента на его сорбционные свойства по отношению к иону Zn.
Определялась сорбционная емкость модификатов СМ в зависимости от
времени модификации и их концентрации в растворе.
Первоначально была проведена обработка СМ водными растворами
H2SO4 с концентрацией 0,5 – 3 %. При контактировании СМ с растворами
серной кислоты концентрацией последней более 3 %, выявлено, что
волокна сильно разрушаются.
В связи с этим
было исследовано влияние концентрации
модификаторов на сорбционные свойства шелухи пшеницы, ячменя и овса.
Образцы СМ по окончанию взаимодействия с растворами серной кислоты
с
концентрацией
0,5,
1
и
3
%
промывались
несколько
раз
дистиллированной водой, сушились и исследовались на изменение
сорбционной емкости по отношению к иону цинка. Значения сорбционной
емкости в зависимости от концентрации раствора серной кислоты и вида
шелухи приведены в таблице 1.
Таблица 1
Значения сорбционной в зависимости от концентрации раствора
серной кислоты и вида шелухи
Концентрация
Масса сорбированного иона цинка, мг/г
раствора, %
ШП
ШЯ
ШО
0,5
6,34
6,99
5,71
1
6,98
7,65
6,06
240
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
3
7,2
7,96
6,38
Из данных, приведенных в таблице 1 очевидно, что наибольшее
значение
сорбционной
емкости
наблюдается
у
образцов
СМ,
модифицированных 3 % - ным раствором H2SO4. Следующим этапом
работы планируется определение оптимального времени контактирования
ШП, ШЯ и ШО с 3 % - ным раствором H2SO4, при котором достигается
наибольшее значение сорбционной емкости.
Литература
Сергиенко В.И. Возобновляемые источники химического
1.
сырья: комплексная переработка отходов производства риса и гречихи /
В. И. Сергиенко, Л. А. Земнухова, А. Г. Егоров // Журнал Российского
химического общества им. Д. И. Менделеева. – 2004. – Т. 48, № 3. –
С. 116-124.
2.
Characterization of Cr(VI) binding and reduction to Cr(III) by the
agricultural byproducts of Avena monida (Oat) biomass /
J. L. Gardea–
Torresdey [et al] // J. Hazardous Mater. – 2000.- Vol. 80. – № 1-3. – Р. 175-178.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СЛОЕВ МЕДИ
А.А. Бондарь, И.В. Перинская
Научный руководитель: д.т.н., профессор В.В. Перинский
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Область имплантационных изменений в толстых покрытиях меди
захватывает лишь приповерхностные слои толщиной в несколько десятых
241
25-26 сентября 2013, Саратов
микрона, что по аналогии с данными по алюминию уменьшает
эффективную степень пассивации. В то же время и для таких слоев
существуют режимы ионно-лучевой обработки, обеспечивающие заметное
подавление химической активности покрытий (таблица 1). Важный вывод
из представленных данных связан с сильным влиянием вида иона [1].
Таблица 1
Нормированная скорость травления имплантированных слоев
меди (d=12 мкм)
Тип иона
Энергия, кэВ
Доза, мкКл/см2
V
Ar+
60
2000
0,40
N2++Ar+
75+60
2000+2000
0,15
Ar+
60
3000
0,20
N2++Ar+
75+60
3000+3000
0,10
Процесс
коррозии
исследованных
имплантированных
слоев
локализуется на дефектах поверхности, в первую очередь, необлученных
микроучастках, связанных с присутствием пыли.
Наиболее сильное уменьшение скорости растворения наблюдалось
на начальной стадии; пониженной оказывалась и скорость объемного
травления
образцов
[2].
На
повышение
коррозионной
стойкости
имплантированных металлов указывают и зависимости токов анодного
растворения
причем
их
от времени протекания электрохимического процесса,
качественно
одинаковый
вид
для
необлученных
и
имплантированных образцов свидетельствует о неизменности механизма
электрохимического растворения.
Зависимость
микротвердости
Нµ
от
нагрузки
Р
на
имплантированных медных слоях аналогична соответствующим кривым
на массивном медном образце марки М-1 (значения усреднялись в каждой
точке по 15 измерениям). Результаты испытаний при выбранной нагрузке
242
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Р=5 г приведены в таблице 2 (коэффициент перевода дозы: 1мкКл/cм2
=6,23·1012ион/см2).
Таблица 2
Результаты измерения микротвердости
Ион
Энергия, кэВ
Доза, мкКл/см2
d0, мкм
Нµ, кг/мм2
-
-
-
11,3
72,5
Ar+
75
1000
11,0
76,5
Ar+
75
2000
11,5
70,0
Ar+
75
3500
11,2
74,0
Ar+
250
5000
11,6
69,0
N2+
75
1500
11,4
71,5
N2+
75
2000
11,0
76,5
N2+
75
3000
10,0
76,0
В пределах ошибки (0,3 мкм по диагонали d0 отпечатка)
микротвердости исходных и облученных слоев совпадают.
Таблица 3
Результаты испытаний на истираемость
Ион
Энергия, кэВ
Доза, мкКл/см2
tистир., мин
-
-
-
12,2
Ar+
60
5000
14,0
Ar+
75
2000
12,0
Ar+
75
3000
16,8
Ar+
60+100
6000+1000
18,5
Наибольшее (пятидесятипроцентное) увеличение износостойкости
установлено в режиме двойной имплантации. Здесь следует отметить, что
полученные
данные
являются
усредненными
243
по
всей
толщине
25-26 сентября 2013, Саратов
имплантированного слоя. На тонких слоях хрома (0,14 мкм) после
имплантации было установлено увеличение времени истирания в 3-5 раз.
Таблица 4
Результаты измерения коэффициента трения
Ион
Энергия, кэВ
Доза, мкКл/см2
Коэффициент трения
-
-
-
0,11
Ar+
75
1500
0,17
Ar+
75
3000
0,17
Ar+
75
4000
0,15
Ar+
60+75
1000+1000
0,15
Эти
результаты
свидетельствуют
о
некотором
увеличении
коэффициента трения медных слоев после ионно-лучевой обработки, что
не согласуется с литературными данными [3].
Результаты испытаний на паяемость были критичными после
предварительных
испытаний
(однократных)
свариваемости
ионно-
пассивированных слоев алюминия, потребовавших больших токов сварки
расщепленным электродом. Пайка осуществлялась припоем «ПОС-61» с
фольгой толщиной 30 мкм. В результате испытаний установлено
удовлетворительное облуживание поверхности как исходных, так и
облученных образцов.
Таблица 5
Результаты испытаний механической прочности паяных соединений
Ион
Энергия, кэВ
Доза, мкКл/см2
-
-
-
550
Ar+
Мех. прочность соедин.,г/cм2
100
2500
520
+
Ar
75
1500
530
Ar+
75
3000
544
Ar+
75
1000
350
244
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Ar+
75
2000
500
Прочность пайки после ионно-лучевой обработки уменьшается
незначительно (<10%), за исключением режима Ar+ (1000 мкКл/см2),
предшествующего наступлению химической пассивации.
Для достижения высокой износостойкости, химической инертности,
Cu, Cr, Al, Ti достаточно создания новых структурных модификаций и
ионного
перемешивания
введением
радиационных
дефектов
и
энергетического воздействия на обрабатываемые поверхности материалов
на установке ионного легирования «Везувий - 5» с параметрами энергии
ионов 75кэВ и дозы ионов 3000-5000 мкКл/см2 в вакууме ~ 10-4мм.рт.ст.
Литература
1. Перинский В.В., Перинская И.В. Наноструктурные факторы
химической коррозии металлов, имплантированных ионами аргона / В.В.
Перинский, И.В. Перинская // Технология металлов, № 10, Москва, 2008. № 10. – 20-22 с.
2. Перинская И.В., Перинский В.В. Ионо-лучевая пассивация меди /
И.В. Перинская, В.В. Перинский // Технология металлов, № 10, Москва,
2008. - № 11. – 31-34 с.
3. Перинская И.В., Перинский В.В., Маркелова О.А. Практические
аспекты
наноструктурной
модификации
материалов
ионно-лучевой
обработкой, в качестве базового метода кластерного оборудования / И.В.
Перинская, В.В. Перинский, О.А. Маркелова // Вестник СГТУ, 2011г. - №
1(53). - Вып.2. - 71-77 с.
245
25-26 сентября 2013, Саратов
АДГЕЗИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ ПРИ РАССЛОЕНИИ
ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ РЕЗИНЫ И ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА
А.А. Шихдурдыева, А.И. Шумилин, С.В. Телегин, С.Я. Пичхидзе
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А.
Уникальный комплекс свойств фторполимеров определяет их
широкое использование в технике и медицине. Из них получают
агрессивостойкие и биоинертные шланги, артерии, уплотнители, протезы.
Изделия из фторполимеров обладают значительным комплексом свойств
по
твердости,
плотности,
изгибоустойчивости.
Изделия
прочности,
из
эластичности,
фторполимеров
каркасности,
используют
как
комплектующие детали, т.к. они обладают низкой набухаемостью в
растительных маслах, углеводородах, спиртах, кислотах. В сборных
конструкциях из эластичной резины и каркасного термопласта обычно
используются
фторсодержащие
сополимеры
на
основе
ТФЭ
(тетрафторэтилен), ГФП (гексафторпропилен) и ВФ (винилиденфторид), а
также композиты на их основе [1…3].
Целью настоящего исследования является определение адгезионной
прочности
при
расслоении
фторсодержащей
резины
и
политетрафторэтилена.
В качестве объектов исследования использовались фторсодержащая
резина 420-264B/5 на основе СКФ-264B/5 перекисной вулканизации и
Ф4С25 на основе ПТФЭ, содержащий 25 масс. % стекловолокна. Данное
сочетание материалов обычно используется в уплотнителях вращающихся
валов.
246
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ПТФЭ вследствие особенностей химического строения инертен,
имеет высокую термостабильность, однако обладает низкой адгезией к
большинству
материалов.
Для
повышения
адгезии
ПТФЭ
к
фторсодержащей резине используются химические и физические методы
обработки поверхности ПТФЭ. Химическую модификацию поверхности
Ф4С25 осуществляли, погружая образцы в натрий-нафталиновый комплекс
в
тетрагидрофуране.
В
качестве
дополнительного
модификатора
стекловолокна использовали 3-аминопропилтриэтоксисилан (АГМ-9). Для
фторсодержащей резины в качестве физических методов модификации
поверхности применялась обработка резины ИК-лазером и нанесение
тонкой пленки алюминия магнетронным и термическим нанесением в
вакууме.
Для ИК-облучения резины использовалась установка на базе АИГлазера с диодной накачкой, работающего в режиме модулированной
добротности, частота следования импульсов 30 кГц, длительность
импульса 120 нс (НПФ «Прибор-Т», г. Саратов) в среде воздуха,
продолжительность обработки – 1…3 мин. Под действием излучения
поверхность резины подвергается локальному термолизу, очищается от
загрязнений и происходит её гидрофилизация [1, 2].
Магнетронное нанесение алюминия проводилось на базе научнопроизводственной фирмы «Пьезон» СГТУ. В качестве ионообразующего
газа применялся высокочистый аргон. Система магнетронного распыления
собрана на основе вакуумного универсального поста ВУП-4. Распыление
алюминия проводилось при давлении порядка 8*10-2 мм. рт. ст., разность
потенциалов между катодом и анодом 600 В.
Термическое нанесение алюминия осуществлялось на установке
вакуумного напыления УРМ 3.279.028. Данная установка оснащена
системой нагрева испаряемого материала за счет бомбардировки тигля с
веществом электронами эмитируемым вольфрамовым катодом. Такая
247
25-26 сентября 2013, Саратов
схема
нагрева
обеспечивает
высокую
равномерность
температуры
расплава металла и плавность регулировки скорости распыления [4, 5]. В
механической части камеры для распыления металлов предусмотрена
заслонка. В момент нагрева тигля до температуры плавления металла
заслонка находится в закрытом состоянии, что предотвращает попадание
легкоплавких примесей и загрязнении и окислов, содержащихся на
поверхности металла, на подложку.
На рис. 1 представлены изображения атомно-силовой микроскопии
(АСМ) образцов резины с магнетронным и термическим нанесением
пленки алюминия.
Исходя из проведенного анализа изображений АСМ можно сделать
вывод, что применение в качестве физических методов модификации
поверхности обработки фторсодержащей резины 420-264В/5 нанесение
тонкой пленки алюминия магнетронным и термическим нанесением
позволяет уменьшить параметры шероховатости. Исходная шероховатость
не
обработанной
резины
составляет
порядка
30
нм,
применяя
магнетронное напыление, шероховатость уменьшается до 19 нм, а при
термическом напылении равна 24 нм.
Для оценки прочности адгезионного взаимодействия определялось
усилие, необходимое для разделения слоев резины 420-264В/5 и Ф4С25.
Анализ результатов таблицы 1 показывает удовлетворительную
адгезионную прочность при расслоении модифицированных образцов
ПТФЭ к резине. Существенно (в 10-12 раз) увеличивается этот показатель
при использовании химически модифицированного ПТФЭ.
Прочность при расслоении «резина-Ф4С25» после химической
обработки Ф4C25 превышает значение данного показателя образцов с не
модифицированным Ф4C25 как за счет дефторирования поверхности
фторопласта, так и за счет гидрофобизации поверхности стекла
аминосиланом. АГМ-9, как бифункциональное соединение, обеспечивает
248
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
химическое взаимодействие между матрицей резины (каучуком) и ПТФЭ
марки Ф4С25.
Таблица 1
Прочность при расслоении «резина – Ф4С25»
№
420-264В/5
1
исх.
2
+ ИК-лазер
3
4
Прочность при расслоении, Н/см
Резина
+ алюминий
(магнетрон)
+ алюминий
(термораспыл)
Ф4С25
немодифицированные
химическая модификация
-
20,7
1,8
22,9
2,3
23,8
2,1
23,4
Примечание: «–» значение прочности при расслоении менее 1 Н/см.
Рис. 1. АСМ объектов исследования: а – 2D изображение фторсодержащей резины;
б – 2D изображение фторсодержащей резины с пленкой алюминия, нанесенной
магнетронным методом; в – 2D изображение фторсодержащей резины с пленкой
алюминия, полученной термическим напылением; г – 3D изображение
фторсодержащей резин; д – 3D изображение фторсодержащей резины пленкой
249
25-26 сентября 2013, Саратов
алюминия, нанесенной магнетронным методом; е – 3D изображение фторсодержащей
резины с пленкой алюминия, полученной термическим напылением
На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1)
определена
адгезионная
прочность
при
расслоении
фторсодержащей резины 420-264В/5 на основе СКФ-264В/5 и композита
Ф4С25 на основе ПТФЭ, содержащего 25 масс. % стекловолокна,
2)
показано возрастание прочности адгезии при расслоении
дополнительной обработкой фторсодержащей резины ИК-излучением, а
также магнетронным и термонапылением алюминия.
Литература
1. Шумилин А.И., Гринёв В.С., Конюшин А.В., Дюжев-Мальцев
В.Л., Пичхидзе С.Я. Повышение адгезионной прочности фторсодержащей
резины к политетрафторэтилену. Материалы II Всероссийской заочной
научной конференции для молодых ученых, студентов и школьников
«Актуальные вопросы биомедицинской инженерии», Саратов: СГТУ,
2012.-с.89-96.
2. Шумилин А.И., Гринёв В.С., Конюшин А.В., Дюжев-Мальцев
В.Л., Пичхидзе С.Я. К вопросу об увеличении адгезионной прочности
фторсодержащей резины и политетрафторэтилена. VI
Международная
конференция. Перспективные полимерные композиционные материалы.
Альтернативные
технологии.
Переработка.
Применение.
Экология.
Композит-2013, Саратов: СГТУ, 2013.-с.170-172.
3. Галил-Оглы Ф.А, Новиков А.С, Нудельман З.Н. Фторкаучуки и
резины на их основе. М.: Химия, 1966, с.91-105.
4. Костржицкий А.И. Справочник оператора установок по нанесению
покрытий в вакууме. М.: Машиностроение, 1991. – 176 с.
5. Тонкие пленки. Взаимная диффузия и реакции. Дж. Поут, К. Ту,
Дж. Мейер, Пер. с англ. М.: Мир, 1982. – 576 с.
250
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
СТОМАТОЛОГИЧЕСКОЕ
ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО
А.Г. Авакян, А.В. Базин*, В.И. Горбань*, Н.А. Вулах **, С.Я. Пичхидзе
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
*
**
ООО Гируд И.Н., г. Балаково
Саратовский государственный медицинский
университет имени В.И. Разумовского
Разработка относится к получению нового препарата на основе
полигидрата комплекса поливинилового спирта и хлорида магния,
включающего коллоидное серебро и гидроксиапатит (ГА). Комплекс
полигидрата ПВС и хлорида магния относится к физиологически
активным
соединениям,
рассасывающим и
обладающим
анальгезирующим
противовоспалительным,
действием
[1].
ГА
обладает
реминерализующим воздействием на твердые ткани зуб, серебро является
эффективным антисептиком.
Целью работы являлась разработка способа получения полигидрата
комплекса ПВС и хлорида магния, содержащего ионы серебра в
концентрации не менее 10 мг/л, с включением ГА, проявляющего
противовоспалительное,
рассасывающее,
анальгезирующее
и
реминерализующее действие. Планируется его апробация в стоматологии
и
масштабный
выпуск
на
рынок
как
лечебно-профилактического
препарата, оказывающего, в первую очередь противовоспалительное
действие на поврежденные участки слизистой оболочки полости рта
(СОПР), а так же дополнительно реминерализующее воздействие на
твердые ткани зуба в комплексном лечении гиперестезии. Бактерицидные
251
25-26 сентября 2013, Саратов
свойства серебра и его соединений известны уже много столетий. За это
время не было выявлено ни одного случая привыкания к нему патогенной
флоры. Установлено [2], что серебро в нанометрических размерах активнее
хлора,
хлорной
извести,
гипохлорита
натрия
и
других
сильных
окислителей, в 1750 раз сильнее карболовой кислоты и в 3,5 раза - сулемы
(в одинаковой концентрации). Оно уничтожает более чем 650 видов
бактерий, вирусов и грибов.
Для работы нам понадобился гель из полигидрата комплекса
поливинилового спирта и хлорида магния, приготовленный на серебряной
воде argentum colloidate “Mercana”, а так же стало необходимым провести
синтез ГА. Мы выбрали мокрый способ синтеза ГА из водных растворов
по реакции: 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH = Ca10(PO4)6(OH)2 +
20NH4NO3 + 6H2O
В процессе синтеза pH раствора поддерживался на уровне 8-10.
Синтез проводился при комнатной температуре t=20ºС и влажности
воздуха 58%. Синтез заключался в том, что в раствор нитрата Ca(NO3)2
одновременно вводили водные растворы NH4OН и (NH4)2HPO4.
Смешение растворов проводили в течение 60 минут. После
смешения образовавшийся осадок отфильтровывался через бумажный
фильтр [3, 4].
Полученный в результате синтеза осадок оставляли на созревание на
24 часа в стакане, сушили при температуре 95 ºС в течение суток, а затем в
течение 2 часов при температуре 200 ºС и далее в течение 6 часов
прокаливали
при температуре 600 ºС для придания ему более
кристалличной структуры.
Растворимость ГА в полигидрате комплекса ПВС и MgCl2 на
серебряной воде составляет примерно 0,1% вес. при 80º С. С уменьшением
температуры до комнатной растворимость уменьшается до 0,05 % вес. и
выпадают
мелкие
кристаллы
ГА.
252
В
профилактических
целях
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
целесообразен ввод в состав пленки фторирующего агента, например
фторида натрия.
Предварительные испытания пленок для профилактики и лечения,
наиболее распространённых заболеваний
оболочки полости рта
и повреждений слизистой
на 5 пациентах показали их положительный
лечебный эффект. Применение профилактического стоматологического
средства на основе хлористого магния и ГА в сочетании с комплексом
лечебных процедур,
предполагается продолжить далее. Это позволит
индивидуализировать лечение и реализовать весь комплекс
медико-
биологических требований к аппликационным лекарственным формам.
2Θ ,
HKL
D, Å
26,12
002
3,40861887
28,95
210
3,08152329
32,20
211
2,77753083
34,33
202
2,60991593
39,84
130
2,26073518
44,08
113
2,05261080
46,90
222
1,93555132
48,30
132
1,88266769
49,80
213
1,82941682
53,56
004
1,70951669
56,04
322
1,63959816
60,34
240
1,53263042
61,98
124
1,49595506
64,29
323
1,44766489
град.
Рис.1. Дифрактометрический анализ ГА
Рентгеноструктурный фазовый анализ образца ГА проводился на
дифрактометре ДРОН-4 с использованием рентгеновской трубки с медным
анодом (Сu-K α излучение). Для анализа дифрактограмм использовалась
253
25-26 сентября 2013, Саратов
база данных PCPDFWIN, v. 2.02, 1999, объединенный центр по
порошковым дифракционным стандартам (JCPDS).
В таблице все линии принадлежат гидроксиапатиту, карточка
№ 86-740.
Таким образом, в результате работы внедрен синтез ГА
и
определена растворимость ГА в полигидрате комлекса ПВС + MgCl2, а
также изучены физико-химические и медико-биологические свойства
полученного препарата.
Литература
1. Пат. 2268712 Российская Федерация, МПК С01В25/32. Способ
получения полигидратов комплексов поливинилового спирта и хлоридов
магния или кальция/ Гольфарб В.И., Горбань В.И., Пичхидзе С. Я.;
заявитель
и
патентообладатель
ООО
НВФ
«Гируд
И.Н.».-
№2003106929/15; заявл. 12.03.2003; опубл. 27.01.2006, Бюл. №03-2006.-1с.:
ил.
2. Кульский Л.А. Серебряная вода. 9-е изд., Киев: Наукова думка,
1987.-134 с.
3. Брауэр Г. Руководство по неорганическому синтезу. М.: Мир. 1985. - Т.2. – 572 с.
4. Пат. 2406693 Российская Федерация, МПК С01В25/32. Способ
получения суспензии гидроксиапатита/ Сабирзянов Н.А.; заявитель и
патентообладатель Институт химии твердого тела Уральского Отделения
Российской Академии наук .- № 2008140563/15; заявл. 13.10.2008; опуб.
20.12.2010, Бюл. № 35-2008.- 5 с.: ил.
254
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ
И СРОКА СЛУЖБЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
О.В. Аникеева
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.Г. Ивахненко
Юго-Западный государственный университет, г. Курск
Для всех отраслей промышленности точность технологического
оборудования
является
конкурентоспособной
важнейшим
продукции.
Перед
условием
отраслями
выпуска
станко-
и
машиностроения всегда стояла актуальная проблема точного определения
вероятности безотказной работы, т.е. точного прогнозирования параметров
геометрической точности технологического оборудования.
Известно,
что
параметры
геометрической
точности
любого
металлорежущего станка (МРС) зависят от протекающих в нем процессов:
быстрых, средней скорости и медленных [1]. В работе уделено внимание
медленно протекающим процессам, в первую очередь, процессам износа
деталей узлов станков.
Вероятность безотказной работы МРС определяется по формуле [1]:
,
(1)
где Xmax – предельно допустимое значение параметра, при котором
наступает предельное состояние станка;
а0 – математическое ожидание случайного параметра а станка
(параметра геометрической точности станка, подчиняющегося линейному
закону);
γср – среднее значение скорости изменения параметра а станка;
Т – срок службы МРС;
255
25-26 сентября 2013, Саратов
σа – среднее квадратическое отклонение (СКО) параметра а;
σγ – СКО скорости изменения параметра а.
При этом задача определения вероятности Р(Т) для каждого станка
может решаться двумя способами:
1) при заданном ресурсе времени Т=Тр подсчитывается вероятность
безотказной работы Р(Т), которая служит характеристикой надежности
станка: способ не представляет сложности, т.к. искомая вероятность Р(Т)
определяется путем вычисления известного алгебраического уравнения;
2) для станков с высокими требованиями к надежности задается Р(Т),
при этом необходимо определить ресурс времени Тр, обеспечивающий
данный
уровень
безотказности:
наиболее
сложный
способ,
при
использовании которого применяют таблицы квантилей нормального
распределения Хр [2].
В работе [1], пренебрегая σγТ, ресурс времени Тр предложено
рассчитывать по формуле:
(2)
.
Так, для рассмотренного в [1] примере (износ станка U=Х,
Umax=Хmax=10 мкм, а0=0 – номинальный размер, по отношению к которому
определено максимально допустимое значение износа Хmax, σа=1 мкм,
γср=2·10-2 мкм/ч), ресурс времени определяется по формуле:
Тр = 500(1 – 0,1Хр).
(3)
Результаты расчета надежности МРС представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты расчета надежности МРС [1]
Заданное значение Р(Т)
Квантиль Хр (по [2])
Ресурс Тр, ч
0,5
0
500
0,9
1,282
435
0,99
2,326
385
256
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
0,999
3,090
343
0,9999
3,719
315
Приведенные значения ресурса станка Tp рассчитаны при условии,
что σγ2Т2<<σа2. При этом упрощается и выражение для определения
вероятности безотказной работы P(T):
(4)
.
Однако в реальных производственных условиях
. Поэтому
ресурс времени МРС Т=Тр должен определяться из квадратного уравнения:
.
(5)
Решением квадратного уравнения (5) являются 2 вида корней:
исследование
которых
показало,
что
в
,
(6)
,
(7)
дальнейшей
работе
необходимо использовать выражение (6): Тр=Тр1 (на рис. 1 представлен
график зависимости ресурсов времени, рассчитанных по Тр1 и Тр2, от
квантилей Хр: ресурс времени, вычисленный по выражению (7) не
отражает действительности).
Вычисленные по выражению (6) ресурсы времени Тр для некоторых
вероятностей Р(Т) и соответствующих им квантилей Хр показали, что
действительные
значения
межремонтных
интервалов
меньше,
чем
вычисленные по выражению (2).
Вычисленные по выражению (6) ресурсы времени Тр для некоторых
вероятностей Р(Т) и соответствующих им квантилей Хр показали, что
действительные
значения
межремонтных
вычисленные по выражению (2).
257
интервалов
меньше,
чем
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 1. График зависимости величин Тр1
Рис. 2. График зависимости величины Тр
и Тр2 от величины квантиля Хр
от величины квантиля Хр
В таблице 2 представлены некоторые значения Тр(Хр), определенные
согласно выражениям (2) и (6) по данным, представленным в примере.
Таблица 2
Значения Тр для некоторых Хр
Заданное
значение P(T)
Тр, ч
Квантиль Хр
Согласно [1]
По выражению
(6)
Относительная
погрешность, %
0,50
0
500,00
500,00
0,00
0,60
0,2533
487,34
478,96
1,75
0,70
0,5244
473,78
457,66
3,52
0,80
0,8416
457,92
434,18
5,47
0,90
1,282
435,90
403,82
7,94
0,99
2,326
383,70
340,20
12,79
0,995
2,576
371,20
326,37
13,74
0,999
3,090
345,50
299,31
15,43
0,99995
3,891
305,45
260,19
17,40
Достаточно
определенными
большое
двумя
значение
способами
258
разности
между
(максимальная
ресурсами,
относительная
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
погрешность составляет более 17%) говорит о необходимости поправки
определения ресурсов времени. Данный вывод иллюстрирует также рис. 2.
Разность между площадями фигур, ограниченными осями Тр, Хр,
кривой «Тр(Хр) по (6)» и прямой «Тр(Хр) по (2)» соответственно, составляет
более 269,5 «квантиле-часов». Найденное значение разности является
решающим для определения времени наступления потери точности
прецизионного станка.
Кроме
того,
для
подтверждения
неточности
определения
вероятности P(T) безотказной работы станка по выражению (4), были
построены вероятности P(T), определяемые по выражениям (4) и (1) в
зависимости от ресурсов времени Тр, в свою очередь определенных также
двумя способами. Результаты отражены на рис. 3.
а
б
Рис. 3 – Графики зависимости величины вероятности Р(Т) от величины ресурса
времени Тр: а –Тр по (2); б – Тр по (6)
В обоих случаях разность между площадями фигур, ограниченных
осями Р(Т), Тр и кривыми Р(Т) по (4)/(1) составляет 792 «%⋅час». Этой
величиной нельзя пренебрегать для высокоточных станков в единичном и
мелкосерийном производствах.
259
25-26 сентября 2013, Саратов
Таким
образом,
для
более
точного
определения
величины
вероятности безотказной работы станка необходимо пользоваться полным
выражением (1) для вероятности Р(Т), для точного определения ресурса
времени Тр – корнем квадратного уравнения (6).
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования
и науки Российской Федерации, соглашение 14.132.21.1606.
Литература
1. Проников А.С. Надежность машин. – М.: Машиностроение, 1978.
– 592 с.
2. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.И. Таблицы для анализа и контроля
надежности. – М.: Изд-во «Советское радио», 1968. – 288 с.
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
ПРОИЗВОДСТВА ТРОТИЛА И НИТРОБЕНЗОЛА
В СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Я.С. Попов, А.В. Иванков, Е.Е. Ромашин, О.В. Пожидаев
Научные руководители: к.т.н., доцент А.М. Пыжов,
д.х.н., профессор И.К. Кукушкин
Самарский государственный технический университет, г. Самара
Наряду с разработкой и освоением промышленных способов
получения новых веществ и соединений, большое значение имеют работы,
направленные
на
разработку
безотходных
технологий
на
базе
действующих производств, а также мероприятий по охране окружающей
среды и рациональному использованию природных ресурсов.
260
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Современные
производственные
процессы,
как
правило,
сопровождаются образованием отходов, количество которых иногда
достигает значительных объемов. При ненадлежащем хранении отходов, в
случае отсутствия способов их утилизации и дальнейшей переработки, они
поступают в биосферу, нанося непоправимый урон природе. Так,
например, по-прежнему остро стоит проблема утилизации и переработки
отходов производства некоторых энергоёмких соединений, таких как
тротил и нитробензол.
Тротил до недавнего времени являлся одним из основных боевых
индивидуальных бризантных взрывчатых веществ средней мощности, а в
настоящее время по-прежнему широко используется как компонент
промышленных взрывчатых композиций [1].
Нитробензол по своим химическим свойствам является типичным
нитросоединением, но в жидком состоянии не обладает выраженными
взрывчатыми свойствами. В настоящее время нитробензол широко
используется в анилокрасочной промышленности как полупродукт для
производства анилина.
Производства
тротила
и
нитробензола
сопровождаются
образованием значительного количества отходов. Так, например, при
очистке тротила-сырца [1] образуются десятки тысяч тонн сульфитного
щелока – маточника производства тротила, содержащего натриевые соли
сульфокислот
несимметричных
изомеров
тротила,
нитрофенолов,
нитрокислот, нитрит и нитрат натрия, соду, сульфат и сульфит натрия,
сульфид и хлорид натрия.
После получения нитробензола производят его отделение от
нитрующей смеси кислот (азотной и серной), а затем промывку аммиачной
водой. Маточник производства нитробензола содержит около 8-10 %
растворенных в воде органических (нитропроизводных бензола) и
261
25-26 сентября 2013, Саратов
неорганических соединений, основным из которых является сульфат
аммония.
В Самарской области производства тротила и нитробензола
размещены на территории ОАО «Промсинтез» (г. Чапаевск). В связи с
этим применяют совместное обезвреживание токсичных маточников
производств нитробензола и тротила. Для этого маточник нитробензола
сливают в хранилище с маточником (сульфитным щелоком) тротила.
Полученную
смесь
маточников
тротила
и
нитробензола
после
предварительного упаривания до 30-40 %-ной концентрации по твердому
остатку, направляют на сжигание, а образующуюся золу в отвал. С
течением времени и под воздействием атмосферных осадков она
превращается в токсичные стоки, загрязняющие грунтовые воды, что
может приводить к существенному ухудшению экологической обстановки.
Известные
попытки
утилизации
сульфатсодержащей
золы
–
конечного продукта обезвреживания маточников, заключающиеся в
использовании золы в качестве добавки в традиционные шихты сырьевых
композиций в производстве стекла, асфальта и бетона, из-за низкого
качества получаемых изделий, также промышленного применения не
нашли.
Типичный химический состав огарка смеси маточников тротила и
нитробензола приведен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав огарка маточник тротила и нитробензола
Компонент
Содержание компонентов, %
Сульфат натрия
55,5
Карбонат натрия
24,6
Сульфат аммония
9,4
Хлорид натрия
8,0
Оксид железа (Fe203)
1,1
262
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Углерод
1,3
Влага
0,1
Качественная реакция на тротил
положительная
Ранее авторами были разработаны способы утилизации отходов
производства тротила при изготовлении керамзита (Патент РФ на
изобретение № 2381190 от 27.08.2008 г., авторы: Пыжов А.М., Кукушкин
И.К., Попов Я.С. и др.) и растворимого стекла (Патент РФ на изобретение
№ 2379233 от 25.08.2008 г. . авторы: Пыжов А.М., Кукушкин И.К., Попов
Я.С. и др.)). Способ получения растворимого стекла с применением
отходов производства был включен в число «100 лучших изобретений
России» в 2009 г. и отмечен международной наградой - золотой медалью
Американо-российского делового союза «innovations for investmenta to the
future». Однако эти способы утилизации в основном были ориентированы
на использование тех компонентов, содержание которых в отходах было
наибольшим – сульфата и карбоната натрия. В дальнейшем сравнительный
анализ
составов
сырьевых
шихт,
применяемых
для
изготовления
строительных материалов и отходов производства тротила и нитробензола,
позволил предположить, что, материалом, при изготовлении которого
могут использоваться все компоненты отходов, является натрий-кальцийсиликатное стекло.
В первых опытах была проведена оценка возможности переработки
отходов только тротилового производства в силикатное стекло. Как
оказалось, качество стекла изготовленного в лабораторных условиях
незначительно отличалось от качества промышленного тарного стекла.
Так, например, удельная плотность стекла, изготовленного в лаборатории
составляла 2,4-2,43 г/см3, а промышленного бутылочного стекла - 2,27-2,59
г/см3 [2-4].
263
25-26 сентября 2013, Саратов
Далее подобные исследования были проведены с совместными
отходами
производств
тротила
и
нитробензола.
Было
высказано
предположение о том, что нахождение сульфата аммония в совместных
отходах (вклад нитробензола) повышает эффективность их переработки в
стекло. Это может быть вызвано тем, что добавка сульфата аммония в
стекольную
шихту
(до
3
значительно
%)
ускоряет
процессы
стеклообразования, снижая температуру плавки стекломассы [5]. Для
оценки качества стекломассы, получаемой на основе совместных отходов
энергоемких соединений были произведены лабораторные опытные
плавки стекольных шихт в достаточно жестких условиях, отличающихся
от промышленных. Максимальная температура нагрева стекломассы
составляла 1350-1400 оС (промышленный процесс- 1450-1600 оС), а время
выдержки расплавленной стекломассы при максимальной температуре
нагрева – 35-60 мин. (промышленный процесс – несколько часов).
Стекольные шихты были рассчитаны на получение тарного силикатного
стекла состава: масс. %: SiO2 72,0; Аl2O3 1,5; CaO 7,0; Na2O 16,5; MgO 3,0.
Для сравнения были изготовлены образцы стекломассы того же состава из
содовой
и
карбонатно-сульфатной
использованием
сульфата
и
традиционных
карбоната
шихт,
сырьевых
натрия
в
приготовленных
материалов.
с
Соотношение
карбонатно-сульфатной
шихте
соответствовало содержанию этих веществ в огарке отходов энергоемких
соединений.
Опытная
стекольная
шихта
состояла
из
следующих
компонентов: кремнезем – 43,8 %, огарок сульфитных щелоков и
маточника нитробензола-29,2 %; мел-1,1 %; доломит- 10,36 %; каолин – 2,4
%; смесь маточников тротила и
нитробензола – 11,6 % (по твердому
веществу); уголь – 1,4 %.
Качество полученного стекла оценивалось по его удельному весу,
растворимости в воде, однородности и цвету. Полученные результаты
приведены в таблице 2. В таблице 2 для сравнения представлены, и
264
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
характеристики штатного бутылочного стекла, применяемого для разлива
минеральной воды.
Таблица 2
Характеристика образцов стекломассы
Стекломасса
Бутылочное
Удельный вес,
Растворимость в
г/см3/выдержка,
воде,
мин
%/выдержка, мин
2,59
2,8
стекло
Однородность
Цвет
Однородное, с
Светло-
единичными
зеленая,
пузырьками
равномерная
окраска
Стекломасса,
Наличие
Бледно-
значительного
зеленая,
по
количества
равномерная
традиционной
пузырьков
окраска
Стекломасса,
Наличие
Бледно-
изготовленная
пузырьков
зеленая
изготовленная
2,40/35
9,0/35
карбонатной
технологии
по
2,43/35
равномерная
7,5/35
традиционной
окраска
сульфатнокарбонатной
технологии
Стекломасса,
изготовленная
2,59/35
2,1/35
на основе
отходов
2,62/60
1,94/60
производств
нитробензола и
тротила
265
Однородное, с
Ярко-зеленая,
единичными
равномерная,
пузырьками
интенсивная
окраска
25-26 сентября 2013, Саратов
Как видно из полученных результатов (таблица 2), применение
совместных отходов производства тротила и нитробензола повышает
качество образцов получаемой стекломассы с одновременным снижением
максимальной температуры плавления шихты, что говорит о более
эффективной
возможности
их
использования
при
изготовлении
силикатного стекла (в отличие от использования только отходов тротила).
Суммарное содержание отходов тротилового производства в составе
опытной шихты, используемой для получения стекла по разработанному
способу составляет около 40 %, что значительно удешевляет весь процесс
и позволяет полностью утилизировать отходы производства тротила и
нитробензола.
Полученные результаты подтвердили предположения авторов о
более эффективной возможности использования совместных отходов
производства тротила и нитробензола при изготовлении силикатного
стекла. В дальнейшем авторами была оценена возможность использования
подобного стекла для изготовления дешевого пеностекла. Характеристики
образцов
пеностекла,
соответствовали
пеностекла,
полученных
основным
показателям
изготовляемого,
конструкционных
блоков
на
например,
(Изделия
и
основе
опытных
промышленных
для
шихт
образцов
теплоизоляционно-
материалы
из
пеностекла.
Технические условия ТУ 5914-001-73893595-2005. Разработаны в ЗАО
«Пермское производство пеносиликатов»).
По
мнению
авторов,
данные
способы
переработки
отходов
производств тротила и нитробензола на сегодняшний день является самым
эффективным, поскольку они не только утилизирует отходы, но и
способны с одновременным повышением качества стекломассы и
материалов на её основе снижать их себестоимость.
Разработанные
технологии
переработки
отходов
производства
энергоемких материалов в силикатные материалы удостоены серебряной
266
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
медали в конкурсе, проведенном на Петербургской технической ярмарке
«Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» в марте 2013 года.
Литература
1. Орлова Е.Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых
веществ. Химия.-1973.-688 с.
2.
Обезвреживание
и
переработка
отходов
производства
тринитротолуола. Я.С.Попов, А.В. Толкова, А.А. Абрамов, А.В. Иванков,
А.М.
Пыжов.
Сборник
работ
победителей
отборочного
тура
Всероссийского смотра – конкурса научно-технического творчества
студентов вузов «ЭВРИКА», г. Новочеркасск, май – июль 2012 г. / Мин-во
образования и науки РФ, ЮЖ. –Рос. Гос. техн. ун-т. (НПИ). –
Новочеркасск: ЛИК, 2012. с.203-205.
3. Шихта для получения стекла. МПК 8 С03С 3/04. Пыжов А.М.,
Уткин С.А., Пыжова Т.И., Шаталов А.В., Попов Я.С., Стрелков В.И.,
Абрамов А.А., Иванков А.В. Заявка № 2012110851/03 от 21.03.2012.
Решение о выдаче патента от 03.06.2013 г.
4. Утилизация отходов производства тротила при изготовлении
силикатного стекла. Попов Я.С., Пыжов А.М., Пыжова Т.И., Абрамов А.А.,
Иванков А.В., Дробыжев А.И., Пожидаев О.В. Сборник научных трудов
Sworld. Материалы международной научно-практической конференции
«Современные направления теоретических и прикладных исследований
2012».-Выпуск 1. Том 9.-Одесса: Куприенко, 2012-С.44-46.
5. Технология стекла. Бутт Л.М., Поляк В.В.,- М,. Гос. изд-во
литературы по строительству, архитектуре и строительству, 1960. С. 132133.
267
25-26 сентября 2013, Саратов
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ
СПЕКТРОВ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ
Е.И. Лукашенко
Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор М.Ф. Умаров
Вологодский государственный технический университет, г. Вологда
В
современных
применяются
биомедицинских
флуоресцентные
исследованиях
методы.
Методы
широко
исследования
флуоресценции конкретных биоактивных веществ обладают высокой
чувствительностью, а также удобным временным диапазоном, так как
испускание флуоресценции происходит через 10-8 с после поглощения
света. За это время происходит множество различных молекулярных
процессов,
которые
влияют
на
спектральные
характеристики
флуоресцирующего соединения. Кроме того, исследование флуоресценции
позволяет получить информацию о структурах биоактивных препаратов и
состоянии живых систем, не повреждая их, и не требует большого
количества
биологического
материала.
Имея
такие
преимущества,
флуоресцентные методы позволяют просто и экономично решить многие
задачи фармацевтики, клинической диагностики, экологического контроля
и физико-химического анализа, и все шире применяются в медицинских и
биофизических исследованиях.
Поскольку флуоресцентный метод является очень чувствительным,
то для его применения необходимы не менее чувствительные приборы. В
лабораторной и научно-исследовательской практике для регистрации
спектров флуоресценции применяют спектрофлуориметры. Основными их
узлами являются источник возбуждающего света, монохроматоры для
выделения
как
возбуждающего,
268
так
и
испускаемого
света,
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
фотоумножители и регистрирующее сигнал электронное устройство
(компьютер). Спектрофлуориметр должен быть снабжен универсальными
и надежными оптическими деталями – затворами, системой расщепления
светового
пучка,
поляризаторами,
дифракционными
решетками,
оптическими фильтрами и др. В свою очередь каждый из узлов прибора
должен соответствовать максимальным требованиям, предъявляемым к
работе идеального спектрофлуориметра [1]:
1) источник света должен иметь постоянный выход фотонов на всех
длинах волн;
2) монохроматор должен пропускать фотоны всех длин волн с
равной эффективностью;
3)
эффективность
монохроматора
не
должна
зависеть
от
поляризации;
4) приемник (фотоумножитель) должен регистрировать фотоны всех
длин волн с одинаковой эффективностью.
К сожалению, выполнить одновременно поставленные задачи
невозможно. Поэтому в настоящей работе для получения и регистрации
спектров флуоресценции искусственных флуорофоров – лекарственных
препаратов предлагается оригинальная волоконно-оптическая установка
для возбуждения спектров фотолюминесценции биологических объектов
[2].
Предлагаемая установка включает в себя следующие элементы:
1)
импульсно-периодический
лазер
YAG:Nd3+
с
двойным
преобразованием длины волны излучения (1064→532→266 нм) и средней
мощностью в ультрафиолетовом диапазоне (266 нм) ≈ 10 мВт;
2)
волоконно-оптический
зонд,
обеспечивающий
передачу
возбуждающего излучения к исследуемому образцу и вторичного
излучения в мини-спектрометр;
3) волоконно-оптический мини-спектрометр.
269
25-26 сентября 2013, Саратов
Для анализа предельно малых количеств веществ, в виде тонкого
слоя вещества на подложке были использованы два варианта установок с
применением схем "на просвет" (рис.1) и "на отражение" (рис.2). Наиболее
эффективным для решения такого рода задачи оказалось использование
четвёртой
гармоники
нм)
(266
импульсно-периодического
лазера
YAG:Nd3+, генерирующего коротковолновое ультрафиолетовое излучение
со средней мощностью 10 мВт при частоте следования наносекундных
импульсов генерации 5-10 кГц. В схеме "на просвет" вещество в виде
взвеси помещается в узкий канал длиной 10-20 мм. Возбуждающее
излучение подводится к входному торцу канала, а сигнал вторичного
излучения собирается световодом, направляемым к входной щели
спектроанализатора. При увеличении длины канала в случае малой
концентрации вещества чувствительность регистрации может быть
соответственно увеличена. В схеме "на отражение" полезный сигнал
собирается из канала с веществом практически из той же точки, из которой
выходит
возбуждающее
Преимуществом
данного
излучение
метода
из
является
смежного
световода.
сильное
ослабление
возбуждающего излучения, проходящего "вперёд", в то время как
вторичное излучение собирается вторым световодом "назад".
В качестве объектов исследования нами были выбраны типичные
фармацевтические
препараты
(цитрамон,
анальгин,
аспирин
и
парацетамол). В таблице 1 приведены химические и структурные формулы
исследованных фармацевтических препаратов.
Как видно из этой таблицы, в структуре всех исследованных веществ
присутствуют ароматические кольца, что приводит к фундаментальному
электронному поглощению этих соединений в среднем ультрафиолетовом
диапазоне. Соответственно в этих веществах наблюдается флуоресценция
в
фиолетово-красном
диапазоне
при
возбуждении
флуоресценции
коротковолновым (266 нм) электромагнитным излучением. Измерения
270
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
проводились при комнатной температуре.
1 1064нм
532нм
4
8
9
5
5
3
266нм
6
6
6
10
6
7
2
11
13
15
14
12
Рис.1. Схема экспериментальной установки для анализа малых количеств вещества
"на просвет": 1, 2,7 ―зеркала; 3―активный элемент; 4― накачка; 5― нелинейный
кристалл; 6― линза; 8― конденсор; 9― фиксатор световода; 10, 11― световод;
12― спектрограф; 13― кембрик; 14― измеряемый образец; 15― компьютер
1 1064нм
532нм
5
3
4
6
266нм
6 5
6
2
8
9
10
6
7
11
12
15
13
14
Рис.2. Схема экспериментальной установки для анализа малых количеств вещества
"на отражение": 1, 2,7 ―зеркала; 3―активный элемент; 4― накачка; 5― нелинейный
кристалл; 6― линза; 8― конденсор; 9― фиксатор световода; 10, 11― световод;
12― спектрограф; 13― зонд; 14― измеряемый образец; 15― компьютер
271
25-26 сентября 2013, Саратов
Таблица 1
Химические формулы исследованных фармацевтических препаратов
Фармацевтический
Химическая
препарат
формула
Аспирин
C9H8O4
Анальгин
C13H16N3NaO4S
Структурная формула
Цитрамон (аспирин, C9H8O4 +
кофеин, фенацетин)
C8H10N4O2 +
C10H13NO2
Парацетамол
Для
C8H9NO2
возбуждения
и
регистрации
спектров
флуоресценции
использовалась волоконно-оптическая методика [2]. Схемы используемых
экспериментальных установок приведены на рис.1 и 2. При этом в качестве
источника возбуждающего ультрафиолетового излучения использовалась
четвёртая гармоника(266 нм) лазера на алюмоиттриевом гранате,
генерирующего импульсно-периодическое излучение с длиной волны 1064
нм. Средняя мощность возбуждающего ультрафиолетового излучения на
поверхности анализируемого препарата составляла 10 мВт, что позволяло
осуществлять анализ объекта без какой-либо его деструкции. Небольшое
272
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
количество анализируемого вещества в виде таблетки помещалось в
кювету (14) (см. рис.1 и 2).
Кварцевые световоды (10,11) использовались для подведения
ультрафиолетового излучения к веществу и для отведения, возникающего
в анализируемой пробе флуоресцентного излучения к малогабаритному
спектрографу (12) типа FSD8. При этом пространственное разрешение на
поверхности анализируемой пробы составляло 0,1мм. Используемый тип
малогабаритного
спектрографа
позволял
осуществлять
регистрацию
спектров флуоресценции исследуемых таблеток в диапазоне 200 – 1200 нм
при экспозициях 0,01-0,1с. От миниспектрометра цифровая информация о
спектре вторичного излучения передавалась на компьютер. После
компьютерной обработки нами были построены нормированные спектры
флуоресценции фармацевтических препаратов.
В
данной
фармацевтических
работе
на
препаратов
примере
(цитрамона,
близких
по
аспирина,
структуре
анальгина
и
парацетамола) показано, что для количественного неразрушающего
контроля молекулярного состава и структуры биоактивных препаратов,
содержащих ароматические кольца, может быть эффективно использован
метод
флуоресцентного
анализа,
дополненный
построением
соответствующих корреляционных функций. Возбуждение спектров
флуоресценции
осуществлялось
четвёртой
гармоникой
лазера
на
алюмоиттриевом гранате с использованием волоконно-оптического зонда
и малогабаритного светосильного спектрографа.
Разработанная методика
небольшого
количества
обеспечивает получение информации от
анализируемой
пробы
с
высоким
пространственным разрешением по поверхности образца 0,1мм при
времени экспозиции, равном 0,01-0,1с.
На основе проведенных исследований установлено, что при наличии
нескольких компонентов в фармацевтическом препарате наблюдается его
273
25-26 сентября 2013, Саратов
неоднородность на расстоянии в несколько миллиметров. Построены
корреляционные спектры флуоресценции, позволяющие устанавливать
различия в составе, структуре и производителе препарата даже при
близости вида их спектров флуоресценции.
Обнаружено,
что
коэффициенты
корреляции
исследуемых
фармацевтических препаратов каждого исследуемого производителя
различны. В связи с этим, предложенная нами методика позволяет
идентифицировать фармацевтические препараты по производителям.
Разработанный метод может быть использован не только для
контроля качества фармацевтических препаратов, ни и для большого
класса
биоактивных
структур,
люминесцирующих
под
действием
ультрафиолетового излучения.
Полученные научные результаты могут внести вклад в области
фундаментального научного исследования спектроскопии атомов и
молекул.
Литература
1.
Лакович Д. Основы флуоресцентной спектроскопии. – М.:
Мир, 1986. – 496 с.
2.
Войнов Ю.П., Горелик В.С., Морозова С.В., Умаров М.Ф.
Корреляционная флуоресцентная спектроскопия структуры и состава
биоактивных препаратов. Краткие сообщения по физике ФИАН, т.38,
№11, 2011, с.13-19.
274
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В КАЧЕСТВЕ
ФОТОАНОДОВ С ЦЕЛЬЮ ВЫБОРА ИДЕАЛЬНОГО
ФОТОКАТАЛИЗАТОРА В ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
А.А. Кузнецова
Научный руководитель: д.х.н., профессор Н.В. Архипова
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Рост экологических проблем, связанных с широким применением
истощающегося ископаемого топлива (нефть, природный газ и уголь) и
постоянно
увеличивающееся
энергопотребление,
вынуждают
человечество, рано или поздно, обратиться к чистым и постоянным
жизнеспособным источникам энергии. Фотокатализ, как ожидают, внесет
большой вклад и в экологическую обработку (очистку выбросов и в
очистку воды) и в возобновляемые источники энергии. Водород (H2), как
широко полагают, будет считаться экологически чистым энергоносителем
во многих применениях, таких как безвредные для окружающей среды
транспортные средства, отопление домов, и постоянное производство
электроэнергии. Фотокаталитическое производство H2 из воды является
одним из самых многообещающих способов реализовать водородную
экономику по трем причинам.
1) Эта технология основывается на фотонной (или солнечной)
энергии, которая является чистым, бесконечным источником энергии, и
главным образом водой, которая является возобновляемым ресурсом;
2) это экологически безопасная технология без нежелательных
побочных продуктов и загрязнителей;
275
25-26 сентября 2013, Саратов
3) фотохимическое преобразование солнечной энергии в форму
сохраняемой, накапливаемой энергии, то есть водород справляется с
неустойчивым характером и сезонным изменением солнечного потока.
Областью применения является водородная энергетика, т.к. водород
обладает
высокой
энергоёмкостью.
Это
экологически
безопасная
технология без нежелательных побочных продуктов и загрязнителей и
получается из практически неисчерпаемого запаса дешевого сырья - воды,
содержащей более 10% (по массе) водорода. Фотокаталитическое
производство H2 из воды является одним из самых многообещающих
способов
реализовать
водородную
экономику,
поэтому
создание
фотокатализаторов разложения воды является одной из актуальных задач
современной энергетики.
Нанонаука и нанотехнология открывают новую перспективу в
развитии высоко активных, наноструктурированных фотокатализаторов с
большими площадями поверхности для оптимизированного поглощения
света, минимизированными расстояниями (или временем) для транспорта
зарядов, и другими свойствами [1, 2]. Наше внимание сосредоточено на
недавно разработанных наноструктурированных фотокатализаторах. В
частности, размер частицы, химический состав (включая добавки),
микроструктура,
модификация,
кристаллическая
запретная
зона
фаза,
и
морфология,
потенциал
зоны
поверхностная
проводимости
нанофотокатализаторов показали видимое влияние на фотокаталитические
производственные показатели получения H2, которые могут быть далее
увеличены добавлением сенсилизаторов, сокатализаторов или примесей.
Объектом
модифицированные
исследования
являются
синтезированные,
наноматериалы-фотокатализаторы
на
основе
полититаната калия. Под руководством проф. Гороховского А.В. и при
участии Третьяченко Е.В. (каф. химии СГТУ) была разработана простая и
сравнительно дешевая методика получения нанофотокатализаторов на
276
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
основе полититаната калия (ПТК) с введением катионов металлов.
В работе
решаются задачи: отработка методики проведения
фотокаталитического
эксперимента,
исследование
кинетики
фотоиндуцированного выделения водорода из суспензий и с поверхностей
таблеток синтезированных наноматериалов, в воде, в водных растворах
этилового спирта, NaOH, H2SO4 , исследование фотокаталитической
реакции окружающей среды и фотокаталитической активности с целью
выбора идеального фотокатализатора.
Экспериментальная часть включала в себя: снятие температурных
кривых, снятие кинетических кривых, включающая несколько этапов –
исследование порошков-фотокализаторов и таблеток- фотокализаторов в
различных средах.
После проведения исследований, построения графиков кинетических
кривых и расчетов скорости фотоиндуцированного выделения водорода
можно сделать следующие выводы:
1. Разработана методика исследования кинетики выделения водорода
из водных растворов фотокатализаторов при облучении видимым светом.
2. Получена зависимость скорости фотоиндуцированного выделения
водорода из суспензий и на таблетках ПТК от их катионного состава. При
сравнении
полученных
результатов
для
таблеток
и
порошков,
наилучшими характеристиками обладают таблетки.
3.
Показано,
что
значения
скорости
фотоиндуцированного
выделения водорода для фотоанода состава ПТК/Сr из водного раствора
этилового спирта и из чистой воды различаются между собой почти в 3
раза (0,546/0,293 мл /ч).
4. Изучен характер влияния природы катиона переходного металла
Me (Cr, Ni, Cu) на скорость фотоиндуцированного выделения водорода
для катализатора ПТК/Me из водного раствора этилового спирта: ПТК/Cr0.546 мл/ч, ПТК/Ni- 0.493 мл/ч, ПТК/Cu- 0.333 мл/ч.
277
25-26 сентября 2013, Саратов
5. Изучен характер влияния природы катиона переходного металла
Me (Cr, Ni, Cu) на скорость фотоиндуцированного выделения водорода для
катализатора ПТК/Me для воды: ПТК/ Cu- 0.400 мл/ч, ПТК/Cr- 0.293 мл/ч,
ПТК/Ni- 0.280 мл/ч.
Таблица 1
Скорость выделения водорода в растворах в присутствии различных
фотокатализаторов
Состав
Вид
ПТК/Cr
ПТК/Ni
ПТК/Cu
Кол-во выделившегося водорода; V, мл
H2O
C2H5OH
H2SO4
NaOH
таблетка
0,293
0,546
-
-
порошок
0,226
0,28
0,226
0,16
таблетка
0,28
0,493
-
-
порошок
0,266
0,33
0,186
0,173
таблетка
0,266
0,33
0,186
0,173
порошок
0,4
0,333
-
-
Полученные результаты доказывают перспективность применения
исследованных фотокатализаторов в водородной энергетике
В
фотокаталитическом
производстве
H2
материалы
фотокатализатора играют важную роль. Новые фотокатализаторы будут
развиваться, в то время как существующие материалы должны быть
изменены и оптимизированы. Наноструктурные фотокатализаторы будут
основной тенденцией, так как наноразмерные фотокатализаторы показали
намного лучшую работу, чем их многочисленные аналоги.
В свете представленной литературы TiO2 был и будет одним из
самых важных фотокатализаторов для производства H2, вследствие его
доступности, низкой цены, нетоксичности, высокой фотоактивности и
стабильности.
278
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Литература
1. Zäch, M. Nanoscience and nanotechnology for advanced energy
systems/ M. Zäch,C. Hägglund // Curr Opin Solid State Mater Sci -2006.-№ 10.
- P. 132–43.
2. Kondarides, D.I. Hydrogen production by photo-induced reforming of
biomass components and derivatives at ambient conditions/ D.I. Kondarides,
V.M. Daskalaki// Catal. Lett. - 2008. - №122. - P. 26-32.
ОСОБЕННОСТИ КООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Е.П. Решетникова, С.М. Усынин
Научный руководитель: д.т.н., профессор О.В. Захаров
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
В настоящее время наблюдается существенный рост наукоемких
прецизионных производств машино- и приборостроения, аэрокосмической
и оборонной отраслей промышленности. В этих отраслях выпускается
большое количество деталей со сложными поверхностями (турбинные
лопатки, цилиндрические и конические резьбы, кулачки, копиры, гребные
винты, штампы). В отдельную группу нужно выделить детали зубчатых
передач, которые отличаются многообразием (цилиндрические с прямыми,
винтовыми,
шевронными
зубьями,
конические
с
прямыми
и
криволинейными зубьями, гипоидные, червячные). Многие из таких
поверхностей (передачи с приближенным зацеплением) не имеют
однозначного аналитического описания, а рассчитываются в процессе
синтеза конкретной пары по параметрам наладки станка. Детали машин
279
25-26 сентября 2013, Саратов
могут иметь большое число произвольно ориентированных в пространстве
геометрических элементов, каждый из которых выполняет отдельное
функциональное назначение.
Постоянное повышение требований к точности размеров, формы и
расположения сложных поверхностей на деталях определяет все большее
применение в промышленности координатно-измерительных машин
(КИМ),
которые
представляют
собой
прецизионные
технические
устройства, предназначенные для контроля геометрических параметров
большой
номенклатуры
деталей.
В
прецизионном
машино-
и
приборостроении основной измеряемой физической величиной является
длина, до 80 - 90 % всех измерений составляют линейно-угловые.
Измерения
длины,
как
правило,
являются
пространственными
измерениями геометрических параметров сложных поверхностей деталей.
В настоящее время точность измерений параметров деталей, содержащих
сложные поверхности, элементов трехмерных объектов нанотехнологий в
прецизионном машино- и приборостроении достигла долей микрометра и
может быть обеспечена только стопроцентным контролем.
Традиционно
математическое
и
алгоритмическое
обеспечение
процесса координатного измерения предусматривало аппроксимацию
полученных данных заданными кривыми или поверхностями. В этом
случае одновременно определяются как размеры поверхностей, так и их
отклонения. С появлением КИМ более часто стал использоваться подход,
при котором создается трехмерная модель объекта с известными
параметрами [1]. На основе процедур оптимизации идеальная модель
вписывается в массив реальных данных и затем рассчитываются
отклонения формы и расположения поверхностей.
Первый из указанных методов хорошо зарекомендовал себя для
контроля отдельных поверхностей или профилей, в то время как
одновременный контроль нескольких поверхностей на одной детали
280
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
подобным образом вызывает затруднения. Второй метод позволяет найти
отклонения различных поверхностей от номинальных значений и тем
самым решить задачу признания детали годной или негодной. В тоже
время определить действительные значения параметров не представляется
возможным. Тогда становится невозможно выявить причины появления
погрешностей
или
рассчитать
оптимальные
параметры
наладки
оборудования. Если допуски на размеры и отклонения формы соизмеримы,
то данная проблема приобретает особую актуальность, так как в одном
случае велика вероятность ошибки в определении значения параметра, а в
другом
–
вероятность
ошибки
в
значении
отклонений
формы,
рассчитываемой от номинального значения параметра. Поэтому требуется
модификация методов измерения, призванная сочетать достоинства обоих
подходов.
В программном обеспечении координатно-измерительных машин
для определения параметров деталей машин по результатам измерений
обычно используется метод наименьших квадратов. При этом решается
задача определения значений параметров объекта (например, радиуса и
координат центра окружности) таких, чтобы сумма квадратов отклонений
измеренных точек от математического объекта была минимальной:
n
F ( a ) = ∑ δi2
→ min
(1)
i =1
где a = a0 , a1,......,am - параметры математического объекта, δi = Рi' − Pi , i = 1,2,...., n
- отклонения измеренных точек, Pi = (xi , yi , zi ) - измеренная на объекте точка,
Pi ' = (xi' , yi' , zi' )
- точка на математическом объекте, соответствующая
измеренной.
Задача
определения
параметров
математического
объекта,
аппроксимирующего физический объект по результатам его измерений,
решается либо путем минимизации функции (1), либо, для некоторых
объектов, через получаемые из (1) системы линейных уравнений [2, 3]. В
281
25-26 сентября 2013, Саратов
обоих случаях в решении задействованы явно или неявно матрицы,
вычисляемые по координатам x, y, z измеренных на объекте точек. Если
область
измерения
объекта
становится
малой,
то
ухудшается
обусловленность матрицы. В таком случае можно говорить о плохо
обусловленной измерительной задаче. Дело в том, что точка минимума
функции (1) с плохо обусловленной матрицей становится не четко
выраженной, она находится на некотором плато с очень малым
градиентом. Программа минимизации при попадании на такое плато
перестает ощущать уменьшение функции и фиксирует минимум в
случайной точке. В результате возникают большие ошибки в определении
параметров математического объекта.
Под термином «группа параметров» подразумеваются любые линейные и угловые величины, соотношения между ними, характеризующие
форму объекта и взаимное расположение его элементов. Геометрические
параметры используются для математического описания взаимосвязи
геометрии
поверхности
детали
и
ее
эксплуатационных
свойств.
Теоретически определенные геометрические параметры являются сложными
аналоговыми
расположенных
функциями
на
реальной
от
координат
поверхности,
точек,
непрерывно
функционалами
или
результатами расчетов по алгоритмам, реализующих их математическое
определение.
Поэтому актуальна задача получения в таких ситуациях результатов
измерений с высокой точностью, а также задача разработки методики
контроля, независящей от числа контролируемых точек и их расположения
на поверхности. Также на первый план выходит проблема обеспечения
производительности
контроля.
В
настоящее
время
известные
производители мобильных КИМ рекомендуют использовать минимальное
число точек, необходимое для однозначной идентификации поверхности.
Например, достаточно трех точек для плоскости или шести точек для
282
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
цилиндра.
Строгое
отсутствует.
научное
Поэтому
обоснование
необходимо
подобных
проведение
рекомендаций
экспериментальных
исследований для выявления закономерности погрешности измерения от
числа точек при контроле различных видов поверхностей.
С целью улучшения обусловленности задачи предлагается [4, 5]
модифицировать минимизируемую функцию (1) за счет включения в нее
квадратов отклонений параметров математического объекта от их
номинальных значений:
m
Ф(a) = F (a) + ∑ ω j (a j − a jnom ) 2
(2)
j =0
где ω j ≥ 0( j = 0,1,....., m) - веса параметров.
В качестве примера можно рассмотреть контроль сферической
поверхности. Наиболее часто используют среднюю сферу, построенную по
методу наименьших квадратов (МНК) [3]. В этом случае параметры сферы
(координаты центра x0, y0, z0 и радиус R) определяют на основе
минимизации функционала Ф1 вида:
n
)
(
2
Ф1 ( x0 , y0 , z0 , R ) = ∑ ( xi − x0 ) 2 + ( yi − y0 ) 2 + ( zi − z0 ) 2 − R ,
i =1
(3)
где xi, yi, zi – декартовы координаты i-й измеренной точки поверхности; n –
число измеренных точек.
При
контроле
незамкнутых
круговых
поверхностей
(дуг
окружностей) и сегментов сфер возникают известные трудности. Для их
решения можно использовать модификацию функционала Ф1, где
неизвестный радиус R заменяют его номинальным значением R0:
Ф2(x0, y0, z0) ≡ Ф1(x0, y0, z0, R0).
(4)
Однако изложенный подход не позволяет полностью решить
проблему.
В
связи
с
этим
предлагается
следующая
постановка
измерительной задачи: необходимо создать аналитический эквивалент
геометрического
образа
поверхности
283
(поверхностей)
детали
по
25-26 сентября 2013, Саратов
совокупности
измеренных
точек
с
переменными
параметрами.
Неизвестные значения параметров геометрической модели следует
определять на основе многопараметрической оптимизации функционала
Ф3, представляющего собой сумму квадратов невязок:
2
m
Ф3 = ∑ ∑ u j ( A, B, C , D ) − ri → min,
i =1 j =1
n
(5)
где uj – базисные функции; A – группа параметров, описывающих
номинальную
геометрию
поверхности;
B
–
группа
параметров,
описывающих отклонения формы от номинальной геометрии поверхности;
C – группа параметров, задающих положение детали в локальной системе
координат; D – группа параметров, задающих координатные связи данной
поверхности с другими поверхностями на детали; ri – радиус-векторы
измеренных точек поверхности.
Применение в качестве средства измерения КИМ, независимо от их
конструктивного
исполнения,
обусловливает ряд
ограничений
при
разработке методики контроля поверхностей. Во-первых, основным
измерительным элементом КИМ является головка с наконечником в виде
сферы определенного радиуса, которая в процессе контроля огибает
(обкатывает) поверхность. В зависимости от радиуса сферы наконечника,
кривизны поверхности и характера отклонений формы возможно так
называемое «недоощупывание» поверхности. Исключение составляет
технология лазерного сканирования. Во-вторых, измерительная головка
фиксирует момент касания (механическим или электрическим способом) и
определяет положение центра сферы относительно глобальной системы
координат. Измеренная точка на поверхности рассчитывается, исходя из
предположения, что сфера коснулась измеряемой поверхности по нормали,
то есть нормали к сфере и поверхности в данной точке совпали. Для этого
необходимо иметь исходный геометрический образ детали и рассчитать
траектории перемещения головки со щупом. В-третьих, невысокая
284
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
производительность контроля контактным методом делает необходимым
нахождение минимального числа и определенного положения измеряемых
точек на поверхности, которое все же обеспечивает приемлемую точность.
Литература
1. Кононогов С.А., Лысенко В.Г., Гоголев Д.В., Золотаревский С.Ю.
Методические
основы
3-D
измерений
геометрических
параметров
поверхностей сложной формы // Приборы. 2008. № 12. С. 12-18.
2. Бочкарев П.Ю., Захаров О.В., Решетникова Е.П. Алгоритм поиска
прилегающих окружностей при контроле поперечного профиля деталей //
Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте,
производстве и образовании: междун. науч.-прак. конф. Одесса, 2013. Т. 2.
С. 73-75.
3. Курносенко А.И. Об алгоритмах обработки координатных
измерений
круглых
профилей
и
сферических
поверхностей
//
Измерительная техника. 1992. № 1. С. 25-27.
4. Суслин В.П., Джунковский А.В., Шутер М.Г. Новый метод
определения геометрических параметров объектов при измерениях на
малых областях // Законодательная и прикладная метрология. 2008. № 6. С.
39-42.
5.
Суслин
В.П.,
Джунковский
А.В.
Применение
метода
регуляризации для решения плохо обусловленных задач координатных
измерений // Измерительная техника. 2009. № 7. С. 23-27.
285
25-26 сентября 2013, Саратов
РЕФЛЕКТНОЕ ПОКРЫТИЕ
НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА,
ПОЛУЧЕННОЕ МЕТОДОМ АДСОРБЦИИ ИЗ РАСТВОРА
НА НАТРИЕВО-КАЛЬЦИЕВОМ СИЛИКАТНОМ СТЕКЛЕ
Д.С. Криволапов
Научный руководитель: д.х.н., профессор И.Д. Кособудский
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
В настоящее время сфера применения оптических покрытий
достаточно широка. Их наносят в декоративных целях (архитектурные
стёкла,
витрины), в
целях
увеличения
КПД
оптических
систем,
применяемых как в медицине (линзы очков, микроскопов), так и в
электронике, в целях снижения потерь энергии на рассеянии света в
оптоэлектронных
приборах,
например,
солнечных
батарей.
Выбор
материала, из которого будет состоять покрытие, основан на его
оптических и физических свойствах. При нанесении однослойной
просветляющей плёнки, лучше всего себя зарекомендовал диоксид
кремния (SiO2) из-за низкого значения показателя преломления [1].
Однако, однослойные плёнки позволяют достичь эффекта просветления
лишь в узком спектральном диапазоне [2], в то время как многослойные
расширяют спектр просветления [3].
В многослойных покрытиях чередуются плёнки из различных
материалов с низким (SiO2), высоким (TiO2) и промежуточным (SiO2+TiO2)
значением показателя преломления. Каждый слой в данной структуре
должен обладать строго определённой толщиной для достижения
просветления в требуемом спектральном диапазоне [4].
286
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
В промышленных масштабах просветляющие покрытия получают
дорогостоящими методами вакуумного напыления, такими как PVD и
CVD, включающими в себя большие затраты на оборудование и
прекурсоры высокой степени чистоты [5], что в свою очередь ведёт к
значительному увеличению стоимости готовой продукции. Актуальнее
получать антирефлектные покрытия более доступным, экономичным,
легко воспроизводимым и менее требовательным к используемым
прекурсорам способом, которым является золь-гель технология, а именно метод адсорбции из раствора.
Для определения параметров синтеза и нанесения, позволяющих
получить плёнки, удовлетворяющие требованиям к слою с высоким
показателем преломления в многослойной просветляющей структуре, в
данной работе были проведены исследования влияния состава и
длительности созревания золя, режима нанесения из него покрытий на
толщину, структуры и оптические свойства TiO2 плёнки.
1 Влияния состава золя TiO2 на структуру и свойства
получаемых покрытий
Для определения оптимального состава, была синтезирована партия
TiO2 золей с различной молярной концентрацией прекурсора тетрабутокси-титана (ТБТ). Условия синтеза золя представлены в таблице 1.
Таблица 1
Молярное соотношение компонентов коллоидного раствора
диоксида титана
Условное
обозначение золя
Молярная концентрация реагентов
ТВТ
Этанол
Уксусная
кислота
TiO2 A
0.05
8
0.1
TiO2 B
0.1
8
0.1
TiO2 C
0.15
8
0.1
287
25-26 сентября 2013, Саратов
TiO2 D
0.20
8
0.1
TiO2 E
0.25
8
0.1
В ходе синтеза был зафиксирован золь-гель переход у растворов с
высоким содержанием прекурсора (TiO2D и TiO2E). Кроме того, покрытия,
нанесённые из золя TiO2С, были визуально неоднородны, что делает
невозможным его дальнейшего применение.
После нанесения, полученные образцы проходили термическую
обработку в муфельной печи в течение 15 минут при температуре 500◦C.
2 Зависимости толщины и оптических параметров TiO2 слоя от
состава золя
Изучение спектральной зависимости коэффициента отражения
плёнок осуществлялось на спектрофотометре Scan - Lambda 950.
Результаты исследований представлены на рис. 4 и 5.
Рис.1. Спектральное отражение покрытий, нанесённых из золей A
288
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 2.Спектральное отражение покрытий, нанесённых из золей B
Рис.3. Спектральная зависимость коэффициента отражения TiO2В покрытий,
нанесённых со скоростью 250 мм/мин, в зависимости от длительности созревания золя
Дальнейший расчёт показателя преломления и толщины плёнки,
полученной со скоростью вытягивания 250 мм/мин, составил n=2.25,
толщина d=60±5нм, что удовлетворяет требованиям к рефлектному TiO2
слою в многослойных просветляющих покрытиях.
289
25-26 сентября 2013, Саратов
3 Зависимость толщины покрытия от скорости вытягивания
подложки из золя
Для определения оптимального режима нанесения, была построена
зависимость толщины покрытий от скорости нанесения, представленная на
рис. 6.
Рис.6. Зависимость толщины покрытия от скорости вытягивания подложки из золя
Из данной зависимости видно, что варьируя скорость нанесения
покрытия, можно изменять его толщину, что позволит регулировать пик
отражения по волновому спектру.
Заключение
По результатам оптических исследований покрытий и реологических
исследований растворов были определены подходящие параметры синтеза
и
нанесения,
позволяющие
получить
плёнки,
удовлетворяющие
требованиям к слою с высоким показателем преломления в многослойной
просветляющей структуре. Режим нанесения: скорость вытягивания –
250мм/мин, температура отжига 500Co. Параметры синтеза: концентрация
частиц TiO2 в растворе – 4,6%, длительность созревания золя – 3 суток.
Рассчитанная
толщина
и
показатель
преломления
плёнки,
полученной при данном режиме, составили d=60±5нм, n=2.25. Покрытие
290
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
было визуально однородным и абразивоустойчивым, что говорит о
высокой адгезии частиц TiO2 к стеклянной подложке.
Литература
1. Iler, R. K. The Chemistry of Silica / Wiley: New York, 1979.
2. Y.L. Wang, K.Y. Zhang, Surf. Coat. Technol. 140 (2001) 155.
3. Dobrzański L.A., Szindler M., (2012), Sol gel TiO2 antireflection
coatings for silicon solar cells.
4. Shui-Yang Lien, Dong-Sing Wuu, Wen-Chang Yeh, Jun-Chin Liu,
Materials and Solar Cells, Vol. 90,I16 October 2006, Pages 2710-2719.
5. S. Bosch, J. Ferr-Borrull, J. Sancho-Parramon, A general-purpose
software for optical characterization of thin films: specific features for
microelectronic applications, Solid-State Electronics 45 (5) (2001) 703-709.
ПРИМЕНЕНИЕ ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОГО
СТОМАТОЛОГИЧЕСКОГО СРЕДСТВА НА ОСНОВЕ
ХЛОРИСТОГО МАГНИЯ, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ КОЛЛОИДНОЕ
СЕРЕБРО И ГИДРОКСИАПАТИТ, В КОМПЛЕКСНОМ ЛЕЧЕНИИ
ЗАБОЛЕВАНИЙ ПАРОДОНТА
Н.А. Вулах, А.А. Зверева, С.Я. Пичхидзе*, А.Ю. Кропотина
Саратовский государственный медицинский
университет имени В.И. Разумовского, г. Саратов
*
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Важной составляющей врачебных манипуляций при лечении
заболеваний тканей пародонта, наряду с инструментальными методами,
291
25-26 сентября 2013, Саратов
является местное медикаментозное воздействие. Сегодня для местной
терапии
применяют
антибактериальные,
антисептические,
противовоспалительные препараты, которые обладают обезболивающим
воздействием,
уменьшают
обсемененность
тканей
пародонта
микроорганизмами, снимают явления воспаления, отек. Лечебный эффект
препаратов в большей степени зависит от способа их применения.
Перспективным направлением является разработка современных,
качественных,
эффективных
и
безопасных
аппликационных
форм
введения лекарственных средств. При этом немаловажное значение имеет
возможность прицельного, локального введения препарата, соблюдение
максимальной продолжительности воздействия и концентрации активного
вещества. Примером аппликационного введения лекарственных форм
пролонгированного
действия
являются
биополимерные
пленки
с
различными фармакологическими препаратами. Преимущество этих
пленок заключается в возможности их применения самими пациентами в
домашних условиях, как в фазе активного лечения, так и на этапе ремиссии
для профилактики воспалительных процессов.
Нами получено новое лечебно-профилактическое средство на основе
полигидрата комплекса поливинилового спирта и хлорида магния,
включающего коллоидное серебро и гидроксиапатит (ГА) [1]. Комплекс
полигидрата ПВС и хлорида магния относится к физиологически
активным
соединениям,
рассасывающим и
обладающим
анальгезирующим
противовоспалительным,
действием
[2].
ГА
обладает
реминерализующим воздействием на твердые ткани зуба, серебро является
эффективным антисептиком
Целью нашей работы являлась апробация в стоматологии и
масштабный выпуск на рынок ранее разработанного полигидрата
комплекса ПВС и хлорида магния, содержащего ионы серебра в
292
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
концентрации не менее 10 мг/л, с включением ГА на пленочном носителе
(матрице).
Пленки характеризуются оптимальным значением рн и медленной
растворимостью, способны при нанесении на очаг поражения набухать,
превращаясь в гель, растворяться за определенный промежуток времени и
пролонгировать
действие
составляющих
компонентов,
не
вызывая
раздражения слизистой оболочки.
Пленки
оказывают
прямое
стимулирующее
действие
на
пролиферативные процессы в ране, что способствует ее быстрому
заживлению. Их толщина составляет 0,1-0,3 мм, что отвечает требованиям
для трансмукоидных пленок. Значение рН близко к рН ротовой полости и
раневой поверхности и свидетельствует о комфортности их применения.
В нашей работе применялась пленка из полигидрата комплекса
поливинилового спирта и хлорида магния с ионами серебра и ГА, которая
использовалась при лечении больных с хроническим генерализованным
пародонтитом различной степени тяжести, путем наложения ее на
десневой
край
после
снятия
назубных
отложений
и
кюретажа
пародонтальных карманов.
Нами было принято 30 больных с ВЗП. Возраст колебался в
пределах от 30 до 47 лет. У пациентов, наряду с комплексным
обследованием [3] и лечением, применялась пленка с препаратом.
Контрольную группу составили 10 человек с ВЗП, у которых препарат не
применялся. Пленка с препаратом использовалась на первом этапе лечения
больных, а именно после снятия назубных отложений ультразвуковым
способом и проведения кюретажа пародонтальных карманов. Также
препарат был рекомендован для домашнего использования двукратно в
течение двух дней после проведенной процедуры. У контрольной группы
больных проводилась антисептическая обработка десневого края 0.06%
раствором хлоргексидина.
293
25-26 сентября 2013, Саратов
Результаты. У больных первой группы, в лечении которых
использовались пленки с препаратом, практически не наблюдалось
кровоточивости, в первые часы после удаления зубных отложений,
отмечалось отсутствие гиперестезии, снижение болевого синдрома,
уменьшение отечности тканей десны, в отличие от больных контрольной
группы, у которых признаки воспаления и сроки заживления были
значительно дольше.
Заключение.
Применение
пленки
из
полигидрата
комплекса
поливинилового спирта и хлорида магния с ионами серебра и ГА в
комплексном
лечении
противовоспалительное
больных
с
действие,
ВЗП
оказывает
выраженное
быстро
купировать
позволяет
воспалительные процессы в пародонте, что значительно сокращает сроки
лечения. Подобный эффект может оказаться весьма полезным в
стоматологической практике. Применение лечебного профилактического
стоматологического средства, в сочетании с комплексом лечебных
процедур, предполагается продолжить далее.
Литература
1. Новое стоматологическое лечебное профилактическое средство/
Авакян А.Г., Горбань В.И., Пичхидзе С. Я., Базин А.В., Вулах Н.А.
Материалы II Международной заочной научной конференции для молодых
ученых, студентов и школьников. «Наноматериалы и технологии:
проблемы и перспективы развития». СГТУ, Саратов 2013, с.126
2. Пат. 2268712 Российская Федерация, МПК С01В25/32. Способ
получения полигидратов комплексов поливинилового спирта и хлоридов
магния или кальция/ Гольфарб В.И., Горбань В.И., Пичхидзе С. Я.;
заявитель
и
патентообладатель
ООО
НВФ
«Гируд
И.Н.»
-
№2003106929/15; заявл. 12.03.2003; опубл. 27.01.2006, Бюл. №03-2006.-1с.:
ил.
294
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
3. Индексная оценка состояния пародонта в комплексном лечении
больных с генерализованным пародонтитом/Баранникова И.А., Заславский
С.А., Свирин. В.В. Стоматология. 1990. №4. с. 17-20
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДИКИ
ДИНАМИЧЕСКОЙ ЛАЗЕРМАГНИТОСТИМУЛЯЦИИ
ДРЕНАЖНОЙ СИСТЕМЫ ГЛАЗА У БОЛЬНЫХ ПЕРВИЧНОЙ
ОТКРЫТОУГОЛЬНОЙ ГЛАУКОМОЙ
В.С. Сидельникова
Научный руководитель: д.м.н., профессор Т.Г. Каменских
Саратовский государственный медицинский
университет имени В.И. Разумовского, г. Саратов
Среди причин необратимой слепоты одно из первых мест в мире
занимает первичная открытоугольная глаукома (ПОУГ). По данным
Flanagan J.G. (1998) в мире страдают первичной открытоугольной
глаукомой более 60 млн. человек, а в структуре первичного выхода на
инвалидность это заболевание выходит на 1 место (Е.С. Либман и соавт.,
1998; 2000). Снижение функциональных показателей дренажной системы
зрительного анализатора является ключевым элементом в процессе
инволюции тканей глаза и нарушений его гидродинамики в виде
офтальмогипертензии и глаукомы.
Основными
направлениями
патогенетически
ориентированного
лечения глаукомы считается снижение внутриглазного давления (ВГД) до
толерантного уровня, устранение или уменьшение гипоксии тканей глаза,
коррекция метаболических нарушений, цито - и нейропротекция,
воздействие
на
вторичные
патогенетические
295
факторы
при
25-26 сентября 2013, Саратов
прогрессировании
физиотерапевтических
перспективных
глаукомного
методов
направлений
процесса,
терапии.
физиотерапии
оптимизация
Одним
из
наиболее
является
разработка
и
применение сочетанных физиовоздействий, т.к. взаимопотенциирование
их лечебного воздействия выражено сильнее, чем при раздельном
применении этих же факторов.
Цель исследования: оценка эффективности применения методики
динамической лазермагнитостимуляции дренажной системы глаза у
больных первичной открытоугольной глаукомой.
Материал и методы
Всего
обследовано
пациентов
10
(20
глаз),
с
первичной
открытоугольной глаукомой I и II стадий, проходящих лечение в
глаукомном отделении клиники глазных болезней СГМУ. Ведущим
симптомом являлось повышение офтальмотонуса до 27-28 мм.рт.ст.
Пациентам
проводились:
визометрия,
офтальмобиомикроскопия,
тонография, компьютерная статическая периметрия (Oculus Twinfield 2,
Германия),
стандартной
суточная тонометрия, электронная тонография. Помимо
медикаментозной
терапии
пациентам
проводилась
динамическая лазермагнитостимуляция дренажной системы глаза на
аппарате «АМО – АТОС - ИКЛ». Данный аппарат предназначен для
безмедикаментозной или местной лекарственной терапии заболеваний
глаз, сопровождающихся нарушением гидро- и гемодинамики глаза. В
аппарате реализуется сочетание бегущего магнитного поля и бегущего
инфракрасного (ИК) лазерного излучения.
Каждому пациенту было проведено 7 сеансов, по 10 минут каждый, с
частотой коммутации источников бегущего магнитного поля в излучателях
10 ГЦ, мощностью бегущего лазерного излучения 30 ВТ.
Критерием оценки эффективности предлагаемой методики служили
данные тонометрии по Маклакову, данные электронной тонографии,
296
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
компьютерной статической периметрии. Мы анализировали динамику
значений внутриглазного давления, исследованных по методу Маклакова,
истинного внутриглазного давления (Po), коэффициента легкости оттока
(С), который отражает состояние фильтрующей системы глаза и
устойчивость уровня офтальмотонуса, минутную скорость образования
внутриглазной жидкости (F), коэффициент Беккера (Po/c), обьясняющий
баланс между продукцией и оттоком камерной влаги. С помощью
компьютерной
периметрии
проводили
анализ
изменений
световой
чувствительности, происходящих в центральной зоне поля зрения.
Полученные нами результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Исследуемый показатель
До лечения
После лечения
ВГД (мм рт. ст.)
26 ±2
20±2
Po (мм рт. ст.)
24±1,5
19±2,2
C (мин *мм рт. ст.)
0,12 ±0,13
0,16±0,12
F ( куб. мм в мин)
2,2±1,3
2,8±1,4
Po/c
132±5,1
98±2,2
MD (Дб)
11,2±2,3
16,7±4,1
У всей группы пациентов исходное значение внутриглазного
давления находилось в пределах от 24 до 28 мм рт.ст. После проведенного
лечения у 7 пациентов отмечалось снижение ВГД на 2-5 мм рт. ст. При
проведении тонографии изначально P было в диапазоне от 22-24 мм рт.ст.
После проведенного курса лечения отмечалось снижение на 3 мм рт. ст. у 7
пациентов. При определении коэффициента легкости оттока (C) до
лечения – 0,09-0,16 мин · мм рт. ст. У троих пациентов после лечения
C = 0,19-0,23, у 4 пациентов C = 0,16-0,19. Минутная скорость образования
внутриглазной жидкости (F) до лечения – 1,8- 4,4 куб. мм в мин. После
лечения у 7 пациентов отмечалось ее увеличение до 2,5- 4,5 куб. мм в мин.
297
25-26 сентября 2013, Саратов
Исходная острота зрения обследуемых Vis=0,3-0,9. У троих отмечалось
увеличение ее на 0,1, после проведенного нами лечения. При проведении
компьютерной
статической
периметрии
регистрировалось
среднее
снижение светочувствительности сетчатки (MD). До лечения MD= 5,4-16,7
дб . После лечения у 6 пациентов отмечалось увеличение MD на 3,3-5,3 дб
от
исходного,
у
одного
пациента
отмечалось
увеличение
светочувствительности сетчатки на 2,2 дб .
Выводы
На
основании
данных
клинического
исследования
выявлено
гипотензивное действие лазермагнитостимуляции дренажной системы
глаза, сопровождающееся улучшением оттока внутриглазной жидкости.
При использовании выбранных нами параметров воздействия
(частотой коммутации источников бегущего магнитного поля – 10 Гц,
мощностью бегущего лазерного излучения 30 Вт, в течение 10 минут,
после 7 сеансов отмечалось снижение истинного давления, увеличение
оттока внутриглазной жидкости и улучшение зрительных функций.
Таким образом, применение данной методики позволяет улучшить
гидродинамику внутриглазной жидкости, стабилизировать зрительные
функции у больных первичной открытоугольной глаукомой.
Литература
1. Либман Е.С. Структура инвалидности и слепоты РФ // Материалы
11 Всероссийского съезда офтальмологов. – 2007. – С. 15-18.
2. Должич Г.И., Шкребец Г.В. Взаимосвязь структур передней и
задней камер глаза у пациентов с глаукомой в сочетании с близорукостью
// Вестник офтальмологии. – 2011. – № 1. – С. 22-24.
3. Рудковская О.Д., Пишак В.П. Инволюционные изменения
аккомодационного аппарата глаза человека по данным ультразвуковой
биометрии и биомикроскопии // Вестник офтальмологии. – 2010. – № 3. –
298
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
С. 40-43.
4. Корниловский И.М. Офтальмогипертензия и глаукома: механизмы
развития (теоретико-экспериментальное исследование // Рефракционная
хирургия и офтальмология. – 2010. – № 3. – С. 16-22.
5. Сомов Е.Е Клиническая анатомия органа зрения человека. М.:
МЕД пресс-информ, 2005. – С. 88-89.
ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОСТИ
ПРОЦЕССОВ СИСТЕМ МЕНЕДЖМЕНТА
О.В. Аникеева, М.Л. Сторублев
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.Г. Ивахненко
Юго-Западный государственный университет, г. Курск
Согласно требованиям международных стандартов ИСО серии 9000,
организация
должна
поддерживать
процессы
систем
менеджмента
(интегрированных систем менеджмента) в управляемом состоянии, т.е. в
любой момент времени процессы должны находиться в управляемом
состоянии для достижения запланированных целей и показателей качества.
При реализации процессного подхода целью управления процессами
интегрированной
системы
менеджмента
(ИСМ)
является
перевод
процессов к заданному моменту времени в такое состояние, при котором
значения критериев результативности достигли целевых показателей, что
соответствует удовлетворению требований потребителей процессов и
достижению поставленных целей. Управляемость процесса ИСМ это
важнейшее свойство дающее возможность перевести процесс в требуемое
состояние и в полной мере обеспечить выполнение требования нескольких
систем менеджмента.
299
25-26 сентября 2013, Саратов
В соответствии с ГОСТ Р 52380.1 [1], базовая модель любого
процесса имеет вид, представленный на рис. 1.
Рис. 1. Базовая модель процесса [1]
Системы менеджмента качества, действующие по ISO 9000, и ИСМ,
созданные на их основе, подразумевают четкую идентификацию и
прослеживаемость на всех этапах производства входов, выходов,
управляющих воздействий и ресурсов для каждого процесса. Управление
этими элементами базовой модели процесса (при наличии достаточности
ресурсов и адекватности поставленных целей) позволит обеспечить его
полную управляемость.
В настоящее время, в качестве методов по сбору, обработке и
анализу качественных и количественных данных любого процесса ИСМ
используются инструменты качества (ИК) [2], которые подразделяют на:
1)
инструменты контроля качества (ИКК);
2)
инструменты управления качеством (ИУК);
3)
инструменты анализа качества (ИАК);
4)
инструменты проектирования качества (ИПК).
Инструменты контроля качества – это инструменты контроля, с
помощью которых принимаются управленческие решения. Большая часть
таких инструментов основана на методах математической статистики.
Выделяют семь основных инструментов контроля качества: гистограмма,
300
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
диаграмма Парето, контрольная карта, контрольный листок, диаграмма
Исикавы, стратификация данных, диаграмма разброса. Их особенности –
это
простота
и
наглядность
полученных
результатов,
результаты
преимущественно имеют количественный характер. Инструменты не
требуют глубоких знаний математической статистики, поэтому достаточно
легки для понимания.
Инструменты управления качеством – это методы, в основе которых
лежит
использование
качественных
показателей
процесса.
Такие
инструменты структурируют информацию о процессе, что позволяет
применять ее для принятия решений, основанных на фактах.
К инструментам управления качеством (семь новых инструментов
качества) относятся: диаграмма сродства, диаграмма связей, древовидная
диаграмма, матричная диаграмма, сетевой график (диаграмма Ганта),
матрица приоритетов, диаграмма принятия решений (PDPC-диаграмма).
Они основаны на графическом представлении данных и наиболее часто
применяются на этапах планирования и проектирования.
Инструменты анализа качества – методы, применяемые для
оптимизации процессов систем качества. Наиболее часто применяют
следующие инструменты: функционально-физический анализ (ФФА),
функционально-стоимостной анализ (ФСА), анализ причин и последствий
отказов (FMEA – анализ). Их применение достаточно сложное и требует
особой подготовки персонала.
Инструменты проектирования качества – это новые методы,
применяемые
для
создания
продукции
и
процессов,
имеющих
максимальную ценность для потребителя. К инструментам проектирования
качества относятся: развертывание функций качества (QFD), теория
решения изобретательских задач, бенчмаркинг, метод эвристических
приемов и др. Как правило, эти инструменты применяются на этапе
проектирования и требуют специальной подготовки персонала.
301
25-26 сентября 2013, Саратов
Результаты проведенного сравнительного анализа используемых
инструментов качества представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты анализа используемых ИК
ИК
Характер результатов
Этапы ЖЦ*
Количественный Качественный Пр
ИКК
П
Э
+
+
+
ИУК
+
ИАК
У
+
+
+
персонала
-
+
+
ИПК
Спецподготовка
+
+
+
+
Примечание: * представлены основные этапы ЖЦ продукции: Пр – проектирование, П
– производство; Э – эксплуатация; У – утилизация.
Исходя
из
полученных
результатов
проведенного
анализа
используемых в настоящее время ИК видно, что применение каждого типа
инструментов имеет свои недостатки:
- характер получаемых с помощью инструментов данных является
либо качественным, либо количественным;
- ни один из типов используемых инструментов не охватывает все
этапы жизненного цикла продукции;
- большая часть используемых инструментов требует специальных
подготовки и обучения персонала.
Анализ выявленных особенностей и недостатков, применяемых для
обеспечения управляемости процессов ИСМ инструментов качества,
показал недостаточную проработанность и необходимость создания
системы методов и методик обеспечения и повышения управляемости
процессов
систем
взаимодействующих
менеджмента,
элементов,
как
что
систем
требует
взаимосвязанных
разработки
и
моделей
управления процессами ИСМ, опирающихся на систему инструментов
качества (СИК).
302
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Такая система должна иметь следующие характеристики:
– полученные с ее помощью данные о процессах ИСМ, имеют как
количественный, так и качественный характер;
– охватывать все этапы жизненного цикла продукции;
– быть простой для понимания, не требовать много времени для
обучения персонала;
– эффективно оценивать результативность всех процессов ИСМ;
– не требовать дополнительных материальных и временных затрат.
С
помощью
разработанной
системы
руководители
любого
предприятия смогут точно и вовремя получать данные о протекающих
процессах. Полученные данные, посредством построения системы моделей
управления процессами ИСМ, позволят выявить и количественно оценить
влияние входных
показатели
параметров процессов и их взаимодействия на
качества
процессов,
провести
комплексную
оценку
взаимодействия процессов системы, принимать основанные на фактах
управленческие решения, тем самым, обеспечивая управляемость всех
процессов ИСМ.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта президента РФ
для
государственной
поддержки
молодых
российских
ученых
–
кандидатов наук МК-2554.2013.8.
Литература
1. Руководство по экономике качества. Часть 1. Модель затрат на
процесс [Текст]: ГОСТ Р 52380.1-2005. – Введ. 01.02.2006.
2. Ильенкова С.Д., Ильенкова Н.Д., Мхитарян B.C. и др.Управление
качеством [Текст]: Учебник для вузов; Под ред. С.Д. Ильенковой. – 2-е
изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. – 334 с.
303
25-26 сентября 2013, Саратов
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ СЛОЖНОЧЕЛЮСТНЫХ
ПРОТЕЗОВ ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ ПОСТОПЕРАЦИОННЫХ
ДЕФЕКТОВ ВЕРХНЕЙ ЧЕЛЮСТИ
Ю.Ю. Розалиева
Научный руководитель: к.м.н., доцент Л.А. Гооге
Саратовский государственный медицинский
университет имени В.И. Разумовского, г. Саратов
Необходимость использования непосредственных протезов при
составлении плана лечения больных после оперативного вмешательства,
предусматривающего одностороннюю резекцию верхней челюсти не
вызывает сомнений [1]. Оригинальная методика изготовления иммедиатпротеза для замещения дефектов верхней челюсти разработана Оксманом
И.М., 1964 [2]. Учитывая необходимость комплексного подхода при
ведении пациентов со сложно-челюстной патологией, обуславливающего
наличие специализированной службы, проведение непосредственного
протезирования затруднительно. Как правило, пациенты с односторонними
пострезекционными
дефектами
верхней
челюсти
поступают
на
протетическое лечение через 3-4 недели с момента оперативного
вмешательства. Необходимо обратить внимание на тот факт, что
коррекция
возникающих
в
постоперационном
периоде
морфофункциональных нарушений является более сложной задачей для
врача-стоматолога-ортопеда, чем при изготовлении иммедиат-протезов.
Актуальность проблем, существующих при протетическом лечении
очевидна, что связано с поражением не только зубочелюстной системы
данных больных, но и наличия у них общесоматических заболеваний и
304
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
изменениями психоэмоционального статуса (Арутюнов А.С. и соавт.,
2011).
Цель исследования заключалась в определении необходимых
конструкционных особенностей сложно-челюстных протезов для больных,
перенесших операцию односторонней резекции верхней челюсти и их
клинической эффективности для восстановления функции речи, жевания,
глотания.
На кафедре ортопедической стоматологии в период с 2006 по 2013
гг. проводилось диспансерное наблюдение 12 больных в возрасте от 58 до
73 лет, перенесших операцию односторонней резекции верхней челюсти,
которым было проведено отдаленное протезирование с изготовлением
сложно-челюстного пострезекционного протеза с полой обтурирующей
частью, имеющей оригинальные конструкционные особенности (Патент на
изобретение № 2268020, зарегистрирован в Государственном реестре
изобретений РФ 20.01.2006 г.).
Отдаленные результаты клинических наблюдений показали, что
изготовление полой обтурирующей части пострезекционного протеза
уменьшает его массу и предотвращает от образования пор, что в свою
очередь положительно влияет на фиксацию и стабилизацию протеза.
Удалось
восстановить
нарушенную
в
результате
проведенного
оперативного вмешательства конфигурацию челюстно-лицевой области с
использованием
протетических
методов
лечения.
Частично
была
восстановлена резонаторная функция утраченной в ходе операции верхнечелюстной пазухи. Изготовленные больным пострезекционные протезы
обеспечивали полное разобщение носовой и ротовой полостей. Была
восстановлена функция речи, жевании и глотания. Аллергические реакции
на материалы протеза не были выявлены. Срок адаптации к протезам
составил от 37 до 45 дней.
305
25-26 сентября 2013, Саратов
Таким образом, протетическое лечение больных, перенесших
операцию односторонней резекции верхней челюсти, с использованием
сложно-челюстного пострезекционного протеза с полой обтурирующей
частью,
имеющей
оригинальные
конструкционные
особенности,
позволило выполнить адекватное лечение данных пациентов.
Литература
1.
Ортопедическая
стоматология:
Учебник.
Под
ред.
И.Ю.
Лебеденко, Э.С. Каливраджияна. – М.: Информ пресс - 2011. – 621-624.
2. Копейкин В.Н., Кнубовец Я.С., Курляндский В.Ю., Оксман И.М.
Зубопротезная техника. – М.: Медицина – 1964. – С. 328-332.
РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТУРЫ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
НА СМЕСЕВОЙ ОСНОВЕ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНОГО
АЛКОКСИСИЛОКСАНА И РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
В.В. Косов, С.Я. Пичхидзе
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Для защиты металла от коррозии в агрессивной и влажной среде
существующие стандартные покрытия малопригодны и не в полной мере
отвечают
требованиям Европейского сообщества по минимизации
вредных выбросов в атмосферу. Разработанный ранее состав на основе
низкомолекулярного
алкоксисилоксана
и
растительных
масел,
заключающийся в способности смеси к самоотверждению при нормальных
условиях на открытом воздухе в тонких пленках с образованием
высокоэффективных гидрофобных покрытий, позволил создать защитные
306
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
покрытия для кожи, дерева, бумаги, а также пористых керамических
материалов и фасадных покрытий [1].
Нанесённый на поверхность
чёрного металла подобный состав продемонстрировал высокие защитные
свойства образовавшейся полимерной пленки по защите металла от
коррозии в агрессивной и влажной среде. Разработанная рецептура
смесевого покрытия технологически проста в изготовлении, экономически
привлекательна, имеет неплохую адгезию к металлическим специально
не подготовленным поверхностям,
отвечает
Европейского сообщества по минимизации
жёстким требованиям
вредных выбросов в
атмосферу (т.к. не содержит в составе летучих растворителей), обладает
способностью создавать покрытие с высокими защитными свойствами
при
однослойном
нанесении,
образовавшейся плёнки
что
и
обусловлено
беспористостью
высокой химической устойчивостью
силиконовых соединений. В качестве технологии нанесения подобных
покрытий предусматривалось промышленное безвоздушное распыление,
нанесение валиком и кистью. В качестве недостатков можно отметить
длительное время желатинизации
состава в толстых плёнках с
образованием мягких прозрачных плёнок на горизонтальных поверхностях
при продолжительной экспозиции (более 1 месяца) при нормальных
условиях без сиккативов и катализаторов отверждения. В целом, создание
надёжных
антикоррозионных
технической
задачей.
покрытий
Поэтому
представляется
разработка
рецептуры
сложной
защитных
беспористых покрытий для защиты металлических конструкций от
коррозии является актуальной задачей.
Целью настоящей работы являлась
разработка новой рецептуры
антикоррозионного защитного полимерного покрытия.
Работа включала несколько этапов:
1)
изучение характера и времени желатинизации толстых плёнок,
2)
подбор эффективных катализаторов отверждения,
307
25-26 сентября 2013, Саратов
3)
оценка степени отверждения,
4)
определение оптимальной концентрации для желатинизации и
отверждения пленки.
Повторные опыты
характера и времени
формирования
с рецептурой, направленные на изучение
желатинизации толстых плёнок с целью
защитных
покрытий
без
добавки
сиккативов
и
катализаторов при вариационном изменении рецептуры в широком
диапазоне
соотношения
компонентов
показали
технологическую
непригодность состава для практического применения ввиду
слишком
длительного повышения вязкости и тем самым стеканием с вертикальных
поверхностей. Лучшие показатели по скорости отверждения оказались у
рецептур в диапазоне 50÷90 объёмных процентов низкомолекулярного
алкоксисилоксана, остальное – рафинированное подсолнечное масло,
относящегося
к
полувысыхающим
растительным
маслам.
Неудовлетворительные результаты с использованием доступного и
дешёвого подсолнечного масла привели к повторению исследований с
высыхающим льняным маслом в аналогичной вариации
процентного
соотношения с шагом 5 об. %. Результаты по времени желатинизации
плёнки сократились в 3 раза
и составили 7÷10 дней
для сходного
диапазона оптимальных концентраций, однако также продемонстрировали
непригодность состава для промышленного применения. Таким образом,
было установлено, что самоотверждение смесевого состава на основе
низкомолекулярного алкоксисилоксана и растительных масел
при
нормальных условиях на открытом воздухе в толстых пленках с
образованием защитных покрытий не найдёт практического применения
ввиду технологически неприемлемой длительности высыхания и мягкости
получаемого покрытия и необходимо провести подбор эффективных
катализаторов отвержения, что и стало следующим этапом экспериментов.
308
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Одной из возможностей обойтись без катализаторов представлялось
использование уже заранее полимеризованного растительного масла олифы, но уже в начале этапа экспериментов было установлено, что олифа
и низкомолекулярный алкоксисилоксан не совмещаются. При смешении
компонентов
через
несколько
минут
наблюдалось
расслоение
ингредиентов смеси.
Известно [2] использование в качестве катализаторов окислительной
полимеризации растительных масел (сиккативов) переходных металлов в
виде резинатов, нафтенатов и пальмитинатов.
Для полимеризации
силиконов также упоминаются соли переходных металлов. Один из
вариантов
предполагает
использование
хлоридов
металлов
[3].
Использование доступных неорганических солей в качестве катализаторов
отверждения
было
гидратированнные
потенциально
формы
технологически
хлоридов
металлов
интересно,
обладают
хотя
низкой
растворимостью в смесевой рецептуре. Нами был апробирован путь
введения подобных форм различных металлов через органический
растворитель-комплексон.
Удовлетворительные
результаты
показал
ксилол, но лучшим и универсальным оказался тетрагидрофуран (ТГФ), в
котором хорошо
хлоридов
растворялись гидратированнные формы почти всех
переходных
металлов,
а
полученный
раствор
хорошо
совмещался с рецептурой. Однако и такой путь введения хлоридов в
рецептуру не принёс положительных результатов, т.к. в зависимости от
катиона полученный раствор имел время жизни от 10 с до 30 мин, после
чего
на
дне
или
на
стенках
сосуда
выделялась
и
затем
выкристаллизовывалась основная масса хлорида металла. Поэтому были
синтезированы
и
исследованы
различные
препараты
на
основе
растворимых в рецептуре форм: бензоаты, пальмитинаты, сульфонаты,
нафталинсульфонаты переходных металлов Co, Ni, Mn, Pb, Sn, Cr, а также
Cu, Ag, Al). Были апробированы промышленные отвердители для Si309
25-26 сентября 2013, Саратов
органики на основе Ti- и Sn-органических соединений: тетрабутоксититан
и препарат К-68. Препараты вводились в концентрациях 0.5 и 2.0 мас.%.
Для оценки эффективности индивидуальных катализаторов проводилась
параллельная серия опытов из тонких плёнок (по 50 мкл, три точки,
растекание до толщины 0.2 мм) и толстых плёнок
(по 150 мкл, три
точки, растекание от 1.5до 2.0 мм) на стеклянной поверхности и металле.
Поставленная серия опытов, несмотря на характеризующуюся [3] высокую
эффективность
одновременно
большинства
для
низкомолекулярных
полимеризации.
из
перечисленных
полувысыхающих
силиконов,
катализаторов,
растительных
показала
низкую
масел
и
эффективность
Так, согласно [3], для качественной полимеризации
силикона отклонение среднего соотношения R/Si (средней степени
органического замещения кремнийорганических полимерных звеньев) от 2
не должно превышать 0.002-0.004 % мол. Лишь один катализатор во всех
случаях
вызывал
желатинизацию
плёнок
за
24
часа
–
это
тетрабутоксититан (ТБТ). Некоторые из катализаторов уменьшают время
желатинизации рецептуры с различной степенью эффективности по
отношению к холостому (без катализатора) варианту, однако для
практического применения не представляют интереса из-за длительности
процесса (от 72 ч до 7 суток).
В целях установления минимально действующей и оптимальной
концентрации для желатинизации и отверждения в естественных условиях
плёнок
смесевого
состава
на
основе
низкомолекулярного
алкоксисилоксана и подсолнечного масла проведены эксперименты с
различными концентрациями тетрабутоксититана (ТБТ), табл.1. Через 24 ч
желатинизация не наступила
только для двух первых
вариантов.
Мягкость плёнок с увеличением концентрации ТБТ уменьшалась. Для
уточнения диапазона минимально действующей концентрации ТБТ
проведены опыты по три дублирующих капли по 50 мкл на стекле со
310
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
следующими концентрациями: 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4,
0.45, 0.5, 0.6, 0.8 и 1.0 об. %.
Через 24 часа желатинизация наблюдалась в концентрациях ТБТ от
0.3 %. Для концентрации 0.25% наблюдалась начальная стадия загущения
рецептуры. Для изучения оптимальной концентрации ТБТ в рецептуре,
внешнего вида плёнок, скорости желатинизации
изучен диапазон
концентраций от 0.3 до 6.0 об. %. В диапазоне концентраций от 0.3 до 0.6
об. % пленки не стекали, но были мазеподобными и легко удалялись. В
диапазоне концентраций от 0.6 до 1.0 об. % плёнки имели консистенцию
помады. В концентрациях выше 2.0 об. % плёнки под лёгким усилием
кончиков пальцев уже не повреждались. В концентрациях выше 4.0 %
степень желатинизации
плёнок, отвечающей степени желатинизации
плёнок с концентрациями до 2.0 %
за 24 ч, наступала через 60 мин.
Толстые плёнки с концентрациями выше 5.0 % становились мутными и
растрескивались.
Таблица 1
Зависимость степени желатинизации плёнок
от концентрации ТБТ за 24 ч
Толщина пленки,
концентрация тетрабутоксититана, об. %.
мм
Подложка стекло
0
0.2
1.5
Подложка металл
0
0.2
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
н
н
н
ж
ж
п
п
п
п
п
п
п
н
н
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
п
п
н
н
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
п
п
н
н
ж
ж
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
н
н
н
ж
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
н
н
ж
ж
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
0.2
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
311
25-26 сентября 2013, Саратов
Толщина пленки,
0.2
1.5
н
н
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
п
п
н
н
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
п
п
н
н
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
п
п
н
н
ж
ж
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
н
н
н
ж
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
н
н
н
ж
ж
ж
ж
п
п
п
п
п
н - не застывает; ж - желеобразная субстанция; п - плёнка различной эластичности
Выводы
1. Подобран катализатор - тетрабутоксититан для желатинизации и
полимеризации смесевого состава
на основе низкомолекулярного
алкоксисилоксана и подсолнечного масла при нормальных условиях в
толстых пленках на невпитывающих поверхностях для получения
бесцветных защитных покрытий.
2. Установлена минимально действующая концентрация 0.2÷0.3 об.
% катализатора ТБТ для желатинизации и отверждения в естественных
условиях плёнок смесевого состава.
3. Установлена оптимальная технологическая концентрация 0.6÷4.0
об. % ТБТ для получения защитных плёнок различной толщины.
4. На основе разработанной рецептуры получены покрытия с
наполнителем и прозрачные полимерные пленки для защиты металла от
коррозии в агрессивной и влажной среде, отвечающие
Европейского сообщества по минимизации
требованиям
вредных выбросов в
атмосферу.
Литература
1.
Косов В.В. , Пичхидзе С.Я. Разработка новых гидрофобных
покрытий на основе низкомолекулярного алкоксисилана и растительных
масел. Всероссийская молодежная научная конференция. Актуальные
312
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
вопросы биомедицинской инженерии. Саратов: СГТУ, 20-22 мая 2013.с.224-229.
Денкер И.И. Технология окраски изделий в машиностроении.
2.
Учебник для техн. училищ.-2-е изд.,-М.: Высш. шк., 1984.-с.22-23.
Бажант В., Хваловски В., Ратоуски И..
3.
Силиконы.-М.:
Госхимиздат., 1960.- с. 360, 362-363.
ОБЗОР МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ ГАЗОПРОВОДОВ
И.А. Скляров, К.С. Фролов
Научный руководитель: д.т.н., профессор О.В. Захаров
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Энергетическая безопасность России прочно связана с надежностью
работы нефте- и газопроводов. К настоящему времени протяженность
магистральных трубопроводов превысила 200 тыс. км, из них 35,0 тыс. км
нефтепроводов, 151 тыс. км газопроводов и около 19,3 тыс. км
нефтепродуктопроводов. В нашей стране реализуется большая программа
строительства новых магистральных трубопроводов (Южный и Северный
поток, Голубой поток, ВСТО и другие) трубопроводов, в основном для
экспортных
целей.
Однако
еще
длительное
время
основную
газонефтетранспортную нагрузку будут выполнять системы, построенные
в 70-80 годы прошлого века.
Надежность систем магистрального трубопроводного транспорта
является важнейшим фактором стабильности и роста экономики страны,
позволяющим государству регулировать поставки энергоресурсов как на
внешний рынок, так и для обеспечения потребностей страны.
313
25-26 сентября 2013, Саратов
Состояние трубопроводного транспорта в стране в последние годы
характеризуется переходом на новый качественный этап - период ремонта
и реконструкции магистральных трубопроводов. Проблема обострена тем,
что значительная доля магистральных трубопроводов имеет значительные
сроки эксплуатации. Средний возраст газопроводов приближается к 25
годам, средний возраст нефтепроводов составляет около 30 лет, что
привело в первую очередь к старению изоляционных покрытий
трубопроводов, снижению или потере ими защитных свойств. Участились
случаи аварий по причине коррозии металла трубы, сопровождающиеся
значительными экономическими и экологическими ущербами. Это
объясняется
снижением
защитных
свойств
всех
без
исключения
изоляционных покрытий, накоплением и развитием дефектов в сварных
соединениях,
процессами
потребность
изменением
старения
в
напряженно-деформированного
самого
переизоляции
трубного
металла.
большого
состояния,
Резко
объема
возросла
магистральных
трубопроводов, особенно больших диаметров.
Применяемая конструкция изоляционного покрытия становится
одним из основных критериев, определяющих качество ремонта и срок
службы магистральных трубопроводов.
Обеспечение
антикоррозионной
защиты
–
одно
из
важных
направлений при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов
газовой отрасли. В последние годы газодобывающие предприятия стали
уделять особое внимание необходимости защиты от коррозии объектов
добычи углеводородов. Актуальными эти вопросы становятся уже на
самом первом этапе создания газовых объектов – на этапе их
проектирования. Выверенные и обоснованные технические решения,
заложенные в проект, гарантируют безопасность и долговременность
эксплуатации объекта.
314
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Проектирование средств защиты от коррозии при всех способах
прокладки трубопроводов, кроме надземной, обеспечивается комплексной
защитой с применением защитных покрытий (пассивная защита) и
электрохимической
защитой
(активная
защита)
независимо
от
коррозионной агрессивности грунта.
Пассивная защита трубопроводов осуществляется покрытиями на
основе следующих материалов:
• полимерных – наносят в заводских и базовых условиях по
соответствующим НД;
• термоусаживающихся;
• полимерно-битумных – наносят в базовых и трассовых условиях;
• полиуретановых – наносят в базовых и трассовых условиях.
К изоляционным материалам предъявляются следующие требования:
монолитность покрытия, водонепроницаемость, хорошее прилипание к
металлу, химическая стойкость, механическая прочность, диэлектрические
свойства.
Битумная изоляция состоит из 85 % нефтяного битума и 15 %
минерального наполнителя. Таковая изоляция довольно стойкая при
температурах до 0 °С. При наиболее низких температурах (до -15 °С) к ней
добавляются пластификаторы. Битумная изоляция накладывается в
жарком состоянии на загрунтованную (грунтуют краской) поверхность
трубы, чем достигается надежное соединение изоляции с трубой.
Применяется обычная, усиленная и очень усиленная битумная изоляция.
Применение для защиты трубопроводов от подземной коррозии
битумных покрытий до 70-х годов прошлого столетия показало
неэффективность этого вида покрытий. Причина выхода из строя таких
покрытий через 8-12 лет заключалась в охрупчивании битумов, потери ими
пластичности
из-за
окисления
масляных
фракций
компонентами окружающего трубопровод грунта.
315
агрессивными
25-26 сентября 2013, Саратов
Большей механической прочностью владеет битумно-резиновая
изоляция, состоящая из битумной мастики с порошком резины. Таковая
мастика, усиленная снаружи бризолом, превосходит по своим защитным
свойствам битумное покрытие. Битумно-резиновая изоляция применяется
обычная, усиленная и очень усиленная.
В качестве изоляционных покрытий для газопроводов применяют
пластмассовые пленочные материалы (ленты) с подклеивающим слоем.
Поливинилхлоридные и полиэтиленовые ленты выпускают толщиной 0,30,4 мм, шириной 400-500 мм и длиной 100-150 м, намотанные в рулоны.
Трубы очищают, затем покрывают грунтовкой, представляющей собой
клей, растворенный в бензине, после чего обертывают изоляционной
лентой в несколько слоев и защитным покрытием из рулонного материала.
Весьма усиленная изоляция состоит из 3 слоев ленты толщиной не менее
1,1 мм. Для обертки труб применяют специальные машины.
Полимерные покрытия на основе полиэтиленовых изоляционных
липких лент, использование которых было обусловлено отсутствием
надежных и долговечных покрытий, особенно для трубопроводов больших
(1020 - 1420 мм) диаметров, также оказались малоэффективными.
Для устранения внутренней коррозии трубопроводов применяют
эмалирование труб. Процесс изготовления заключается в использовании
для нагрева сплава энергии электромагнитного поля высокочастотного
тока. При этом нанесенная на трубу сырая эмаль расплавляется и образует
на поверхности сплава сплошное покрытие, обладающее большой
механической прочностью и высокой химической стойкостью.
Для контроля свойства изоляционных покрытий на трубопроводах
используются последующие приборы:
1) индукционный толщиномер;
2) портативный инспекторский дефектоскоп для определения
сплошности покрытия;
316
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
3) адгезиометр для определения прилипаемости.
Пассивная защита также предусматривает удаление образующихся
отложений с поверхностей трубопровода. К этому способу защиты
относятся обмывка, обдувка, вибрационная и механическая очистки.
Подготовка стальной поверхности трубопроводов осуществляется методом
абразивоструйной очистки по нормам международного стандарта ISO
8501-1. Очистка осуществляется до степени SA-2,5. В соответствие со
стандартом с поверхности трубопровода удаляются старое изоляционное
покрытие (в случае переизоляции), ржавчина, окалина, масляно-жировые
загрязнения. При абразивоструйной очистке на стальной поверхности
создается шероховатость 50-110 мкм в зависимости от требований к
подготовке
поверхности
для
конкретного
антикоррозионного
изоляционного материала. После завершения абразивоструйной очистки
проводится обеспыливание. Обеспыливание поверхности трубопровода
осуществляется методом обдува сжатым или с помощью промышленных
пылесосов.
Таким
образом,
актуальными
стали
усовершенствование
и
разработка новых, высокоэффективных изоляционных материалов и
покрытий на их основе, в том числе для трубопроводов больших (1020 1420 мм) диаметров, технологии их нанесения в трассовых условиях,
обеспечивающих срок службы, совместимый с амортизационным сроком
службы защищаемого трубопровода (не менее 30 лет).
Литература
1. ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие
требования к защите от коррозии.
2. Киченко А.Б., Киченко С.Б. Коррозионный мониторинг как
важный фактор разработки и осуществления эффективной программы
317
25-26 сентября 2013, Саратов
борьбы
с
коррозией
на
нефтегазовых
промыслах
//
Практика
противокоррозионной защиты. 2001. № 2. С.37-47.
3. Применение полиуретановых покрытий при капитальном ремонте
магистральных газопроводов / С.В. Разгуляев, Э.И. Велиюлин, Б.Д.
Аннаков, М.А. Гайтаев // Газовая промышленность. 2011. № 2. С. 50-57.
МУЛЬТИДИАГНОСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА
СОСТОЯНИЯ ЛЕТЧИКА ВО ВРЕМЯ ПОЛЕТА
Н.Н. Гусева
Научный руководитель: д.т.н., профессор Т.В. Истомина
Московский Авиационный Институт, г. Москва
В последние годы статистика тяжелых авиационных происшествий
упорно из года в год убеждает, что порядка 80% из них так или иначе
связаны с «человеческим фактором».
«Человеческий фактор» как одна из основных причин авиационных
происшествий приобретает сегодня особое значение. Последствие таких
происшествий - потеря человеческих жизней, дорогостоящей авиационной
техники, ущерб, нанесенный упавшим самолетом на земле, - все это
ложится тяжким бременем на еще неокрепшие финансовые плечи
свободных от бюджетной опеки авиапредприятий, а иногда означает для
них крах и банкротство.
Характерно, что в большинстве подобных случаев, не учитывалось
физическое и эмоциональное состояние летчика [3].
318
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Помимо
введения
дополнительных
практических
тренировок
летного экипажа к действиям в наиболее сложных особых ситуациях,
необходимо введение дополнительной системы, для он-лайн мониторинга
состояния пилота. В основе разрабатываемой мультидиагностической
системы мониторинга летчика (Рис.1) лежат исследования, наиболее полно
оценивающие не только его основные жизненно важные параметры, но и
Сокращения, применяемые в схеме:
ЭЭГ-электроэнцефалограмма;
ЭКГ - электрокардиограмма;
КГР-кожно-гальваническая реакция;
ЭМГ - электромиограмма;
ОКС - оксиметр;
АД - прибор мониторинга
артериального давления;
Пр.к. - приборный концентратор;
Рис.1. Схема предлагаемой системы
АУС - автоматический усилитель
мультидиагностической системы
сигнала;
КПД - канал передачи данных;
КРССП - канал радиосвязи
служебного пользования; ПК персональный компьютер;
ПО - программное обеспечение,
установленное на ПК; Интерфейс непосредственная часть программы, в
которой работает врач;
БРВ - блок реагирования врача;
БПП - блок помощи пилоту;
Датчики - устройства, считывающие и
передающие информацию
параметры,
влияющие
предупредить
на
опасности,
эмоциональное
связанные
319
с
состояние,
человеческим
позволяющие
фактором,
и
25-26 сентября 2013, Саратов
проводить медицинское воздействие, сводя аварийные ситуации к
минимуму.
Принцип
работы
системы
заключается
в
следующем.
Подготовительным этапом исследования является правильное закрепление
датчиков. Датчики ЭКГ закрепляются в области сердца. Датчики ЭКГ
снимают кардиологические показания, что особенно важно в критических
ситуациях.
Датчики
недостаточностей,
ЭЭГ
используются
связанных
с
для
выявления
недостаточным
острых
кровоснабжением
головного мозга.
Своевременная помощь при таких нарушениях существенна. Для
снятия показаний ЭЭГ достаточно 2 лобных электродов и пары,
расположенных на ухе или виске, которые с помощью микроразрядов
стимулируют деятельность лобной доли головного мозга. Известно, что
такая стимуляция повышает концентрацию и увеличивает скорость
передачи нервных импульсов, а вместе с ней и реакцию. Однако
использовать это стоит только в случаях крайней необходимости, когда
иных вариантов нет, т.к. долгосрочный эффект таких воздействий на мозг
изучен мало. Устойчивость пилота к дезорганизующему влиянию
чрезмерного эмоционального напряжения зависит от его индивидуальнотипологических особенностей [4].
Датчики
ЭМГ
располагаются
на
активных
точках
спины.
Необходимы для контроля сознания летчика и мониторинга его
двигательной активности. В случае потери сознания датчики ЭМГ подают
импульс разряда тока в активные точки, приводя пилота в сознание [1].
Еще одним параметром, изменение которого хорошо заметно при
переходе ко сну, является изменение (снижение) частоты дыхания. Что в
свою очередь приводит к сокращению частоты сердечных сокращений
(соответственно снижается пульс и уменьшается содержание кислорода в
крови). Именно на этой зависимости основан выбор метода пульсовой
320
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
оксиметрии. Пульс-оксиметр является устройством для неинвазивного
измерения насыщения крови кислородом и измерения пульса.
Пульс-оксиметр крепится на мочку уха и состоит из двух каналов,
каждый
канал
оснащен
Информационный
источником
преобразователь
света
включает
и
фотодиодом.
усилитель,
который
преобразовывает выход фотодиода в напряжение, фильтр и аналогоцифровой преобразователь для оцифровки полученного сигнала. Для
управления работой системы используется микропроцессор (AVR, Atmel
или другой специализированный) [5].
Датчик КГР. Перед полетом пилот надевает на руку часы, в браслет
которых вмонтированы датчики, измеряющие электропроводность кожи и
передающие полученные параметры в главный блок посредством
радиосигнала. Это имеет большое значение при оценке эмоционального
состояния, так как есть нарушения эмоционального состояния, при
которых пилот под воздействием определенных факторов (например, страх
смерти) перестает соблюдать инструкцию, что и приводит к аварии.
В нормальных условиях полета система мониторинга с помощью
датчиков приборов, закрепленных по схеме монтажа каждого из приборов,
передает данные о функционировании систем организма к приборному
концентратору, который передает полученные сигналы в АУС (блок
автоматического усилителя сигналов), которые по каналу передачи данных
передаются на компьютер ЛПУ( лечебно-профилактическое учреждение
авиационного
(программным
назначения),
где
обеспечением),
находится
ноутбук
предназначенным
для
(ПК)
с
анализа
ПО
и
расшифровки биосигналов, снятых с летчика.
В первую очередь идет фильтрация сигнала от помех и шумов,
полученных в процессе передачи. Для этого используется встроенный в
ПО блок фильтрации сигнала. Далее идет разделение сигнала на нужные
321
25-26 сентября 2013, Саратов
области. Программа показывает "положительные" значения и, если сигнал
выходит за критические области, то подает сигнал пользователю.
Программа
работает
он-лайн,
данные
обрабатываются
с
минимальным интервалом во времени. Полученные данные записываются
в базу данных и с помощью них можно проводить статистику
самочувствия летчика.
Возможности системы в аварийных и критических ситауциях [2].
Система ведет видеомониторинг для наиболее четкого видения
ситуации. Эту опцию можно включать только при необходимости, т.к. она
замедляет скорость передачи данных. Например, если врач видит, что
какой-то из сигналов нарушен и есть вероятность, что изменение в данных
вызвано не нарушением в работе какой-либо системы, а чем-то другим
(отклеиванием электрода, например) камера незаменима. Второй такой
ситуацией является явное нарушение в состоянии здоровья летчика, когда
необходим осмотр, пусть даже удаленный.
Интерфейсная
часть
системы
содержит
диагностическую
составляющую, которая нацелена на полный контроль состояния пилота в
любое время во время полета. При этом, если врач одновременно следит за
несколькими летчиками, подает сигнал, куда в данный момент следует
обратить внимание. Уровень сигнала настраивается под пользователя. Есть
возможность настроить несколько сигналов, как для резкого изменения
какого-либо показателя (например, пульса, либо АД), так и сигналы, когда
какой либо показатель резко отклоняется от нормы и нужна очень быстрая
реакция.
Вторая часть интерфейса - это блок реагирования врача БРВ. На нем
расположены кнопки, которыми следует пользоваться только в экстренных
случаях, когда это действительно необходимо.
322
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Эти кнопки соединены с БПП - блоком помощи пилоту,
находящимся на борту самолета и управляемые с помощью сигнала,
передаваемому по каналу связи врачом с помощью интрефейса системы.
БПП подразумевает собой средства помощи пилоту:
-
набор лекарственных средств в перфузерах, установленных в
накладках на поручнях кресла,
- электрическое воздействие определенной силы, передаваемое на
датчики ЭМГ (при потере сознания, при засыпании), ЭКГ (при остановке
сердца), и ЭГГ,
- подача кислорода при кислородном голодании,
- подача нашатыря при полуобморочных состояниях и т. д.,
- подача критического сигнала готовности к катапультированию
(Так, катапультируемое кресло вместе с пилотом выстреливается из
аварийного летательного аппарата при помощи реактивного двигателя
(как, например, К-36ДМ), порохового заряда (как КМ-1М) или сжатого
воздуха (как у спортивного Су-26), после чего кресло автоматически
отбрасывается, а пилот опускается на парашюте, пилоту необходимо по
мере
возможности
занять
безопасное
положение
во
избежание
травмирования) [1].
Важным является время реакции на стимул. Прибор посылает запрос
в виде загорающейся лампочки или звукового сигнала, на который пилот
отвечает нажатием на специальную кнопку, или педаль, или просто
касаясь рукой каких-то частей кабины. Если состояние пилота критическое
и помочь ему никак нельзя, то для истребителей (когда пилот летит один
без второго пилота) необходимо предусмотреть экстренную посадку
самолета и связь с диспетчерской через БПП, и катапультирование пилота
если тот не в состоянии сделать при возгорании самолета это сам или
включения автопилота, если он не включился автоматически.
323
25-26 сентября 2013, Саратов
В самолетах, где есть второй пилот необходимо провести
консультацию по приведению первого пилота в чувства по каналу связи
служебного пользования и проследить за введением всех необходимых
лекарственных средств через перфузер.
Рассмотрим
требования
к
медицинскому
обслуживающему данную систему. Так
как работа
персоналу,
с
летчиками
специфична и касается сразу нескольких областей медицины, то работать с
системой мониторинга могут только врачи специальности "Авиационная
медицина", либо бывшие летчики, получившие медицинское образование в
области реаниматологии и экстренной медицины с наличием требуемых
знаний,
стрессоустойчивостью
и
способностью
быстро
решать
поставленные задачи в условиях удаленного доступа.
Таким образом, данная система мониторинга поможет предотвратить
большое количество авиационных происшествий и
решить проблему
человеческого фактора в авиации и авиационной медицине, что улучшит
отношение к надежности полетов среди населения, а также увеличит
гарантии безопасности для летчиков как гражданских, так и военных.
Литература
1. Гусева Н.Н.
«Биотехническая система мониторинга состояния
летчика во время полета в авиационной, военно-авиационной и
транспортной
медицине»
Современные
биоинженерные
и
ядерно-
физические технологии в медицине: сборник материалов Международной
молодежной научной школы. 18 сентября 2012г. – Саратов: ООО
«Издательство Научная книга», 2012. – 247 с.
2. Гусева Н.Н.
«Комплекс (КДМЛ) для раннего выявления
профессиональных болезней ЖКТ у космонавтов, а также мониторинг их
возникновения, течения и лечения» Материалы II Международной научнопрактической конференции «Современные проблемы отечественной
324
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
медико-биологической и фармацевтической промышленности. Развитие
инновационного
электронное
и
кадрового
научн.
издание.
потенциала
–
Пензенской
ФГУП
НТЦ
области»:
«Информрегистр»,
Депозитарий электронных изданий. – 2012.
3. Клюев А.В., Качалкин А.Н., Диденко Э.Б., Овчаров В.Е., Горбач
Н.Г. Психологические аспекты проблемы человеческого фактора в
авиационной
аварийности.
Анализ
и
стратегия
профилактики.http://alfamed.su/load/sutochnoe_monitorirovanie_ehkg_po_kho
lteru/1-1-0-15
4.http://www.masters.donntu.edu.ua/2007/kita/voznjuk/library/doklad.htm
5. Ю.И. Александров Основы психофизиологии: Учебник / Отв. ред.
Ю.И. Александров. - М.: ИНФРА-М, 1997. - 349 с.ISBN 5-86225-572-9.
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
У.С. Курская, И.П. Галкина, Г.И. Рахимова, Л.И. Сафина
Научный руководитель: к.б.н., доцент Р.Р. Фаткуллина
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, г. Казань
В настоящее время наблюдается рост применения и финансирования
нанотехнологий
в
глобальном
масштабе.
Современные
тенденции
применения нанотехнологий в сфере текстиля, трикотажа и нетканых
материалов можно условно разделить на категории: улучшение свойств
материалов с помощью пропиток наноматериалами и нанопокрытий
(известно, что «нано» - приставка, обозначающая 10-9, нанометр - 10-9
метра; на отрезке длиной в один нанометр можно расположить восемь
атомов кислорода) [1].
325
25-26 сентября 2013, Саратов
Применение наноматериалов придает новые уникальные свойства
изделиям: водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность,
способность проводить электричество и другие свойства [2-4]. Возникает
необходимость выбора свойств продукции, которые могут повлиять на
применение и спрос на материалы для изготовления изделий легкой
промышленности.
Цель научной работы: выбор наиболее важных свойств материалов,
обеспечиваемых применением нанотехнологий.
Исходя из цели, вытекают следующие задачи:
1. Определить сферы применения нанотехнологий;
2. Рассмотреть эксплуатационные свойства материалов;
3.Выработать
рекомендации,
связанные
с
использованием
нанотехнологий для материалов легкой промышленности.
На
основе
данных
опроса
14
магистрантов
специальности
«Технология швейных изделий» вычисляется коэффициент согласования
мнений (коэффициент конкордации):
1 m
12∑ x j − ∑ aij
k i
j =1
W=
2
3
m (k − k )
k
где m – количество экспертов (респондентов), k – количество факторов.
По полученному значению коэффициента конкордации можно
судить, насколько сходны мнения экспертов. Оценка экспертных данных
показала, что отдается предпочтение одежде с высокими гигиеническими и
эксплуатационными характеристиками, которые могут быть обеспечены
применением нанотехнологий в виде нанопропиток и нанопокрытий
материалов. Номенклатура свойств материалов для проведения экспертной
оценки и расчета согласованности мнений экспертов включает в себя
следующие
требования
(факторы):
326
износостойкость;
гигиеническая
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
обработка
(возможность
чистки);
долговечность;
гигиеничность;
комфортность [5-6].
Определена весомость характеристик разрабатываемой продукции,
на качество которой может повлиять применение нанотехнологий, и
проведено их ранжирование. Свойство гигиеничности определяется
качеством
исполнения
функции
материала
по
характеристикам
пододежного пространства, комфортность - определяется степенью
соответствия производимой продукции заявленным характеристикам
удобства, долговечность определяет предполагаемую продолжительность
службы изделия в различных условиях эксплуатации, износостойкость –
показатель сохранения свойств в процессе эксплуатации, гигиеническая
обработка - отражает степень сложности восстановления основных свойств
продукции (рис.1). Полученный перечень показателей свойств материалов
целесообразно использовать при подборе материалов, применяемых для
изготовления одежды и обуви.
Рис.1. Расчет коэффициента согласованности мнений
327
25-26 сентября 2013, Саратов
Предложена таблица распределения изделий по классам требований
к
свойствам
материалов
промышленности
для
аналогично
изготовления
нормативному
изделий
документу
легкой
СанПиН
2.4.7/1.1.1286-03 [7] (таблица 1).
Таблица 1
Распределение изделий по классам
Возраст
1-й слой изделия
2-й слой изделия
3-й слой изделия
потреби
Изделие
Изделие
Изделие
Изделие
Изделие
теля
регламентных повседневная
для
повседне
для
повседне
работ
регламен
вное
регламен
вное
для
Изделие
тных
тных
работ
работ
Пло
Пло
Пло
Пло
Площадь контакта с Контакт
щадь
щадь
щадь
щадь
кожей < 15%
конта
конта
конта
конта
с
кожей
отсутствует
кта с кта с кта с кта с
коже
й
Дети
коже
< й
коже
< й
коже
> й
>
15%
15%
15%
15%
-
-
I
II
класс
класс
Взросл
IV
III
II
III
ые
класс
класс
класс
класс
-
III класс
-
III класс
IV класс
III класс
IV класс
IV класс
Рекомендуем разработку СанПиНа (санитарные правила и нормы) по
практическому
использованию
текстиля,
трикотажа
и
нетканых
материалов в зависимости от площади соприкосновения и длительности
ношения одежды, содержащей наночастицы в виде пропиток и покрытий.
Таким образом, анализ показал целесообразность использования
наноматериалов в изделиях легкой промышленности, например, для
328
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
работников спасательных служб, геологоразведки и др., в частности,
применение нанотехнологий в деталях одежды, обуви и трикотажных
изделиях.
Литература
1. Нанопокрытия [Электронный ресурс] Режим доступа http://nanopokritie.ucoz.ru/index/nanopokrytija/0-23, свободный.
2. Свидиненко Ю.Г. Нанотехнологии в текстиле. Современные
достижения // Рынок легкой промышленности, №42, 2005. [Электронный
ресурс]
Режим
доступа
http://www.rustm.net/catalog/article/232.htm,
свободный.
3. Горберг Б.Л., Иванов А.А., Стегнин В.А., Рыбкин В.В., Титов В.А.
// Перспективы использования метода магнетронного распыления для
изготовления текстильных материалов со специальными поверхностными
свойствами. Рынок легкой промышленности №48, 2007. [Электронный
ресурс]
Режим
доступа
http://www.rustm.net/catalog/article/417.html,
свободный.
4.
Березин
А.Б.
Разработка
стандартов
для
внедрений
нанотехнологий в текстиле: проблема и задачи // Рынок легкой
промышленности, №48, 2007. [Электронный ресурс] Режим доступа
http://www.rustm.net/catalog/article/ 417.html, свободный.
5.
Материаловедение
в
производстве
изделий
легкой
промышленности: Учебник для студ. высш. Учеб. заведений / А.П.
Жихарев, Д.Г. Петропавловский. С.К.Кузин, В.Ю.Мишаков. – М.: Издат.
Центр «Академия», 2004. – 442с.
6. Бузов Б.А. Управление качеством продукции. Технический
регламент, стандартизация и сертификация: учеб. пособие для вузов
/Б.А.Бузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 176с.
329
25-26 сентября 2013, Саратов
7. Бузов Б.А., Алыменкова Н.Д. Материаловедение в производстве
изделий
легкой
промышленности
(швейное
производство).
–
М.:
Издательский центр «Академия», 2004. -448с.
ПРИМЕНЕНИЕ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ЗАЩИТНЫХ СЛОЕВ
(СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ФУТЕРОВОК) ДЛЯ ЗАЩИТЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
А.Г. Кучеренко
Научный руководитель: д.т.н., профессор В.Г. Макаров
Самарский государственный технический университет, г. Самара
В практике применения технологического оборудования на основе
стеклопластика, бетона, стали и других материалов в химической и
нефтехимической промышленности остро встает вопрос защиты от
химической и электрохимической коррозии.
Наиболее
является
эффективным
футерование
способом
технологического
антикоррозионной
оборудования.
защиты
Скрубберы,
резервуары, кислотные ванны, воздуховоды и другое оборудование с
футеровкой имеет высокий ресурс, безотказность и ремонтопригодность, а
также гарантируемую стабильность технологического процесса.
Многослойная структура стенки технологического оборудования с
футеровочным слоем представлена на рис. 1. В ней можно выделить
химически
стойкий
слой
с
высоким
содержанием
связующего (гелькоут) (рис. 1, 1), первый химически стойкий слой,
армированный стекловуалью (рис. 1, 2) толщиной 0,25–0,5 мм создает
коррозионностойкий диффузионный барьер. Содержание связующего
составляет примерно 90 % (масс.)., второй химически стойкий слой,
330
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
армированный
стекломатом
марки
МА
644 (рис. 1,
3)
который
обеспечивают герметичность и химическую стойкость, имеет толщину
2,5 мм. Содержание связующего 70–75 % (масс.). В качестве связующего
используются химически стойкие смолы и конструкционный слой (рис. 1,
4) на основе металла, бетона или конструкционного стеклопластика.
Служит для обеспечения требуемой прочности и жесткости изделия.
Толщина варьируется в зависимости от габаритов изделия и внешних
нагрузок. В случае использования конструкционного стеклопластика
армирующими материалами являются: стеклоткани из крученых нитей,
жгутовые ткани, стекложгуты и стеклохолсты. При его изготовлении
чередуются слои ткани и стеклохолста. На последний слой ткани или
стекложгута также укладывают слой стеклохолста. Для сокращения
расходов на изготовление оборудования в качестве связующего для
конструкционного слоя следует использовать менее химически стойкие
смолы, такие как: Камфэст, Polylite, ПН и другие.
Рис. 1. Типичная структура стеклопластиковой футеровки
Слои
стеклопластиковой
футеровки
имеют
функциональное
назначение, обеспечивая химическую защиту конструкционного слоя от
воздействия агрессивной среды. Хорошо видно, что при конструировании
рассмотренных слоев используется принцип постепенного увеличения
содержания стекловолокна и снижение содержания смолы, что позволяет
331
25-26 сентября 2013, Саратов
избежать значительных температурных перепадов между слоями и,
следовательно, температурных напряжений при эксплуатации изделий.
Рис. 2 Модель переноса агрессивной среды через футеровку
Основная функция футеровки — создание диффузионного барьера
для агрессивной среды. Конструкционный слой стеклопластикового
изделия, изготавливаемый намоткой содержит сообщающуюся систему
пор (капилляров, дефектов), его пористость может доходить до 18 %.
Поэтому футеровочный слой выполняет защитно-изоляционные функции
по отношению ко всему изделию и является, по существу, диффузионным
барьером для проникновения агрессивной среды в объем изделия.
Транспортировка низкомолекулярных веществ осуществляется через
диффузионный слой по механизму активированной диффузии, в то время
как в конструкционном слое по механизму капиллярного переноса. На рис.
2 показана модель переноса агрессивной среды через футеровку.
Особая роль в футеровке отводится второму химически стойкому
слою, который не только обеспечивает диффузионный барьер, но и
прочность футеровки при воздействии механических, термических и т.п.
напряжений.
Практика показывает, что второй химически стойкий слой на основе
стекломатов
может
гарантировать
достаточную
устойчивость
и
непроницаемость, даже при разрушении гелькоута. В таблицах 1 и 2
приводятся свойства второго химически стойкого слоя.
332
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таблица 1
Свойства второго химически стойкого слоя, распределение
по количеству слоев
Количество
слоев
Масса,
г
Плот-
Масса, г
ность,
г/см³
связующего
Коэффи Массовая доля,
%
циент
напол- ламини связунителя рования ющего
Объемная доля,
%
Объем
напол-
связу-
напол-
нителя
ющего
нителя
пор, %
2
0,5606
1,4292
0,3289
0,2318
1,4231 58,6962 41,3038 74,8792 23,2481
1,8726
4
1,2534
1,4386
0,7397
0,5137
1,4398 59,0067 40,9933 75,7850 23,2208
0,9942
6
1,9631
1,4344
1,1816
0,7815
1,5120 60,1686 39,8314 77,0512 22,4971
0,4517
10
4,5613
1,3191
3,2661
1,2953
2,5173 71,4822 28,5178 84,1739 14,8180
1,0081
Примечание: представлены свойства стекломата марки МА 644-300, поверхностная плотность —
300 г/м².
Таблица 2
Свойства второго химически стойкого слоя,
распределение по поверхностной плотности
Поверх
Масса, г
ностна
я
Масса,
плотно
г
сть,
Коэфф
Плотн
ициент
ость,
ламини
г/см³
связу-
напол-
ющего
нителя
ровани
я
г/м²
300
1,2534 1,4386 0,7397 0,5137 1,4398
450
1,5944 1,4842 0,8625 0,7319 1,1848
600
1,3846 1,4342 0,8352 0,5495 1,5152
Массовая доля, Объемная доля,
%
%
Объем
связу-
напол-
связу-
напол- пор, %
ющего
нителя
ющего
нителя
59,006 40,993 75,785 23,220
7
3
0
8
54,173 45,826 71,763 26,790
7
3
7
8
59,981 40,018 76,705 22,641
3
7
4
7
0,9942
1,4455
0,6529
Примечание: представлены свойства стекломатов марок: МА 644-300, МА 644-450 и МА 644-600,
количество слоев: 4, 3 и 2 соответственно.
333
25-26 сентября 2013, Саратов
Проницаемость второго химически стойкого слоя существенно
зависит от плотности, пористости и содержания связующего, которые, в
свою очередь, определяются количеством слоев стекломатериала. На рис. 3
приведена зависимость плотности от количества слоев стекломата во
втором химически стойком слое.
Рис. 3. Зависимость плотности от количества слоев стекломата
(стекломат марки МА 644-300)
Не трудно заметить, что оптимальным количеством является 4 слоя,
после которого значение плотности начинает снижаться.
Для проведения испытаний
по определению свойств второго
химически стойкого слоя контактным способом было изготовлено 24
образца размером 50×10 мм на основе эпоксивинилэфирной смолы Norpol
Dion 9100 и стекломатериала марки МА 644 с различной поверхностной
плотностью (300, 450 и 600 г/м²) и количеством слоев (2, 3, 4, 6, 10).
Отверждение смолы проводили в течение 24 ч стандартной системой (2%
перекиси метилэтилкетона в диметилфталате (Norpol Peroxide №11) и 3%
ускорителя – октоата кобальта (Norpol Accelerator 9802) с последующей
термообработкой при 60°C в течение 2 часов.
В настоящее время проводятся исследования оптимизации состава
футеровочного слоя путем применения наполнителей с различной
поверхностной
плотностью.
Эти
исследования
334
позволят
создавать
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
оптимальные структуры футеровки для конкретных условий эксплуатации
по температуре и давлению среды.
Литература
1. Маллинсон Дж. Применение изделий из стеклопластиков в
химических производствах // М.: Химия. 1973. 240 стр.
2. Макаров В.Г., Александров А.П., Синельникова Р.М. Химически
стойкие стеклопластики на эпоксивинилэфирных смолах // Пластические
массы. 2007, №9, с. 45–47.
3. Макаров
В.Г.,
Синельникова
Р.М.,
Александров
А.П.
Масштабный эффект свойств стеклопластиковых футеровок // Изв. вузов.
Строительство. 2007, №5, с. 22–25.
4. Макаров
В.Г.,
Александров
А.П.,
Синельникова
Р.М.
Перспективные смолы для химически стойких стеклопластиков // Изв.
вузов. Химия и химическая технология. 2007, Т. 50, №12, с. 91–94.
5. Макаров В.Г., Синельникова Р.М., Александров А.П. Опыт
применения газоходов из стеклопластика для отвода сернистого газа //
Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007, №6, с. 48–49.
6. Макаров
В.Г.,
Синельникова
Р.М.
Выбор
смолы
для
кислотостойких стеклопластиков применительно к конкретным условиям
// Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2013, №6, с. 40–42.
7. Макаров В.Г., Синельникова Р.М., Косилова Д.В., Кучеренко А.Г.
Безотказность химстойких стеклопластиковых труб при тепловых ударах
// Пластические массы. 2012, №8, с. 53–54.
335
25-26 сентября 2013, Саратов
СПЕКТРАЛЬНАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ МОНОМЕРОВ УРАЦИЛ
КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ И ИХ СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ
МОДЕЛИ
Е.А. Джалмухамбетова, М.Д. Элькин, О.М. Алыкова, В.В.Смирнов
Астраханский государственный университет, г. Астрахань
В работе приводится предсказательная интерпретация спектра
фундаментальных колебаний конформеров карбоксизамещенных урацила
(КУ),
основанная
адиабатического
на
модельных
потенциала
квантовых
расчетах
исследуемых
параметров
соединений.
В
фармацевтической химии 6-КУ принято называть оротовой кислотой
(Витамин В13). Для этого соединения теоретическая интерпретация
экспериментальных данных в ИК спектрах (в аргоновой матрице)
предложена в публикации [1], однако она нуждается в уточнении,
поскольку не учитывает возможность наличия внутримолекулярных
водородных связей.
Спектральными данными по колебательным спектрам для остальных
КУ
мы
не
предлагаемой
располагаем,
интерпретации
поэтому
обоснованием
является
тот
факт,
достоверности
что
параметры
структурно-динамических моделей монозамещенных урацила (Х=F, Cl,
CH3, NH2, OH), построенные в рамках гибридного квантового метода
функционала
плотности
DFT/B3LYP
[2]
хорошо
согласуются
с
имеющимися экспериментальными данными. Системный анализ таких
модельных
расчетов
структуры
и
спектров
замещенных
урацила
представлен, к примеру, в публикациях [3-10]. Полученные результаты
позволили сделать вывод, что влияние заместителя на силовое поле
пиримидинового кольца носит локальный характер, а весь набор
336
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
фундаментальных колебаний условно можно разделить на две части.
Первая часть связана с колебаниями урацилового фрагмента, вторая
относится к колебаниям заместителя. При этом в первом наборе колебания
обладают свойством характеристичности по частоте и форме колебаний, а
для ряда частот имеет место и характеристичность по интенсивности.
Рис. 1. Молекулярная диаграмма метилурацилов (Х=Н, СООН)
Проявляется и специфика колебаний самого заместителя, что следует
использовать в задачах их спектральной идентификации. Сказанное
касается и карбоксильного фрагмента (Х=СООН). За подробностями
отсылаем к работам [11-13], где предложены структурно-динамические
модели для бензойной, никотиновой, изоникотиновой и пиколиновой
кислоты.
Оптимизация геометрии КУ осуществлялась для каждого из четырех
возможных конформеров (рис.1). В конформерах К1 и К2 двугранный угол
карбоксильного
фрагмента
D(H15O14CХO13)
в
исходной
модельной
конфигурации предполагался равным нулю, в конформерах К3 и К4 – 180º.
Критерием достоверности модельных расчетов конформационной
структуры мономеров КУ являлось воспроизведение низкочастотных
крутильных
колебаний
(типа
χ)
связей
урацилового
цикла
и
карбоксильного фрагмента относительно плоскости урацилового кольца.
Для этого исходная информация изначально предполагалась плоской
337
25-26 сентября 2013, Саратов
(симметрия Cs), а при наличии отрицательных значений частот в
результате
проведенного
вычислительного
эксперимента
геометрия
понижалась
до
С1.
геометрической
модели
симметрии
исходная
Некомпланарность
молекул осуществлялась путем изменения
двугранного угла D(H15O14CNO13) карбоксильного фрагмента (N=1,3,5,6).
Такой подход дает возможность смоделировать равновесную
конфигурацию КУ, оценить частоты крутильных колебаний, определить
наличие внутримолекулярной водородной связи, образованной атомом
водорода (Н15) карбоксильного фрагмента и атомом кислорода связей
С2=О8 и С4=О10.
Полученные результаты оптимизации геометрии дают основание
предполагать, что симметрией Cs обладают конформеры К1, К2, К4 1-КУ и
5-КУ, К1и К2 6-КУ. Сильная внутримолекулярная водородная связь имеет
место для конформера К4 1-КУ (R(8,15) ~ 1.61 Å), К3 и К4 3-КУ (R(15,8) ~
1.65 Å и R(15,10) ~ 1.60 Å), К4 5-КУ (R(15,10) ~ 1.78 Å). Подтверждением
данного факта служит характер поведения полос, интерпретированных как
валентное (qOH), деформационное (βОН) и крутильное (χОН) колебание
гидроксильного
фрагмента
ОН.
Имеет
место
смещение
полосы,
интерпретированной как валентное колебание связи ОН в длинноволновый
диапазон на величину ~ 350 см-1, а полосы, интерпретированной как
крутильное колебание связи ОН в высокочастотный диапазон на величину
~ 250 см-1. Указанные полосы, а также поведение полосы, отнесенной к
деформационному колебанию валентного угла Н15О14СХ (βОН) следует
считать
надежными
признаками
спектральной
идентификации
конформеров в мономерах КУ.
В
конформерах
КУ,
принадлежащих
группе
симметрии
С1
представление взаимном расположении карбоксильного фрагмента и
урацилового цикла дают следующие оценки значений двугранных углов( в
º). В К3:1-КУ D(6,1,7,14), D(1,7,14,15)=21, D(13,7,14,15)=-162; в К1 3-КУ:
338
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
D(2,3,9,14)=93, D(4,3,9,14)=-88, D(13,9,14,15)=-1; в К3 3-КУ D(3,9,14,15)=14, D(2,3,9,14)=25, D(13,9,14,15)=166; в К4 3-КУ: D(3,9,14,15)=-13,
D(2,3,9,14)=-158,
D(13,9,14,15)=166;
в
К3
5-КУ:
D(6,5,11,14)=-43,
D(5,11,14,15)=-20, D(13,11,14,15)=163; в К3 6-КУ: D(5,6,12,14)=-149,
D(6,12,14,15)=16, D(13,12,14,15)=-164; в К4 6-КУ: D(5,6,12,14)=-11,
D(6,12,14,15)=-7, D(13,12,14,15)=173.
Как
следует
из
приведенных
данных
модельных
расчетов,
некомпланарность атомов карбоксильного фрагмента, определяемого
двугранным углом D(Н15О14СNО13) может достигать величины ~ 17º.
Имеет место на рушение компланарности урацилового фрагмента.
Для атомов шестичленного цикла оно не превышает величины ~ 3º.
Некопланарность связей С=О и NH, соседних с карбоксильной группой,
достигает величины ~ 8º.
Отличие оптимизированных значений валентных связей урацилового
остова КУ от соответствующих параметров урацила может достигать
величины ~0.05 Å. Для валентных углов это значение достигает величины
~ 3º. Исключение составляет угол А(2,3,4) в 3-КУ (~ 6º). Отметим, что
наибольшее отклонение имеет место для геометрических параметров,
соседних к карбоновому фрагменту. Данный факт можно рассматривать
как дополнительным подтверждением высказанного в публикациях [3-10]
предположения о локальном влиянии заместителя на электронную
структуру
урацилового
фрагмента.
Следовательно,
в
спектре
фундаментальных колебаний для конкретного типа замещения должны
просматриваться общие закономерности в поведении полос, отнесенных к
различным фрагментам.
Что касается геометрических параметров карбоксильного фрагмента,
то наибольшее отклонение для валентных углов не превышает величины ~
3º. Для длин валентных связей отклонение ~ 0.3 Å.
339
25-26 сентября 2013, Саратов
Для оценки энергий колебательных состояний использовалось
известное соотношение, представляющее ряд по наборам квантовых чисел
ns колебательного состояния
1
1
1
Eν = vs n s + + χ sr n s + nr +
2
2
2
Для
расчета
ангармонических
(1)
констант
использованы
χsr
соотношения, предложенные в публикации [12].
Сопоставление
рассчитанной
интерпретации
фундаментальных
колебаний КУ (за исключением полос, не представляющие интерес для
задачи спектральной идентификации КУ ввиду их слабой интенсивности в
ИК и КР спектрах), с имеющимся экспериментом [14] позволяет
обосновать достоверность результатов проведенных модельных расчетов и
оценить возможность использования полос низкочастного диапазона ИК и
КР
спектров
для
решения
задач
спектральной
идентификации
монозамещенных урацила.
Весь набор фундаментальных колебаний КУ разбит на две группы. В
первую
входят
монозамещенных
колебания,
урацила.
характеристические
При
образовании
по
димеров
частоте
для
соединений
положение полос указанных колебаний, как следует из модельных
расчетов [3-10], смещается на величину не более 30 см-1, а их
использование для задачи спектральной идентификации соединений в
конденсированном состоянии связано с существенным различием в ИК
интенсивностях в диапазоне ~ 1650-1100 см-1.
Во вторую группу входят валентные и неплоские (крутильные)
колебания связей NH и C=O, OH. Эти связи участвуют в образовании
димеров соединений двух типов. Первый тип связан с образованием
водородных связей С=O---HN урацилового остова, второй с образованием
водородных связей С=О---ОН атомов карбоксильного фрагмента. Здесь
следует отметить характеристичность по всем параметрам полос,
340
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
интерпретированные как валентные (qNH) и неплоские деформационные
(ρNH) колебания связей NH. Полосы валентных колебаний располагаются в
диапазоне 3415-3456 см-1, деформационные в диапазонах 670 см-1 (ρNH9) и
570-600 см-1 (ρNH7). В 5- и 6- КУ интенсивность полос, отнесенных к
колебанию ρNH7 можно использовать для идентификации конформеров.
Для мономеров КУ характер поведения полос, отнесенных к
колебаниям
карбоксильного
использовать
в
идентификации
качестве
соединений.
фрагмента
надежных
Для
βOH,
(qOH,
χOH)
признаков
указанных
следует
спектральной
полос
имеет
место
существенное различие в положении полос в диапазоне частот, значений
интенсивностей в спектрах. В качестве дополнительных признаков можно
использовать полосы, интерпретированные как валентные колебания
связей С=О.
Использование
полос,
интерпретированных
как
колебания
урацилового фрагмента в низкочастотном диапазоне спектра (ниже 1100
см-1) может встретить затруднение ввиду низкой интенсивности ряд из
них. При хорошем разрешении экспериментального спектра оставшиеся
полосы можно привлечь к решению задачи спектральной идентификации
(в таблицах 1-4 они не представлены). Для 1-КУ это полосы ~ 760, 730,
440, 410, 360 см-1; для 3-КУ – ~ 600, 560, 380, см-1; для 5-КУ – 940, 780,
590, 420. По интенсивностям указанных полос можно идентифицировать
конформеры конкретного типа замещения.
Представленные результаты дают основание сделать вывод: метод
функционала плотности (DFT/B3LYP) можно использовать в достоверных
предсказательных
расчетах
структуры
и
колебательных
спектров
замещенных урацила для интерпретации фундаментальных колебаний и
выявления признаков спектральной идентификации.
Показано,
влияние
карбоксильной
группы
на
силовое
поле
урацилового цикла носит локальный характер, что позволяет выявить
341
25-26 сентября 2013, Саратов
общие закономерности в поведении полос урацилового фрагмента при
монозамещении атома водорода связей СН и NH молекулярными
фрагментами рс различными электронно-донорными свойствами.
Литература
1. R. Wysokinsky, K. Helios, L. Lapinsky, M.J. Nowac. L. Michalinski.
Matrix isolation infrared spectroscopic and quantum chemical studies on the
rotational isomers of orotic acid (6-carboxyuracil) // Vibrational spectroscopy.
2013. Vol. 64. P.108-118.
2. Frisch M.J, Trucks G.W. Schlegel H.B. Gaussian 03. Revision B.03.
Gaussian Inc., Pittsburgh PA 2003.
3. Элькин П.М., Эрман М.А., Пулин О.В. Анализ колебательных
спектров метилзамещенных урацила в ангармоническом приближении //
Журнал прикладной спектроскопии. 2006. Т. 73, № 4. С. 431-436.
4. Элькин М.Д., Джалмухамбетова Е.А., Гречухина О.Н. Проявление
межмолекулярного взаимодействия в димерах урацила // Изв. Сарат. у-та.
Нов. Сер. Физика. 2008. Т.8, вып.2. С.25-29.
5. Элькин П.М., Эрман М.А., Карташов В.М. Математическое
моделирование структуры и динамики димеров урацила и азаурацилов //
Изв. Волг. гос. тех. ун-та. 2012. №10 (97). С. 55-62.
6. Эрман Е.А., Элькин М.Д., Лихтер А.М., Джалмухамбетова Е.А.,
Алыкова О.М., Рачеева Н.А. Структурно-динамические модели и
колебательные состояния димеров хлорурацила // Естественные науки.
2012, №2. С.220-227.
7. Элькин М.Д., Гречухина О.Н., Джалмухамбетова Е.А., Гайсина
А.Р., Карташов В.М., Равчеева Н.А. Структурно-динамические модели и
спектральная
идентификация
дигидроксиурацилов
и
дигидроксиазаурацилов // Прикаспийский журнал: управление и высокие
технологии. 2013, №1(21). С.93-101.
342
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
8. Элькин М.Д., Смирнов В.В., Джалмухамбетова Е.А., Гречухина
О.Н., Алыкова О.М., Гайсина А.Р., Равчеева Н.А. Моделирование
адиабатических
потенциалов
моногидроксиазаурацилов
в
конденсированном состоянии // Прикаспийский журнал: управление и
высокие технологии. 2013, №2(23). С.66-72.
9. Элькин П.М., Эрман М.А., Пулин О.В. Анализ колебательных
спектров метилзамещенных урацила в ангармоническом приближении //
Журн. приклад. спектр. 2006. Т. 73, № 4. С. 431-436.
10. Элькин М.Д., Шальнова Т.А., Пулин В.Ф., Колесникова О.В.
Моделирование адиабатических потенциалов карбоновых кислот //Вестник
Саратовского государственного технического университета .-2009 .- № 1
(37) .-C.109-114
11. Элькин М.Д., Нуралиева Д.М., Лихтер А.М., Гречухина О.Н.
Моделирование колебательных состояний пиколиновой, никотиновой и
изоникотиновой кислоты // Прикаспийский журнал: управление и высокие
технологии.-2010 .- № 3 (11) .-C. 35 – 40.
12. Элькин М.Д., Бабков Л.М. Учет ангармонического смещения
полос в модельных расчетах колебательных спектров димеров с
водородной связью // Изв Сарат. гос. ун-та. Нов. сер. Физика. 2011. Т. 11,
Вып. 1. С. 20-25.
13.
Элькин
М.Д.,
Степанович
Е.Ю.,
Нуралиева
Д.М.,
Джалмухамбетова Е.А., Алыкова О.М. Системный анализ колебательных
состояний димеров бензойной кислоты //Естественные науки .-2011 .- № 4
(37) .-C.147 - 153
14. Z.G. Chang, D.N. Ting, Y.C. Tan, B. Y. Ying. A study of DFT and
surface enhenced Raman scattering in silver colloids for thymine. J. Mo. J.Mol.
Structure.2007. V.826. P.64-67.
343
25-26 сентября 2013, Саратов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ
АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА КРОВОСОСУЩИХ НАСЕКОМЫХ
А.Ф. Алыкова
Научный руководитель: д.т.н., доцент А.М. Лихтер
Астраханский государственный университет, г. Астрахань
Невозможно
себе
представить
ни
один
вид
человеческой
деятельности, прямо или косвенно не связанный с воздействием на
окружающую природную среду. Причем такое воздействие чаще всего
является негативным и приводит к нарушению экологического баланса или
необратимым изменениям в экологической системе. Примером таких
воздействий является борьба с кровососущими насекомым химическими,
тепловыми и
акустическими
методами. Авторами
разрабатывается
альтернативное воздействие на кровососущих насекомых акустическими
полями определенного диапазона. [2, 3]. Устройства, предназначенные для
борьбы с кровососущими насекомыми можно расклассифицировать на
приманивающие и отпугивающие (так называемые «отпугиватели»),
действие которых, как уже говорилось выше, основано на химическом,
тепловом, акустическом и т.д. методах. В данной работе рассмотрим
влияние акустических отпугивающих устройств на самок комаров.
Традиционно все отпугиватели воспроизводят два звука: звук летящего
комара мужской особи и стрекозы, которые имитируются ультразвуком.
В продаже сейчас имеется огромное количество различных
ультразвуковых отпугивателей для гнуса, в частности комаров. Но боятся
ли комары ультразвука? Напомним элементы теории ультразвуковых (УЗ)
колебаний. Ультразвук - механические колебания упругой среды с
частотой, превышающей 20 кГц. Единицей измерения интенсивности
344
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ультразвука является ватт на квадратный сантиметр (Вт/см2). Ультразвук
обладает локальным действием на организм, поскольку передается при
непосредственном
контакте
с
обрабатываемыми
деталями
или
ультразвуковые
колебания.
ультразвуковым
Характер
средами,
где
изменений,
инструментом,
возбуждаются
возникающих
в
организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия.
Малые дозы - уровень звука 80-90 дБ - дают стимулирующий эффект микромассаж, ускорение обменных процессов. Большие дозы - уровень
звука 120 и более дБ - дают поражающий эффект.
Многие производители используют именно ультразвуковые частоты
для воздействия на раздражающих двукрылых. Например, компания LG
произвела кондиционер воздуха со встроенным ультразвуком для
отпугивания комаров [4]. В результате тестов кондиционера было
установлено, что "в среднем за 24 часа устройство отпугивает 64%
комаров женской особи, способных переносить малярию, и 82% в целом".
При этом используются звуки с частотными характеристиками от 30 кГц
до 100 кГц, что намного выше 15 кГц, использовавшихся для
"отпугивающего радио".
Ультразвук для отпугивания комаров используется и в телефонах.
Еще в 2003 году южнокорейская фирма предложила скачать на мобильный
телефон ультразвуковой сигнал, который действует в радиусе одного
метра. Сейчас можно загрузить десятки приложений для смартфонов,
якобы способных превратить ваш телефон в устройство для отпугивания
комаров, издающий ультразвуковой сигнал с частотой 15кГц. Мнение о
том, что комары не переносят ультразвук, существует почти 40 лет.
Чтобы подтвердить или опровергнуть действенность ультразвуковых
отпугивателей был проведен эксперимент с тремя отпугивателями разного
ультразвукового диапазона и различной мощности: отпугиватель комаров
"Комарин – Брелок Лайт" (технические характеристики: площадь действия
345
25-26 сентября 2013, Саратов
— до 10 кв. м; рабочая частота — 5,5 кГц); отпугиватель комаров "ВК 29"
(технические характеристики: эффективная площадь защиты до 50 кв. м;
принцип действия имитация звука тревоги комара); отпугиватель "Торнадо" (технические данные: диапазон излучаемых частот, кГц 4 – 40;
эффективная площадь, кв. м до 50;) [4].
1)
2)
3)
Рис. 1. Отпугиватели гнуса: 1) "Комарин – Брелок Лайт"; 2) "ВК 29"; 3) "Торнадо".
Результат
испытаний
всех
трех
приборов
показал
их
неэффективность. Не помогли ни различная заявленная мощность
устройств, ни возможность регулировки частоты излучения под «местных»
комаров в последнем варианте.
В настоящее время авторами разработано и сконструировано
устройство для проверки влияния акустических сигналов на биологические
объекты, в частности кровососущих насекомых. Эксперимент планируется
провести в течение сентября месяца.
Проведенные авторами исследования, которые не приводятся в
данной статье, выявили следующие противоречия утверждений о том, что
звук летящего комара мужской особи и стрекозы, которые необходимо
имитировать ультразвуком.
Шум стрекозы. Утверждается, что, «согласно исследованиям, звук на
частоте 15кГц имитирует шумы, издаваемые стрекозами, которые
представляют смертельную опасность для комаров, и таким образом их
346
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
отпугивает». Исследования показали, что шум крыльев стрекоз происходит
на гораздо более низких частотах - от 20 до 170 Гц.
Звук комаров-самцов. Утверждение о том, что ультразвук копирует
звук комаров-самцов и таким образом отпугивает кровососущих самок,
также не выдерживает критики, потому что:
а) звук их крыльев издается на частоте 450-500 Гц [2, 3], а это ниже
ультразвука.
б) звук крыльев комара самца отпугивает только оплодотворенную
самку, которая для воспроизведения потомства должна еще «напиться»
крови [2, 3].
Современные исследования показывают, что слуховая система самок
комаров, «обладает» зеркальным каналом от 320-480 Гц, причем
чувствительность слуховой системы самок резко падает после 420 Гц, т.е.
теряется в шуме. Поэтому ставится под сомнение возможность восприятия
летящими самками звуков полета самцов 455-470 Гц. Но также известно,
что
повышение
частоты
полетной
вибрации
приводит
к
пропорциональному сдвигу зеркального канала в область более высоких
частот [1], что приводит к формированию дополнительной зоны
чувствительности
выше
зеркального
канала.
Диапазон
этой
дополнительной зоны, скорее всего, имеет два назначения: функция
защиты от хищников и обнаружение движущегося «источника корма».
Естественными врагами комаров являются стрекозы, причем
некоторые виды стрекоз имеют вечерний пик активности, приуроченный к
массовому лёту двукрылых. Кроме того к потенциально опасной для
комаров
группе
хищников
можно
отнести
также
мелких
птиц.
Обнаружение животных - «источника корма» по шуму их движения в
растительности также возможно, но спектр этих шумов, естественно, будет
существенно отличаться от спектра акустических волн от летящих стрекоз.
Можно предположить способность комаров к частотному анализу
347
25-26 сентября 2013, Саратов
звуковых сигналов с их последующим распознаванием на фоне шумов
естественного и искусственного происхождения [2, 3].
Таким образом, для воздействия на комаров авторами выделены два
диапазона частот:
1) от 20 до 170 Гц, в этом диапазоне имитировать шум крыльев
стрекозы, в этом же диапазоне находятся основные пороги реагирования
рецепторов ДО самок комаров;
2) от 340 до 640 Гц, в данный диапазон входит зеркальный канал,
зону которого можно использовать для «раскачивания» частоты за время
порядка сотых долей мс для дезориентации самки комара в пространстве.
На основе анализа полученных экспериментальных данных и
литературных источников для исключения нарушения экологической
системы, одним из живых организмов которой являются кровососущие
насекомые, в настоящее время разрабатывается акустическая система
воздействия на них.
Литература
1. Лапшин Д.Н. Слуховая система самок кровососущих комаров
(Diptera, Culicidae): акустическое восприятие в условиях имитации полёта
// Энтомологическое обозрение, 2012. Т. 91. № 3. С. 465-484.
2. Махмудова А.Ф., Лихтер А.М. Анализ процесса передачи
акустической информации кровососущим насекомым Сборник материалов
Всероссийской молодежной конференции «Инновации и технологии
Прикаспия».
Всероссийской
научно-практической
конференции
«Исследования молодых ученых – вклад в инновационное развитие
России» (г. Астрахань, 10-13 октября 2012 г.) – Астрахань, Астраханский
государственный
университет,
Издательский
университет», 2012. – Т.1. – стр. 341-345.
348
дом
«Астраханский
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
3. Махмудова А.Ф., Лихтер А.М. Оценка акустического воздействия
биокибернетической системы (на примере комаров). Сборник материалов
Международной молодежной научной школы, в рамках фестиваля науки
«Современные
биоинженерные и ядерно-физические технологии
в
медицине». 18 сентября 2012 г. – Саратов: ООО «Издательство Научная
книга», стр.129-133.
4. Махмудова А.Ф., Лихтер А.М. Разработка акустической системы
управления поведением кровососущих насекомых (на примере комаров).
Материалы Международной научной конференции «Инновационные
технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ2013»» (22-24 мая 2013 г.). – Астрахань. – Издательский дом
«Астраханский университет», 2013. с. 175-176.
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ КАЧЕСТВЕННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В РЕЗУЛЬТАТЕ ЕГО
ПЕРЕРАБОТКИ НА УСТАНОВКАХ ГИДРООЧИСТКИ
СОВРЕМЕННОГО НПЗ
А.А. Степанова
Научные руководители: учитель химии Н.П. Помогайбина,
к.х.н., доцент Е.О. Жилкина*
Средняя общеобразовательная школа №7
«Образовательный цент», г.о. Новокуйбышевск
*
Самарский государственный технический университет, г. Самара
Человечество использует различные виды ресурсов: атомную и
геотермальную энергию, гидроэнергию приливов и отливов, солнечную,
ветряную и другие нетрадиционные источники. Однако главную роль в
349
25-26 сентября 2013, Саратов
обеспечении энергией всех отраслей экономики сегодня играют топливные
ресурсы, в том числе и дизельное топливо. В связи с увеличением доли
дизелей на автомобильном транспорте роль дизельных топлив значительно
возрастает.
В нашем регионе сосредоточены крупные НПЗ (Куйбышевский,
Новокуйбышевский и Сызранский). На всех заводах получают дизельное
топливо, которое используют для заправки автотранспорта в нашем
регионе.
В
процессе
получения
дизельное
топливо
приобретает
необходимые эксплуатационные свойства и, в частности, одно из самых
главных – экологическую безопасность. Поэтому тема работы актуальна.
В данной работе рассмотрены изменения показателей качества
дизельного топлива в процессе вторичной переработки. Анализ работы [1]
показал, что получаемые на НПЗ дизельные топлива
на основе
гидроочищенной фракции отличается по составу, свойствам и назначению
от прямогонных дизельных фракций.
Для
решения
поставленной
задачи
исследованы
изменения
качественных характеристик дизельного топлива в результате его
переработки на установках гидроочистки современного НПЗ и сравнены
показатели качества гидрогенизата с показателями качества дизельного
топлива, соответствующего современным требованиям.
Эксперимент
проводился
в
соответствии
с
методиками
представленными в работе [2] на базе лаборатории
кафедры ХТПНГ
СамГТУ.
прямогонной
Для
гидроочищенной
Исследована
исследования
взяты
образцы
и
дизельных фракций, получаемыми на ОАО Нк НПЗ.
облегченная
дизельная
фракция,
применяемая
для
производства зимнего дизельного топлива.
На аппарате для разгонки нефтепродуктов по ГОСТ (ASTM)
определен фракционный состав нефтепродуктов. Сравнение двух кривых
(рис.1.),
полученных
в
результате
350
эксперимента,
показывает,
что
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
фракционный состав дизельного топлива (прямогонной и гидроочищенной
фракций) изменяется незначительно.
Т, 0С300
250
200
150
Сырье
Дизельноетопливо
гидроочищенное
100
50
0
1капля10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Выход, % об.
Рис. 1.Фракционный состав нефтепродукта – зависимость объема выкипания
нефтепродукта от температуры
Цетановое число определено
экспресс методом с помощью
октанометра. Эксперимент показал, что цетановое число прямогонной и
гидроочищенной дизельных фракций изменяется незначительно (52,7 и
54,5 соответственно) и соответствует различным маркам товарных
дизельных топлив (летнему, зимнему, арктическому).
Определение плотности проводилось ареометром, определение
вязкости
-
с
помощью
вискозиметра.
Плотность
и
вязкость
гидроочищенной фракции дизельного топлива ниже, чем прямогонной
фракции и не превышают соответствующие значения технического
регламента (таблица 1).
Таблица 1
Показания плотности и вязкости фракций дизельного топлива
Наименования
Прямогонная
Гидроочищенная
показателя
дизельная фракция
дизельная фракция
ГОСТ
Плотность, г/мс3
0,815
0,810
< 0,840
Кинематическая
2,31
2,20
1,5 ÷ 5,0
вязкость, мм2/с
351
25-26 сентября 2013, Саратов
На аппарате Пенски-Мартенса определена температуры вспышки
(61◦С для прямогонной, 63◦С для гидроочищенной фракций). Для всех
марок дизельного топлива температура вспышки должна быть не ниже
35◦С [3], следовательно испытуемый образец соответствует летнему,
зимнему, арктическому маркам товарных дизельных топлив.
Определение
содержания
серы
в нефтепродуктах
выполнено
ламповым методом. Результаты проведенного эксперимента представлены
в таблице 2.
Таблица 2
Определение содержания серы в нефтепродуктах
№
Образе
Начальная Конечная
Масса
Объем 0,1Н
Содержани
ламп
ц
масса
масса бюкса
сгоревшего
раствораНСI,
е серы,
бюкса с
с образцом,
нефтепродукта,
пошедший на
% мас.
образцом,
г
г
титрование,
очки
г
мл
1
Гидро
29,7113
28,1990
1,5123
19,95
0,005
2
Гидро
23,3067
21,7639
1,5428
19,95
0,005
3
Сырье
28,1563
27,0786
1,0777
15,2
0,714
4
Сырье
24,7164
23,3604
1,3560
14,9
0,603
5
Спирт
-
-
-
20,0
-
S = (V0–V1) ·16, 03 · n · 100/g ,
где S – содержание серы, % мас; V0 – количество 0,1 н. кислоты, пошедшей
на титрование раствора соды в холостом опыте (барботер, в который
поступали продукты сгорания спирта), мл; V1— количество 0,1 н. кислоты,
пошедшей на титрование раствора соды в рабочем опыте (барботер, в который поступали продукты сгорания нефтепродукта), мл; 16,03 —
количество серы, эквивалентное 1 мл 0,1н.кислоты, мг/мл; n —
нормальность кислоты; g— масса сгоревшего нефтепродукта, мг.
352
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
На основании результатов эксперимента произведены расчеты
содержания серы в испытуемых образцах (среднее арифметическое между
значениями, полученными по первой и второй лампочке):
X гидро.ср.=(0,005+0,0005)/2=0,005% мас. (50 ppm) в образце
прямогонной дизельной фракции,
X сырья ср.=(0,603+0,714)/2=0,659% мас. в образце гидроочищенной
дизельной фракции.
Проведенные эксперименты показали изменения в химическом
составе прямогонной дизельной фракции, происходящие в процессе
гидроочистки:
1)
содержание серы в гидроочищенной фракции дизельного
топлива значительно уменьшается по сравнению с прямогонной фракцией
сернистые
(удаляются
соединения,
следовательно,
с
уменьшением
содержания серы в дизельном топливе уменьшается износ деталей
двигателя от коррозии, уменьшается количество вредных выбросов в
окружающую среду);
2)
незначительно возрастает значение температуры вспышки;
3)
незначительно понижаются показания плотности и вязкости;
4)
практически не изменился фракционный состав;
5)
незначительно возрастает значение цетанового числа.
Таким образом, в результате химических реакций протекающих в
процессе
гидроочистки,
экологической
Проведенные
точки
существенно
зрения
исследования
изменился
показатель
показали,
что
как
такой
важный
содержание
образец
с
серы.
гидроочещеной
дизельной фракции, производимый на Нк НПЗ, полностью соответствует
исследованым показателям качества, причем по содержанию серы
соответствует Классу-4 (таблица 3).
353
25-26 сентября 2013, Саратов
Таблица 3
Требования технического регламента к дизельным топливам
Показатели качества
Класс
2
3
4
5
Содержание общей серы, мг/кг, не более
500
350
50
10
Температура вспышки, 0С, не ниже:
40
40
40
40
30
30
30
30
Фракционный состав – 95% об.
360
360
360
360
Цетановое число, не менее
45
51
51
51
-
47
47
47
- дизельные топлива, за исключением дизельного топлива
для арктического климата
- дизельное топливо для арктического климата
Цетановое число для дизельного топлива для холодного и
арктического климата, не менее
Литература
1. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа:
Учебное пособие для вузов. Уфа: Гилем, 2002. 672 с.
2. Власов В.Г. В 58 Физико-химические свойства нефти, нефтяных
фракций и товарных нефтепродуктов: учеб.пособ. – изд. 4-е исправл. и
дополн. В. Г.
3. Власов. – Самара: Самар. Гос. Техн. Ун-т, 2009. -205 с:
ил.otherreferats. allbest.ru›Транспорт›
354
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ РЕЗИНЫ И АЛЮМИНИЯ
А.А. Шихдурдыева, А.И. Шумилин, В.С. Гринёв*,
В.А. Таганова**, С.Я. Пичхидзе
1
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
2
Институт биохимии и физиологии растений
и микроорганизмов РАН, г. Саратов,
3
Балаковский институт техники, технологии и управления, г. Балаково
В
продолжение
прочности
при
исследований
расслоении
сборных
по
увеличению
конструкций
из
адгезионной
эластичной
фторсодержащей резины и каркасного политетрафторэтилена нами
предпринята попытка модификации поверхности резины различными
физико-химическими методами.
Целью настоящего исследования является анализ спектральных
проявлений взаимодействия фторсодержащей резины и алюминия.
В качестве объектов исследования использовались фторсодержащая
резина 420-264В/5 на основе СКФ-264В/5 перекисной вулканизации и
алюминий.
Для фторсодержащей резины 420-264В/5 в качестве физикохимических методов модификации поверхности применялась обработка
резины ИК-лазером и нанесение тонкой пленки алюминия магнетронным и
термическим нанесением в вакууме.
Обычно
при
обработке
поверхности
ПТФЭ
раствором
Na-
нафталинового комплекса происходит дефторирование полимерной цепи и
образование двойных связей в макромолекуле ПТФЭ, что подтверждается
355
25-26 сентября 2013, Саратов
появлением в ИК-спектре полос поглощения (νs = 1592,0 см-1, νas = 1417,7
см-1), соответствующих валентным колебаниям связи С=С фрагмента
(F)С=С полимера [1…3].
ИК-спектры
многократного
НПВО
снимали
на
ИК-Фурье
спектрометре Nicolet 6700 (фирма «Thermo Scientific», USA).
При обработке поверхности фторсодержащей резины ИК-лазером и
магнетронным
нанесением
алюминия,
по-видимому,
кроме
дефторирования полимерной цепи и образования двойных связей в
макромолекуле каучука также происходит и дегидрофторирование, что
подтверждается появлением в ИК-спектре полос поглощения (νs =
1599…1590 см-1, νas = 1417…1409 см-1), соответствующих колебаниям
связи С=С фрагмента (F)С=С полимера, рис. 1. В случае прижигания
резины ИK-лазером наблюдается широкая полоса в области поглощения
SiO2, т.к. концентрация данного наполнителя на поверхности возрастает, и
он виден в спектрах многократного НПВО.
Рис. 1. ИК-спектры отражения исследованных образцов резины:
1 – исходная, 2 – обработанная ИК-лазером, 3 – с магнетронным нанесением алюминия
Более детальный ИК спектрометрический анализ поверхности резины
после термораспыла алюминия в области частот 1700…650 см-1
подтверждает дефторирование полимерной цепи фторполимера косвенным
образованием фторида алюминия AlF3, рис. 2.
356
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
2
1
Рис. 2. ИК спектры отражения исследованных образцов резины: 1 – исходная,
2 – после термораспыла алюминия
В образце резины после термораспыла алюминия возникают полосы
колебаний при 1180,9 и 880,8 см-1, увеличивается интенсивность полос
943,4, 925,7, 794,6 и 772,6 см-1, а также появляется плечо при 713,3 см-1. В
ИК спектрах AlF3, согласно литературным данным [4], имеются полосы
поглощения в интервале 655…750 см-1. Так, например, деконволюция
широкой полосы поглощения с максимумом при 670 см-1 даёт шесть чётко
разделённых полос с максимумами 539, 608, 666, 743, 860 и 977 см-1.
Таким образом, мы соотносим появившиеся в ИК спектре образца резины
после термораспыла алюминия полосы поглощения при 713,3 и 880,8 см-1,
а также, по-видимому, и при 1180,9 см-1 с колебаниями фторида алюминия,
а
соответствующие
смещения
полос
относительно
описанного
в
литературе аморфного образца фторида алюминия с влиянием полимерной
матрицы.
На рис. 3 и 4 представлены
дифрактограммы образца резины с
магнетронным и термонанесением алюминия.
357
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 3. Дифрактограмма образца резины с магнетронным нанесением алюминия, в
таблице цифрой «1» обозначена фаза AlF3, карточка № 44-231
Рис. 4. Дифрактограмма образца резины после термораспыла алюминия,
в таблице цифрой «1» обозначена фаза AlF 3 , карточка № 44-231,
цифрой «2» обозначена фаза Al, карточка № 85-1327
На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1)
при
обработке
фторсодержащей
резины
ИК-излучением
происходит дефторирование и дегидрофторирование полимерной цепи с
образованием двойных связей в макромолекуле каучука,
2)
при
магнетронном
и
термонанесении
алюминия
на
поверхность фторсодержащей резины происходит образование AlF3, что
подтверждается методами ИК-спектроскопии и рентгенофазового анализа.
358
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Литература
1. Шумилин А.И., Гринёв В.С., Конюшин А.В., Дюжев-Мальцев
В.Л., Пичхидзе С.Я. Повышение адгезионной прочности фторсодержащей
резины к политетрафторэтилену. Материалы II Всероссийской заочной
научной конференции для молодых ученых, студентов и школьников
«Актуальные вопросы биомедицинской инженерии», Саратов: СГТУ,
2012.-с.89-96.
2. Шумилин А.И., Гринёв В.С., Конюшин А.В., Дюжев-Мальцев
В.Л., Пичхидзе С.Я. К вопросу об увеличении адгезионной прочности
фторсодержащей резины и политетрафторэтилена. VI
Международная
конференция. Перспективные полимерные композиционные материалы.
Альтернативные
технологии.
Переработка.
Применение.
Экология.
Композит-2013, Саратов: СГТУ, 2013.-с.170-172.
3. Галил-Оглы Ф.А, Новиков А.С, Нудельман З.Н. Фторкаучуки и
резины на их основе. М.: Химия, 1966, с.91-105.
4. U. Gross, S. Rüdiger, E. Kemnitz, et al. Vibrational Analysis Study of
Aluminum Trifluoride Phases // J. Phys. Chem. A, 2007, 111 (26), pp. 5813–
5819.
ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ РЫНКА НАНОТЕХНОЛОГИЙ
ПОСРЕДСТВОМ ВЕНЧУРНОГО ИНВЕСТИРОВАНИЯ
В.Р. Медведева
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, г. Казань
Ставшее приоритетным направлением развития стран-лидеров,
развитие
нанотехнологий
(НТ)
359
является
импульсом
новой
25-26 сентября 2013, Саратов
технологической революции, которая будет определять развитие всех
основных и промежуточных уровней строения – от мегаэкономики до
наноэкономики. Поэтому НТ-индустрия – способ создания нового типа
массового стандартизированного производства в глобальном масштабе,
который характеризуется не только технологией принципиально иного
уровня, но и соответствующими ей экономическими и социальными
отношениями субъектов всех частей глобальной экономической системы.
[3] Применение НТ в различных отраслях экономики дает выраженные
синергические и кумулятивные эффекты, стимулируя процессы перехода
человечества на высший качественный уровень развития. Можно
утверждать, что НТ, являясь катализатором формирования инновационной
НТ-индустриализации мировых экономик, способны создавать мощные
интернальные и экстернальные импульсы и эффекты. Следовательно, НТиндустриализация станет мощным генератором экономического роста
отдельных отраслей в краткие сроки, масштабных структурных сдвигов в
национальных экономиках и изменения их конкурентных позиций в мире –
в
среднесрочном
периоде,
определит
развитие
всей
глобальной
экономической системы – в долгосрочной перспективе.
Следует отметить, что интенсивное развитие НТ, их быстрое
проникновение в производство и потребление и связанные с этим риски
различного характера обусловливают актуальность скорейшего решения
задачи формирования системы экономико-статистических измерений
масштабов, структуры и динамики данного технологического направления
и соответствующей ему сферы деятельности. Однако, несмотря на
упомянутые выше риски, НТ на данный момент времени, обрели широкое
признание в качестве одного из наиболее перспективных направлений НТР
[2]. В связи с этим, НТ стали объектом приоритетной поддержки во многих
государствах мира. По имеющимся оценкам, едва ли найдется другая
область науки, получившая в глобальном масштабе столь значительные
360
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
государственные инвестиции за короткий период времени [8]. Например, в
течение последних 11 лет правительства 60 стран мира инвестировали в
исследования в области НТ более 67 млрд долл. Среди стран – лидеров по
объемам вложений в развитие НТ – США, Германия, Китай, Япония, а с
2007 г. в эту группу вошла Россия за счет масштабной государственной
программы инвестиций в НТ. Однако следует отметить, что пока Россия
значительно отстает от мировых НТ-лидеров (в настоящий момент доля
России в общемировом технологическом секторе составляет около 0,3 %, а
на НТ-рынке– 0,04%, т.е. НТ-рынок находится на начальном этапе
становления.)
как
по
показателям
развития
НИОКР,
так
и
по
коммерциализации изобретений. Во многом здесь сказывается отсутствие
у российских ученых опыта по коммерциализации своих изобретений.
Также к негативно-влияющим на развитие НТ-рынка факторам можно
отнести: 1) длительность периода вывода продукции; 2) высокие
технологические риски для экономических субъектов при неочевидной
выгоде; 3) высокая стоимость разработки и внедрения НТ; 4) уникальность
необходимого оборудования; 5) междисциплинарность исследований и
многоаспектность прикладного применения создаваемых НТ.
В связи с этим следует отметить, что высокие технологические и
маркетинговые
риски
НТ
предопределяют
венчурный
характер
соответствующих инновационных проектов, который в том числе связан с
финансированием предприятий на ранних стадиях развития и поэтому
сопряжен с высокой степенью риска в ожидании высоких значений отдачи
на вложения в виде внутренней нормы доходности, которая для венчурных
инвесторов в инновационные проекты превышает 40 %. В последние годы
именно венчурный капитал был и остается важнейшим источником
финансирования новых компаний, связанных с высокими технологиями
(так называемых старт-апов). При этом венчурные инвесторы выступают в
качестве агентов, находящих финансовые ресурсы для разработок и
361
25-26 сентября 2013, Саратов
продвигающих новые товары на рынок, в обмен на оговоренное участие в
собственности и будущих доходах. Также они надеются на возможность
добиться успеха за несколько лет (обычно за период от четырех до семи
лет), обеспечив в дальнейшем прибыльность 30-50 % в год от исходных
вложений. Как показывает опыт, за указанный промежуток времени
инновационные фирмы либо добиваются заметного начального успеха,
либо разоряются, сливаются с другими и т.д. [4].
М. Бунчук в своей работе [1] отмечает, что ценность венчурного
капитала
заключается
технологических
в
следующем.
революций
было
Во-первых,
большинство
инициировано
фирмами,
финансируемыми венчурным капиталом. Во-вторых, венчурный капитал
поддерживает
наиболее
динамично
развивающиеся
отрасли,
обеспечивающие стране международную конкурентоспособность, также
он делает возможным развитие новых отраслей, таких как нанотехнологии,
биотехнологии, альтернативная энергетика и
т.д. В связи с этим мы
полагаем, что для венчурных инвесторов представляет интерес лишь
небольшая часть высокотехнологических стартовых компаний, что
особенно важно для НТ, поскольку коммерциализация нанонауки только
начинается.
Уже сейчас отчетливо прослеживаются огромные возможности
применения НТ. Кстати, многие инвесторы, инвестируя в НТ, исходят
исключительно из уникальных возможностей и свойств новых товаров,
материалов и процессов. Разумеется, о проблемах НТ не задумываются и
покупатели новых товаров и услуг, которых привлекают преимущества
новых товаров по стоимости, либо свойства (либо по обоим параметрам).
Применение НТ для производства новых товаров связано либо со
свойствами получаемых НТ материалов, либо с процессами их обработки
на нанометрическом уровне. Следует отметить, что наноматериалы в
некоторых случаях действительно обладают множеством уникальных
362
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
характеристик (включая оптические, электронные, магнитные, физические
и химические), что само по себе создает чрезвычайно интересные
возможности
для
существующими
их
использования
технологиями,
что
и
комбинирования
на
наш
взгляд,
с
уже
объясняет
значительный интерес со стороны потенциальных инвесторов [9].
При этом, учитывая существующие определения инноваций, НТ и
венчурных компаний, в работе для лучшего определения предмета
исследования
мы
предлагаем
следующее
определение
венчурного
инвестирования в области НТ. На наш взгляд, данный термин представляет
собой высокорисковые финансовые вливания частного капитала в
акционерный
капитал
предприятий,
занимающихся
разработкой
инновационных технологий, предполагающих создание нонообъектов и
наносистем, применяющихся во всех высокотехнологических отраслях
промышленности для производства продукции, не имеющей аналогов или
качественно отличной по техническим параметрам и приносящей
максимальную экономическую выгоду. Как показано на рис. 1 венчурное
инвестирование в России достигло значимого уровня для решения
серьезных задач социально-экономического развития страны. Пройдя
период
становления,
венчурная
компания»
начали
и
ГК
функционировать
«Роснанотех»,
ОАО
одни
«Российская
из
основных
государственных институтов, призванных привлечь частный капитал в
инновационные проекты в области НТ. Следует отметить, что если на
начальном этапе функционирования венчурного капитала в России
приоритеты отдавались относительно традиционным отраслям, то в
последние
годы
венчурные
фонды
все
больше
привлекают
высокотехнологичные компании, использующие НТ и биотехнологии.
363
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 1. Капитализация венчурных фондов в России
Для поддержки проектов в сфере НТ на стадиях от разработки
прототипа до расширения производства была создана ГК «Роснанотех»,
которая запланировала инвестиции в венчурные НТ-проекты в размере
300 млрд руб. вплоть до 2015 г. Основная задача на эти средства создать
индустрию с оборотом 900 млрд руб. В связи с этим следует отметить, что
по применяемым в технологиям ГК «Роснанотех» к реализации в 20102011 гг. было принято следующее количество производственных проектов:
наноматериалы – 28, нанофотоника – 13, наномедицина – 9, технологии и
специальное оборудование для опытного и промышленного производства
наноматериалов – 9, прочие напарвления – 2, наноэлектроника – 4 [6].
Как показывает анализ венчурной индустрии России, стадия ее
формирования уже пройдена. На данный момент существуют основные
составные части венчурной инфраструктуры. А именно: программы
поддержки НИОКР, ОКР и научных разработок; бизнес – инкубаторы;
сообщества
«бизнес-ангелов»;
региональные
фонды
по
поддержке
инновационных проектов; венчурные фонды, ГК «Роснанотех» и фонды,
образуемые с ее участием; площадка на бирже ММВБ «Рынок инвестиций
и инноваций», нацеленная на помощь инновационному бизнесу при
частном размещении акций на бирже и проч. [7]. При этом, одним из
прибыльных в мировой практике объектом подобного инвестирования в
364
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
области НТ являются медицинские проекты. В России же венчурные
инвесторы пока более успешны в других областях. Впрочем, несколько
интересных наномедицинских разработок, к примеру, связанных с целевой
доставкой лекарственных веществ в пораженные болезнью органы, в
стране уже имеются [5].
В целом мы считаем, что в нашей стране постепенно формируется
политический и предпринимательский климат, благоприятный для
венчурного инвестирования, особенно в высокотехнологических отраслях
экономики. Ряд шагов, предпринятых сообществом венчурной индустрии
и государственными структурами различных уровней, способствует
развитию НТ-индустрии, что, в свою очередь, может придать импульс
развитию российской экономики в данной сфере бизнеса. Отталкиваясь от
результатов работы, проводимой ОАО «РВК», ГК «Роснанотех» и другими
российскими
институтами
развития,
частные
фонды
все
чаще
рассматривают возможность выделения части средств на инвестиции в
инновационные
НТ-проекты.
Можно
утверждать,
что
венчурные
инвестиции в России развиваются успешно и в ближайшее время
произойдет колоссальный рывок с появлением большого числа успешных
и доходных инвестиций. В связи с вышеизложенным мы считаем, что
венчурное
инвестирование
НТ-предприятий
является
действенным
механизмом развития инновационной сферы в наноиндустрии.
Литература
1. Бунчук, М. Роль венчурного капитала в финансировании малого
инновационного бизнеса [Электронный ресурс] / М. Бунчук
//
Технологический бизнес. – №1. – Режим доступа: http://www.techbusiness.
ru/tb/archiv/number1/page02.htm, свободный.
2. Игами, М. Современное состояние сферы нанотехнологий: анализ
патентов / М. Игами, Т. Оказаки // Форсайт. – 2008. – № 3 (7). – С. 32-43.
365
25-26 сентября 2013, Саратов
3. Иншакова, Е.В. Уровневый анализ объекта, предмета и метода
экономической теории / Е.В. Иншакова // Известия Санкт-Петербургского
университета экономики и финансов. – 2008. – № 4 (40). – С. 5-18.
4. Камалов,
А.М.
Венчурное
финансирование
индустрии
нанотехнологий в РФ: состояние, проблемы, перспективы [Электронный
ресурс]
А.М.
/
Камалов.
–
Режим
доступа:
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2009/venchurnoe-finansirovanie-industriinanotekhnologii-v-rossiiskoi-federatsii-sostoyanie, свободный.
5. Медведева,
В.Р.
Повышение
инновационной
активности
нефтехимического комплекса как основа перспективного развития региона
(на примере РТ) / В.Р. Медведева // Вестник «Казанского технологического
университета». – 2010. – №8. – С. 167-179.
6. Медведева
В.Р.
Формирование
рынка
нанотехнологий
как
инновационное развитие российской экономики / В.Р. Медведева //
Вестника Казанского технологического университета. – 2011. – В. 14. – С.
264-271.
7. Презентация «Возможности участия кредитных организаций в
инновационных проектах ГК «Роснанотех»», ГК «Роснанотех», 2010
[Электронный
ресурс].
Режим
–
доступа:
http://
www.asros.ru/media/File/news/2010.04.12_Tischenko.ppt, свободный.
8. Фесюн
А.В.
Региональные
аспекты
стратегии
и
тактики
формирования наноиндустрии: монография / А.В. Фесюн. – Волгоград:
ВолГУ, 2009. – 154 с.
9. Фостер, Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности:
монография / Л. Форстер. – М.: Техносфера, 2008. – 352 с.
10.
Кохно, П.А. Современный этап освоения нанотехнологий. –
URL:: http://finanal.ru/002/sovremennyi-etap-osvoeniya-nanotekhnologii.
366
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
11.
Кохно, П.А. Об одной модели экономического развития России
в современных условиях / П.А. Кохно, В.В. Пименов // НТС "Вопросы
оборонной техники". – Вып. 1 (350). – 2009. – С. 17-21.
12.
Медведева В.Р. Формирование рынка нанотехнологий как
инновационное развитие российской экономики / В.Р. Медведева //
Вестника Казанского технологического университета. – 2011. – В. 14. – С.
264-271.
13.
Россия
заняла
12
место
нанотехнологий.
среди
стран
по
развитию
–
URL:
http://innovbusiness.ru/content/document_r_D41ECE4E-64B1-4401-883B34EE424EB363.html, свободный.
14.
Терехов, А.И. Тенденции развития областей нанонауки и
нанотехнологий с использованием исследовательских проектов / А.И.
Терехов // Наука. Инновации. Образование. – 2007. – Вып. № 2. – С. 7-11.
15.
Третьяков, Ю.Д. Нанотехнологии. Азбука для всех. Введение.
– URL: http://www.nanometr.ru/2007/03/20/nanomateriali.html.
16.
Хульман, А. Экономическое развитие нанотехнологий: обзор
индикаторов / А. Хульман // Форсайт. – 2009. – № 1(9). – С. 41-45.
17.
Berger, M. Growing nanotechnology problems: navigating the
patent labyrinth. – URL: www.nanowerk.com/spotlight/spotid=1367.php.
18.
Hullman, A. The economic development of nanotechnology – an
indicators based analysis / A. Hullman. – European Commission. – DG
Research.
–
2006
(28
Nov.).
–
URL:
http://www.cordis.europa.eu/nanotechnology, свободный.
19.
carbon
Young, J.L. Patent analysis for preparation and application of
nanotubes.
–
www.kosef.re.kr/community/suica/upload/300/927/4.pdf.
367
URL:
25-26 сентября 2013, Саратов
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ УЛЬТРАЗВУКА И ИХ ПРОБЛЕМЫ
И.В.Колосов
Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор М.Ф. Умаров
Вологодский государственный технический университет, г. Вологда
Объем ультразвуковых (УЗ) исследований, проводимых во всем
мире, чрезвычайно велик - ультразвук сегодня наиболее популярный метод
получения информации о состоянии внутренних органов человека,
поэтому целью моей работы является проблема неоднозначности вопроса о
безопасности излучения, возникающего при УЗ исследовании.
Но вопрос о безопасности УЗ исследований с точки зрения
биологических эффектов, возникающих при УЗ излучении, к сожалению,
не имеет однозначного точного ответа, так как в настоящее времени
отсутствуют статистически достоверные данные, которые подтверждали
бы опасность УЗ исследований для пациента и для врача-диагноста,
постоянно работающего с прибором.
Не прекращаются исследования воздействия ультразвука на биологические ткани, в том числе на клетки крови, репродуктивную способность,
ДНК, костные структуры, эмбрионы и т.д. И эти исследования
показывают, что при уровнях средней интенсивности ультразвука, не
превышающих
величину
100
мВт/см2,
не
выявлено
никакого
существенного влияния длительного воздействия ультразвука на ткани
млекопитающих. Более того, не выявлены отрицательные результаты
такого воздействия и при более высоких уровнях интенсивности, при
условии меньшей экспозиции.
Здесь следует дать общее понятие об интенсивности ультразвука.
Интенсивностью называется удельная мощность УЗ волн, т.е. мощность
368
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
волн, проходящих через единицу площади. Для случая непрерывного
излучения можно определить среднюю в пространстве интенсивность:
I=P/S [Вт/см2], где Р - мощность источника излучения, a S - вся площадь,
через которую излучение проходит. Данное определение интенсивности
используется для простого случая непрерывного излучения.
В диагностических системах используется импульсное излучение
меняющее направление в процессе сканирования, поэтому приходится
вводить дополнительные
понятия, определяющие интенсивность в
различных интересующих исследователя случаях. Так,
сотрудники
Йельской медицинской школы в Нью-Хейвене (Коннектикут, США) под
руководством профессора нейробиологии и неврологии Паско Ракича
(Pasko Rakic) доказали, что ультразвуковые волны могут оказывать
негативное воздействие на нерожденного ребенка – а именно, на его
нервные клетки. Эксперименты ученых показали, что степень вредного
воздействия на ребенка зависит от продолжительности исследования и
интенсивности звуковой волны. Следовательно, можно полагать, что
матери рискуют здоровьем детей, заказывая трехмерные фотографии с
УЗИ (3D-ультразвук) или эмбриональное видео (так называемое 4D). Пока
профессор Ракич и другие ученые, занимающиеся аналогичными
исследованиями, не доказали безопасность съемок таких фотографий и
эмбрионального видео.
Возвращаясь к вопросу о биологических эффектах ультразвука,
можно сказать, что не получено доказательств безопасности ультразвука
при уровнях интенсивности, используемых в диагностике. Да это и
невозможно в принципе. Любые воздействия в зависимости от условий и
уровня интенсивности могут приводить к тем или иным последствиям.
Например, младенцы мужского пола, прошедшие два или более УЗИ, были
на
32%
более
свидетельствует
склонны
о
к
леворукости
повреждении
369
мозга);
(что
Дети
предположительно
мужского
пола,
25-26 сентября 2013, Саратов
подвергавшиеся воздействию ультразвука, были наиболее склонны к
проявлению признаков повреждения мозга.
Известно, что уровни интенсивности УЗ излучения используемого в
физиотерапии не так уж сильно отличаются от уровней интенсивности
диагностического ультразвука. Тем не менее, при физиотерапевтическом
применении ультразвука достигается определенный полезный эффект,
хотя характер излучения здесь используется другой, в частности нет
сканирования.
Методы
экстракорпоральной
литотрипсии
ударноволнового
-
фокусированного воздействия на камни в почках и желчном пузыре также имеют ультразвуковую природу. Помимо полезного результата разрушения твердых конкрементов - эти воздействия приводят к
нежелательным последствиям в виде внутренних гематом в мягких тканях,
прилегающих к конкрементам и находящихся в зоне фокуса ударного
излучения. Правда, в этом случае уровни интенсивности излучения
существенно больше, чем те, которые используются в диагностике.
Приведенные примеры свидетельствуют о том, что УЗ излучение при
повышенных уровнях интенсивности и определенных временных и
пространственных
характеристиках
дает
весьма
заметный
эффект,
используемый в медицинской практике.
Наиболее
изученными
физическими
эффектами
ультразвука,
которые могут вызывать нежелательные последствия, являются ударные
волны, кавитация и локальный нагрев тканей. Ударные акустические
волны, как уже говорилось, специально формируются для терапевтических
целей в литотрипсии. При использовании УЗ диагностических систем
также могут возникать ударные волны, что является следствием
нелинейных
эффектов,
вызывающих
искажения
гармонических
синусоидальных волн в процессе их прохождения через биологические
ткани. При тех уровнях интенсивности ультразвука, которые характерны
370
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
для диагностических систем, ударные волны из-за нелинейных эффектов
если и возникают, то имеют уровень достаточно низкий и практически не
вызывают никаких последствий.
Кавитация - процесс, связанный с образованием и ростом газовых
пузырьков в жидкости и возникающий, в частности, под действием УЗ
волн. В биологических тканях всегда существуют микропузырьки газа и
газ, растворенный в жидких средах, входящих в состав мягких тканей. УЗ
волны, которые представляют собой чередование сжатия и разрежения в
среде, провоцируют рост этих пузырьков. Прежде всего рост объема
пузырька связан с полуволной разрежения (пониженного давления), при
которой растворенный газ за счет диффузии переходит в полость пузырька
из окружающей жидкой среды. Процесс роста пузырьков называется
стабильной кавитацией.
При
достижении
воздействием
полуволны
пузырьком
сжатия
определенных
может
размеров
произойти
коллапс
под
-
«схлопывание» пузырька, что сопровождается появлением ударных волн и
повышением температуры. Описанная коллапсирующая кавитация может
явиться причиной разрушения клеток вследствие повреждения мембран.
Однако при уровнях интенсивности ультразвука, используемых в
диагностике, коллапсирующая кавитация маловероятна. Оснований для
нее тем меньше, чем меньше длительность во времени используемых
импульсов. В этом смысле режимы допплеровского анализа скоростей
кровотока (энергетический допплер, цветовое допплеровское картирование
и пр.) имеют недостаток по сравнению с режимом получения двухмерного
изображения (режимом В, или 2D), так как используемые в допплеровских
режимах сигналы гораздо более продолжительны, чем в режиме В.
Наиболее продолжительные сигналы используются в режиме непрерывноволнового допплера.
371
25-26 сентября 2013, Саратов
Нагрев биологических тканей при воздействии УЗ волн обусловлен
вязкостью мягких тканей и поглощением вследствие этого существенной
части
мощности
УЗ
колебаний.
Указанное
свойство
ультразвука
применяется для терапевтического воздействия на опухоли. При этом
может использоваться сфокусированное УЗ излучение достаточно высокой
мощности. Уровни мощности излучения, используемые в диагностике,
существенно ниже. Однако и при этом может иметь место локальный
нагрев тканей, потенциальная опасность которого для пациента пока
является предметом специальных исследований.
Все, что говорилось выше об отсутствии серьезных оснований для
утверждений об опасности диагностического ультразвука для пациентов и
врачей, имеет смысл только при условии, что определены обоснованные
физические показатели, которым должны удовлетворять характеристики
УЗ диагностических приборов.
Как же определить границу допустимого для диагностики уровня излучения ультразвука? В отличие от ионизирующего излучения, например
рентгеновского, для ультразвука пока невозможно выделить интегральный
показатель биологического эффекта типа дозы, поглощаемой биологическим объектом. Уже упоминавшаяся интенсивность излучения не всегда
однозначно связана с биологическими эффектами. В ряде случаев более
правильным было бы оценивать уровень давления ультразвука в биологических тканях. Очень важен характер изменения излучения во времени и,
конечно, время экспозиции.
И
в
заключение,
возможно,
наиболее
ироничной
и
аргументированной будет цитата одного из представителей медицинской
элиты Йеля (доктора Кеннета Тэйлора, доктора медицины, профессора
диагностической радиологии и главы отделения ультразвука медицинского
факультета Йельского университета), который говорит: «Я бы не
подпустил никого с УЗ датчиком к голове моего ребенка…».
372
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Литература
1. AIUM/N EMA: Standard for real-time display of thermal and
mechanical acoustic output indices on diagnostic ultrasound equipment .
2. IEC 601 -2-37: Medical electrical equipment Part 2: Particular
requirements for the safety of ultrasonic medical diagnostic and monitoring
equipment.
3. Kremkau F.W. Doppler ultrasound: principles and instruments. 2nd ed.
Philadelphia; L.: W.B. Saunders Co., 1995. I3. 373.
МИКРОФЛЮИДНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ
ЭЛЕКТРОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МИКРОКАПСУЛ
А.В. Ермаков
Научные руководители: к.ф.-м.н. Е.Г. Глуховской,
д.ф.-м.н. Г.Б. Хомутов
Саратовский государственный университет
имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов
Московский государственный университет
имени М.В. Ломоносова, г.Москва
В
настоящее
время
важную
роль
играет
создание
новых
искусственных объектов нано- и микромира [1, 2]. Особую актуальность
приобретает
реализация
возможности
дистанционного
управления
параметрами оболочек микрокапсул, в том числе их целостности и
проницаемости, с целью контролируемого высвобождения содержимого.
Для осуществления дистанционного управления проницаемостью и
целостностью
таких
микроструктур
в
их
структуру
вводят
сенсибилизаторы – нанообъекты, обладающие высокой чувствительностью
373
25-26 сентября 2013, Саратов
к
различным
видам
дистанционному
воздействия. Так,
управлению
опубликованы
параметрами
микрокапсул
работы
по
лазерным
излучением оптического диапазона, посредством модификации оболочки
плазмонно-резонансными
наночастицами
[3,
4].
Другим
примером
дистанционного воздействия является ультразвук: опубликованы работы
[5]
по
сенсибилизации
микровезикул
к
ультразвуку
благодаря
использованию в качестве сенсибилизаторов наночастиц магнетита и
оксида цинка. В работе [6] исследовано использование переменного
магнитного поля в качестве способа контроля параметров (проницаемости
и распределения) оболочек микровезикул, содержащих наночастицы
магнетита, а так же электромагнитного излучения
микроволнового
диапазона
определенными
[7].
Однако
каждый
метод
обладает
недостатками и ограничениями, в связи с чем является актуальной задача
поиска новых альтернативных методов дистанционного воздействия на
параметры оболочек микрокапсул. Нахождение способов сенсибилизации
микрокапсул к новым видам дистанционного воздействия значительно
расширяет перспективы применения нано- и микрокапсул. В связи с этим
нами исследуются способы сенсибилизации микровезикул различной
природы
к
электрическому
полю,
а
так
же
разрабатана
новая
микрофлюидная система с возможностью дистанционного управления
параметрами таких везикул посредством внешнего электрического поля.
Экспериментальная часть
Система воздействия электрическими полями на исследуемые
микроструктуры, такие как микрокапсулы, модифицированные липосомы,
биологические клетки и другие микровезикулы реализована нами в виде
микрофлюидной конструкции – плоского мирокапилляра с внутренними
электродами (рис. 1). Электроды между собой изолированы, что позволяет,
подавая на них разность потенциалов, создавать электрическое поле и
воздействовать этим полем на содержащийся в капилляре раствор.
374
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Контакт
Квазидвумерный слой
микровезикул
Контакт
Подложка
Проводящие слои
(электроды)
Подложка
Спейсер
Рис. 1. Схематическое изображение разработанной микрофлюидной конструкции –
плоский мирокапилляр, содержащий квазидвумерный слой микровезикул
Величина просвета капилляров, использованных в данной работе
составляла
20±1 мкм.
Разработанная
микрофлюидная
конструкция
позволяет оказывать воздействия на квазидвумерные слои растворов
микровезикул электрическими полями высоких напряженностей при
низких затратах энергии и объемов исследуемого вещества.
Для
сенсибилизации
к
электрическому
полю
исследуемых
микроструктур – замкнутых сферических везикул на основе фосфолипидов
и
полимеров,
в
структуру
их
оболочки
предложено
встраивать
неорганические наночастицы (магнетита и золота).
Механизм
нарушения
целостности
модифицированных
таким
образом микроструктур обусловлен поляризацией в электрическом поле
наночастиц,
иммобилизированных
в
оболочке
структуры,
и
возникновением диполь-дипольного отталкивания между ними.
Для изучения изменения проницаемости и целостности оболочки
микрокапсул,
содержащих
исследованы
нанокомпозитные
неорганические
наночастицы,
полиэлектролитные
были
микрокапсулы
с
характерным размером 10 мкм, синтезированные методом полиионной
сборки [8] со следующей структурой:
(PAH/PSS)2(PAH/Fe3O4)3PAH/PSS(PAH/PSS)2.
Капилляр заполнялся раствором, содержащим микрокапсулы, на
электроды с помощью зондов подавалось напряжение как показано на рис.
375
25-26 сентября 2013, Саратов
1. На внутренние электроды микрокапилляров посредством зондов
подавалось напряжение от 0 до 5 В, при этом встроенные в оболочку
наночастицы магнетита поляризовались (рис. 2). Для формирования
напряжения использовался стенд для измерения электрофизических
параметров структур на базе характериографа Agilent 1500 и зондовой
станции PM5.
а)
б)
Рис. 2. а) схематичное изображение расположения наночастиц магнетита
в оболочке капсулы; б) воздействие постоянного электрического поля на капсулы,
содержащие в оболочке наночастицы магнетита
Разрушение микрокапсул наблюдалось с помощью конфокальной
микроскопии. После приложения напряжения 1 В (рис. 3 б) наблюдалось
разрушение около 30 % общего числа капсул, оставшиеся капсулы имели
деформации и нарушение целостности. При приложении напряжения 5 В
наблюдалось разрушение около 90 % общего числа капсул.
376
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
б
a
10 мкм
10 мкм
Рисунок 3 – Микроизображения капилляра, заполненного микрокапсулами до
приложения напряжения (а) и после приложения 1 В (б)
Аналогичные
воздействия
процессы
разрушения
электрическим
полем
на
наблюдались
фосфолипидные
в
случае
мембраны
клеточных структур. Исследовались клетки – фибробласты кожи человека,
размер которых составлял 3-4 мкм. При воздействии электрического поля
на клетки с модифицированными наночастицами золота оболочками
наблюдалось
необходимого
значительное,
для
до
7-8
разрушения
раз,
уменьшение
клеток,
по
напряжения,
сравнению
с
немодифицированными.
Практическая значимость
Полученные результаты могут найти применение в биомедецинских
приложениях. Примером такого применения может служить помещение в
организм разработанной микрофлюидной конструкции (в различных
вариантах исполнения) посредством стентирования [9], что позволит
производить
высвобождение
инкапсулированного
вещества
в
определенных участках организма. При прохождении микровезикул,
содержащих биоактивное вещество, по сосуду стентированному системой
электродов (рис. 4) – будет осуществляться высвобождение вещества в
момент приложения напряжения к электродам.
377
25-26 сентября 2013, Саратов
Центральный
электрод (анод)
Электроды
(катод)
Электроды
(анод)
Стенки
сосудов
Рис. 5. Варианты конфигурации электродов микрофлюидной конструкции
при стентировании в сосуд
Разрушение капсул вызывает изменение таких свойств среды, в
которой они содержаться, как удельная проводимость, диэлектрическая
проницаемость, емкость, оптическая плотность и др. Добавление в
проточную систему двух дополнительных пар электродов (рис. 5)
позволяет измерять такие параметры среды до и после вскрытия капсул и
оценивать эффективность процесса высвобождения вещества.
высвобожденное
вещество
процесс
высвобождения
вещества
микрокапсулы
электроды
1
2
Стенки сосуда
I. Первая пара электродов – II. Вторая пара электродов – III. Третья пара электродов –
разрушение оболочки капсул
тестирующий сигнал
тестирующий сигнал
Рис.5. Проточная система из трех пар электродов
Заключение
Таким образом, исследована возможность управления целостностью
полимерных
и
липидных
микровезикул,
содержащих
в
оболочке
неорганические частицы посредством приложения электрического поля.
378
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Механизм нарушения целостности модифицированных оболочек
микровезикул
основан
на
диполь-дипольном
взаимодействии
поляризующихся в электрическом поле неорганических наночастиц.
Дальнейшее снижение напряженности электрического поля необходимого
для электростимулируемого разрушения микровезикул может быть
осуществлено путем повышения плотности адсорбированных слоев
наночастиц, так как индуцируемое диполь-дипольное взаимодействие
обратно пропорционально расстоянию между частицами и прямо
пропорционально их размеру. Можно предположить, что одним из
способов повышения чувствительности гибридных везикул к воздействию
электрического поля будет увеличение числа слоёв наночастиц в оболочке.
Создана
микрофлюидная
система
на
основе
микрокапсул
с
возможностью дистанционного группового управления целостностью их
оболочки посредством приложения внешнего электрического поля.
Система
включает
в
себя
оригинальную
конструкцию
и
электрочувствительные нанокомпозитные микровезикулы.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 11-0800529-а.
Литература
1.
Möhwald H. From Langmuir monolayers to nanocapsules / H.
Möhwald // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering
Aspects. – 2000. – Vol.171. – P.25-31
2. Donath E. Novel hollow polymer shells by colloid-templated assembly
of polyelectrolytes / E. Donath, G.B. Sukhorukov, F. Caruso, S.A. Davis,
H. Möhwald // Angew. Chem. Int. Ed. – 1998. – V. 37. – №16. – P. 2201
3. Gorin D.A. Magnetic/gold nanoparticle functionalized biocompatible
microcapsules with sensitivity to laser irradiation / D.A. Gorin, S.A. Portnov,
O.A. Inozemtseva, Z. Luklinska, A.M. Yashchenok, A.M. Pavlov, A.G.
379
25-26 сентября 2013, Саратов
Skirtach, H. Möhwald, G.B. Sukhorukov // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2008. –
Vol.10. – P.6899–6905
4. Skirtach A.G. Remote activation of capsules containing Ag
nanoparticles and IR dye by laser light / A.G. Skirtach, A.A. Antipov, D.G.
Shchukin // Langmuir. – 2004. – Vol.20. – P.6988
5. Shchukin D.G. Ultrasonically induced opening of polyelectrolyte
microcontainers / D.G. Shchukin, D.A. Gorin, H Möhwald // Langmuir. – 2006.
– Vol. 22. – P. 7400-7404
6. Lu Z.
Magnetic switch of permeability for polyelectrolyte
microcapsules embedded with Co@Au nanoparticles / Z. Lu, M. D. Prouty, Z.
Guo // Langmuir. – 2005. – Vol.21. – P.2042–2050
7. Горин Д.А. Влияние микроволнового излучения на полимерные
микрокапсулы с неорганическими наночастицами / Д.А. Горин, Д.Г.
Щукин, А.И. Михайлов, К. Кёлер, С.А. Сергеев, С.А. Портнов, И.В.
Таранов, В.В. Кислов, Г.Б. Сухоруков // ПЖТФ. – 2006. – Т.32. – №2. –
С.45–50
8. Sukhorukov G.B. Stepwise polyalectrolyte assembly on particles
surface: a novel approach to colloid design / G.B. Sukhorukov, E. Donath, S.
Davis, H. Lichtenfeld, F. Caruso, V.I. Popov, H. Mohwald // Polym. Adv.
Technol. – 1998. – V. 9(10-11). – P. 759
9. А.П. Интервенционная кардиология. Коронарная ангиография и
стентирование / А.П. Савченко, О.В. Черкавская, Б.А. Руденко, П.А.
Болотов // М.: ГЭОТАР-Медиа. – 2010. – 448 с.
380
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕМЕНТ ДЛЯ ФИКСАЦИИ
ВРЕМЕННЫХ ПРОТЕЗОВ ПОСЛЕ ПРЕПАРОВКИ ИНТАКТНЫХ
ЗУБОВ ПОД МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОРОНКИ
Е.М. Звигинцева, С.И. Старосветский, М.В. Чайкина, Н.В. Булина,
В.И. Верещагин, А.М. Звигинцев, М.А. Звигинцев
Красноярский научный центр по стоматологической реабилитации
больных сахарным диабетом, г. Красноярск
С целью эстетического протезирования в стоматологии нашли
широкое применение металлокерамические и цельнокерамические зубные
коронки и протезы. Во время препаровки зубов под коронки приходится
снимать достаточно большой объём твёрдых тканей зуба. При этом
раскрываются межпризменные пространства в эмале, а иногда даже и
открываются
дентинные
канальцы
зубов.
Последнее
приводит
к
повышению оттока ликвора из пульпы зуба, что приводит к дисбалансу
тканевого давления, возможности попадения микрофлоры и в конечном
счёте к острому либо хроническому пульпиту. Для избежания таких
осложнений применяются провизорные коронки, которые фиксируются на
временный цемент. Основными требованиями к временным цементам
являются достатоно высокая прочность фиксации и лёгкого снятия
провизорного
протеза,
противомикробное
и
противовоспалительное
действие, а также стимуляция регенирации твёрдых тканей зубов [1].
Наиболее широкое распространение в качестве материала, который
стимулирует восстановление собственной твёрдой ткани зуба – вторичного
дентиа, получили препараты на основе гидроксида кальция [2]. Основным
недостатком данного материала является образование высокощелочной
381
25-26 сентября 2013, Саратов
реакции при его затворении, что вызывает химический ожёг пульпы зуба,
что приводит к сильной боли и возможности образования некроза пульпы.
В настоящее время стали широко внедряться в клиническую
практику цементы на основе силикатов кальция, а также используются
порландцементы
калиция
[3]. В основе порландцементов лежит трисиликат
При
(Ca3SiO5).
его
затворении
дистиллированной
водой
выделяется свободный гидроксид кальция, который аналогично первому
может
вызвать
осложнения.
Также
на
современный
рынок
стоматологических материалов для временной фиксации протезов и
биологического лечения глубокого кариеса и травм пульпы вышел новый
биоактивный цемент «Биодентин» с раствором хлорида кальция в качестве
затворяющего компонента, который также основан на трисиликате кальция
и вызывает высокие регенеративные способности пульпы зуба
[4,5].
Короткое время схватывания и высокая механическая прочность сделали
Biodentine™ простым в применении и расширило показания к его более
широкому внедрению в стоматологическую практику.
Для регенерации костной ткани щироко используются материалы на
основе гидроксиапатита [6], в то же время для регенерации дентина зуба
он не нашёл применения.
Целью
нашей
«объединяющего»
работы
явилось
положительные
создание
качества
нового
препаратов
материала
на
основе
гидроксилапатита и силикатов кальция для использования в качестве
лечебных цементов для фиксации провизорных протезов. Для этого нами
использовались
смеси
силикатов
кальция
и
гидроксилапатита
с
последующим их затворением раствором хлорида кальция.
Гидроксилапатит
синтезирован
механохимическим
методом.
Процесс механохимического синтеза образцов проводился в планетарной
мельнице АГО-2 в охлаждаемых водой стальных барабанах объемом 150
мл со стальными шарами массой 200 г, при частоте вращения барабанов
382
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
1200 об./мин. в течение 30 мин. Соотношение навески реакционной смеси
и массы шаров составляло 1:10.
Исходными компонентами для синтеза
гидроксилапатита были - СаНРО4, и CaO взятые в соотношении (Са/Р)ат. =
1.67.
Во избежание «натира» металла проводили предварительную
«футеровку» рабочей зоны мельницы реакционной смесью компонентов
синтезируемого образца, в результате которой поверхность шаров и стенок
барабана покрывались этой смесью, которая через 1 мин. активации
выбрасывалась, и затем проводился синтез ГАП. Содержание железа в
механохимически синтезированных образцах ГАП по данным анализов не
превышало 0.03–0.05 масс. %.
Синтез силиката кальция проводился из 48% CaO и 52% SiO2.
Приготовлееные порошки смешивались и уплотнялись в корундовом тигле
и помещались в высокотемпературную печь Nabertherm (Германия).
Порошки нагревались до температуры 900°С, выдерживались в течении 1
часа и обжигались при 1450°С. Через 3 часа выдержки в процессе
высокотемпературного синтеза появлялся волластонит в виде стекломассы.
Тигель с расплавом
вынемали из печи и охлаждали до комнатной
температуры. Извлечённую стекломассу помещали в печь и выдерживали
в течении 1 часа до кристализации волластонита и охлаждали до
комнатной температуры. Полученный синтезированный волластонит
дробили в корундовой ступке и измельчали в планетарной мельнице
“Pulverisetta 7” до 60-100 мкм.
Исходные продукты гидроксилапатит и силикат кальция и их смеси
до и после затворения изучались методом инфракрасной спектроскопии на
спектрометре Инфралюм-801 и методом рентгеновской дифракции на
порошковом дифрактометре D8 Advance. Запись рентгенограмм проводили
в геометрии Брэгга-Брентано с Сu-Kα излучением, никелевым Kβфильтром и сверхбыстрым позиционно-чувствительным одномерным
детектором Lynx-Eye (угол захвата – 3о). Для ИК-спектроскопии
383
25-26 сентября 2013, Саратов
прессовались
таблетки
образцов
с
KBr.
Удельная
поверхность
гидроксилапатита определялась методом десорбции аргона.
Большая удельная поверхность механохимически синтезированного
гидроксилкарбонатапатита 34.1 м2/г с наноразмерными частицами 30-50
нм,
значительно
улучшает
не
только
физико-химические,
и
эксплуатационные характеристики материала, но и позволяет решить ряд
проблем связанных с биосовместимостью и биоинертностью материала.
Материалу придаются свойства, обеспечивающие пролонгированное
реминерализурующее воздействие на ткани зуба, обеспечиваются высокие
адгезионные
характеристики
к
органическим
и
неорганическим
составляющим дентина зуба. Синтезированный керамическим методом
волластонит содержал небольшие примеси кварца, что выявлено по
характерному
наиболее
интенсивному
рефлексу
кварца
на
рентгенограмме. Характер образцов цементных смесей представлен в
таблице 1.
Таблица 1
Соотношение компонентов гидроксилкарбонатапатита (ГА)
и волластонита (ВОЛ) в образцах цемента
Образцы с соотношением гидроксилкарбонатапатита к волластониту
равным 4:1 встряхивались разное время, при этом фиксировалось рабочее
время контакта компонентов и момент затвердевания цемента после
затворения
10% раствором хлористого кальция. В некоторых образцах
определялась прочность на сжатие, результаты приведены в таблице 2.
384
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таблица 2
Прочность образцов на сжатие
№образца
Время
Сила
встряхивания
Прочность
Прочность
кГ
2
кГ/см
МПа
мин
2675-К
0.5
2650
10600
1060
2676-К
1.0
6100
24400
2440
2677-К
2.0
2100
8400
840
, в кгс/мм2 (1 кгс/мм2 = 100 кгс/см2 = 10 МН/м2 = 10 МПа)
Как видно из таблицы 2 наиболее прочным оказался образец со
временем встряхивания смеси
одну минуту. На рис. 1 представлены
рентгенограммы образцов смесей гидроксилкарбонатапатита (ГКАП).
6300
Интенсивность, относит. ед.
5600
4900
4200
v - V o l la s t o n i t
3500
2800
В о л л а с т-З В
2100
2 6 6 9 -Г А П
1400
v
v
v
v
700
2 6 8 0 K -2 м и н
0
2 6 7 9 К -1 м и н
-7 0 0
2 6 7 8 К -3 0
-1 4 0 0
0
20
40
2 θ,
60
80
гр а д у с
Рис.1. Рентгенограммы смесей (см табл.1) и исходных ГКАП и ВОЛ
На
рис.
2
гидроксилкарбонатапатита
представлены
ИК
спектры
смесей
и волластонита после встряхивания с
раствором хлористого кальция от 30 до 120 секунд. Как видно из спектров
полосы поглощения фосфатного тетраэдра гидроксилкарбонатапатита в
области волновых чисел 900-1100 см-1 перекрывают полосы поглощения
волластонита и присутствие его в спектре идентифицируется только по
385
25-26 сентября 2013, Саратов
полосе поглощения при 722 см-1 (рис. 3). Спектры смесей после
встряхивания разное время практически не отличаются. Только на спектре
образца при встряхивании 30 секунд остается слабая полоса поглощения
колебания
связей
ОН-группы
исходного
гидроксилкарбонатапатита,
которая в образцах при больших временах встряхивания исчезает.
Известно, что при смешивании порошка смеси с затворяющей жидкостью
происходит их гидратация с частичным образованием аморфной фазы,
которая способствует связыванию частиц с образованием
твердеющей
смеси. При этом фазовые изменения происходят в течение достаточно
длительного времени. Приведенные выше данные были получены в
течение суток. Возможно при более длительной выдержке смесей были бы
обнаружены и фазовые изменения.
Поглощение, относит. ед.
120
C -O -C
722
2 6 7 5 К -3 0
1420
87 3
O -S i-O
90
3570
О -Н
в структуре а па тита
C -O
962
O -P -O
1472
602
571
2 6 7 6 К -6 0
60
2 6 7 7 К -1 2 0
105 0
O -P -O
30
500
1000
1500
2000
2500
3000
В о л но во е числ о, см
3500
4000
4500
-1
Рис.3. ИК-спектры смесей (см табл.1) ГКАП и ВОЛ после
различного времени встряхивания
Результаты
проведенного
исследования
смесей
цементов
с
использованием гидроксилапатита и волластонита показали возможность
получения достаточно прочных цементов, которые могут использоваться в
клинической стоматологии для фиксации провизорных зубных протезов в
клинике ортопедической стоматологии.
386
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Литература
1. Strassler HE. Minimally invasive porcelain veneers: indications for a
conservative esthetic dentistry treatment modality. Gen Dent. 2007; 55(7): 686696
2. Терехова Т.Н., Белик Л.П., Козловская Л.В. Лечение патологии
пульпы у детей // Современная стоматология. 2011 - №1. – С. 13-21.
3. Манак Т.Н., Чернышова Т.В., Сушкевич А.В. и др. Разработка
стоматологического порландцемента// В помощь практическому врачу. –
2013. №3. С.141-144.
4. Рубаликова Л. Клинический опыт применения биоактивного
цемента Биодентин.// Дент.Арт. 3013. №1.- С 57-62.
5.
Звигинцева
Е.М.,Старосветский
С.И.,
Современныйвзгляд на лечение глубокого кариеса
Звигинцев
А.М.
Биосовместимые
материалы и новые технологии в стоматологии / Под ред. Проф. В.Э.
Гюнтера. – Томск: Изд-во «НПП МИЦ» 2012. С.10-15.
6. Островский
А. С. Остеогенные материалы в современной
пародонтологии и имплантологии / А. С. Островский // Dent-Inform. —
2001. №8. - С. 22-30.
387
25-26 сентября 2013, Саратов
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СПЕЦИАЛЬНЫХ
АЛЮМООКСИДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ДЛЯ КАТАЛИЗАТОРОВ
И СОРБЕНТОВ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ NOX И ИХ СВОЙСТВА
Е.А. Спецов
Научный руководитель: д.х.н., профессор Е.А. Власов
Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет), г. Санкт-Петербург
Актуальность проблемы загрязнения окружающей среды существует
во всех промышленно-развитых странах. Среди имеющихся основными
загрязнителями воздушного пространства являются монооксид углерода,
оксиды серы (SOx) и азота (NOx). Последние возможно их нейтрализовать
нетрадиционными
требующими
сорбционно-каталитическими
присутствия
дополнительного
способами,
не
реагентов
или
восстанавливающих
оборудования.
Данные
методы
сводятся
к
каталитическому разложению оксидов азота до безвредных продуктов (N2
и O2) или их химической адсорбции.
Однако использование предложенных способов нейтрализации
газообразных NOx, как правило, подразумевает работу функциональных
материалов в агрессивных условиях среды, в первую очередь, со стороны
температуры, что вызывает определенные трудности при обеспечении
одновременно высокой эффективности и длительной стабильности их
работы.
Решение поставленной проблемы требует новых эффективных и
доступных по цене материалов в качестве сорбентов и катализаторов с
широким диапазоном химического состава и структурных свойств. Данное
направление исследований является целью проводившейся работы.
388
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Выполнение поставленных условий возможно за счет использования
хемосорбционно и каталитически активных веществ, нанесенных на
устойчивую к внешнему воздействию керамическую подложку.
Основным
фильтров,
компонентом
мембран,
носителей, сорбентов,
полученных
по
катализаторов,
предлагаемой
технологии,
разработанной совместно с ЗАО «Редкинский катализаторный завод»,
является
оксид
алюминия,
превосходящий
другие
оксиды
по
многообразию фазовых состояний, структурных и кислотно-основных
свойств поверхности.
При наличии существующего технического комплекса предлагаемая
технология позволяет получать широкий ряд базовых материалов в
качестве носителей сорбентов и катализаторов, а именно моно-, би- и
полифазовых составов для процессов различного температурного режима,
а также композиционные носители и катализаторы с сокомпонентами в
виде различных высокотемпературных оксидов, карбидов или нитридов
металлов для работы в условиях газовых потоков с высокой кислотнопаровой агрессивностью при температурах от 500 до 11000С.
Преимущество
Al2O3
среди
других
материалов
объясняется
уникальной способностью моногидрата оксида алюминия к пептизации,
что позволяет связывать различные плохо формуемые порошковые
наполнители и придавать им определенную геометрическую форму.
Основные
стадии
производства
сорбентов,
носителей
и
катализаторов следующие:
1 Выбор соответствующих материалов для составления исходной
шихты в виде растворов металлов или дисперсных порошков с размером
зерна менее 50 мкм;
2 Пластификация шихты до образования твердопластичной пасты за
счет введения в нее связующих прекурсоров;
389
25-26 сентября 2013, Саратов
3 Формирование пасты на червячных шнек-прессах в тела различной
геометрической формы (цилиндры, кольца, сферы) с размером от 0,8 до 20
мм, а также трубки и монолитные блоки со сквозными отверстиями.
4 Сушка и термообработка сформованных изделий с конечной
температурой от 500 до 12000С.
В
таблице
представлено
1
описание
некоторых
рецептур
композиционных материалов, рассмотренных нами в качестве возможных
оптимальных
рецептур
для
модельных
исследований
свойств
катализаторов и сорбентов, полученных на их основе. Также показаны
основные текстурные и прочностные характеристики приведенных
носителей (внутренняя удельная поверхность Sуд., прочность гранул на
истирание Пи и раздавливание по образующей Пр). В таблице 2 приведены
результаты порометрического анализа и данные по суммарному объему
пор V∑.
Таблица 1
Характеристика носителей специального назначения
назначен
ие
Обозн.
0
С
безводн. Al2O3
Al2O3
Al2O3
Al2O3
из
из
из
ПГАа
ТГАб
БОАв
Sуд., м2/г
Состав шихты, % масс.
Tтерм/обр,
Образец
Пи,
Пр, МПа
Размер
зерен,
%
мм
Сорбент
С1
100
-
-
500
228
99,8
9,0+1,0
Катализа
К1
20
80
-
600
122
99,9
13,5+1,5
0,8-
тор
К2
50
-
50
700
90
99,9
15,0+2,0
1,25
а
Переосажденный гидроксид алюминия;
б
Тригидрат оксида алюминия;
в
Безводный оксид алюминия.
Составы С1 и К1-1 являются, соответственно, микропористым и
среднепористым Al2O3, сформированными исключительно гидроксида
390
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
алюминия бёмитной структуры. При использовании Al2O3-наполнителей в
виде гиббсита или безводных форм Al2O3 также формируются активные
структуры К1 и К2, которые могут использоваться как самостоятельные
адсорбенты, либо как носители для получения сорбентов-катализаторов
для различных процессов очистки газа. Технология позволяет производить
эти материалы с широким диапазоном размера гранул вплоть до фракции
(0,8-1,0) мм с фиксированной геометрической формой в отличие от
промышленного черенкового γ-Al2O3 с заметно более низкими значениями
прочности и нерегулярными геометрическими параметрами гранул.
Рассмотрение общих свойств носителей обращает внимание на
развитые структурно-прочностные характеристики материала С1. Над ним
были произведены дополнительная ступенчатая термообработка до
конечной температуры 9000С и сравнительный анализ его пористой
структуры наряду с характеристиками двух других высокотемпературных
носителей.
Таблица 2
Параметры пористой структуры носителей для катализаторов
разложения N2O и сорбентов
Носите
T конечной
ль
обработки,
Распределение пор по радиусам, %
V∑, см3/г
3,5-10
10-100
100-
103-104
104-5·104
С
нм
нм
1000 нм
нм
нм
С1
500
85-90
1,5-2
0,3
0,5
0,5-1
0,70-0,80
К1-1
900
25-30
50-60
10-15
2-10
2-5
0,55-0,60
К1
600
75-80
15-20
15-25
3-5
4-5
0,39-0,42
К2
700
65-70
18-20
17-10
-
-
0,34-0,38
0
В связи с особенностями кинетики и механизма разложения NOx
полная диссоциация их на поверхности катализатора невозможна, хотя и
высока. Более того, при разложении N2O в качестве побочных могут
образовываться исходные формы других оксидов азота – NO и NO2.
391
25-26 сентября 2013, Саратов
Поэтому
был
произведен
синтез
и
исследование
сорбционно-
каталитических свойств различных материалов на основе разработанного
нами носителя C1 и его высокотемпературного аналога К1-1 в процессах
хемосорбционной нейтрализации NO и NO2, а также разложения N2O. При
этом подразумевается применение активных веществ в составе сорбента,
химически активных к NO или способных к его предварительному
окислению с помощью кислорода среды – KOH и NaOH. Образцы были
приготовлены методом пропитки исходного носителя раствором веществапредшественника
активной
фазы
с
последующей
ступенчатой
термообработкой. Массовое содержание активной фазы для катализаторов
– 10%, для хемосорбентов – 15%. Качественный состав покрытия
катализаторов – оксиды металлов Ag, Ru, Ir, Pd, Mn, Cu, Ni, Co.
Исследование каталитического процесса разложения N2O проводили
динамическом стенде при следующих гидро- и термодинамических
условиях: объемный расход потока газа-носителя (гелия) – 2000 ч-1;
концентрация N2O в суммарном потоке – 4,6% (об.); содержание паров
воды в осушенном потоке воздуха – 0,002% (об.); температурный диапазон
исследований – от 100 до 7000С; давление – (1-2) атм; динамическая
нагрузка на катализатор – 0,133 моль(N2O)/(г*ч). Параметры реактора:
материал
-
кварц;
тип
–
трубчатый
одноканальный
с
электронагревательным элементом; внутренний диаметр – 30 мм.
Выбор условий испытаний был произведен из соображений
минимизации влияния на выходные параметры адиабатического разогрева
реакционного пространства, что происходит по причине высокого
температурного эффекта рассматриваемого процесса (+81,6 кДж/моль
N2O).
Проведенные испытания позволили составить ряд активности
исследованных катализаторов по критерию сравнения наименьшей
392
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
температуры 100-й конверсии N2O, который для компонентов активной
фазы выглядит следующим образом:
Ir(3300С) > Ru(3500С) > Pd(5000С) > Ni(5100С) > Co(5400С) >
Cu(5500С) > Ag(7000С)
Изучение кинетических и термодинамических параметров реакции
разложения N2O было произведено для образца КР2.
При рассмотрении зависимости скорости реакции от парциального
давления N2O можно заключить, что рассматриваемая реакция разложения
имеет 1й порядок по N2O. В результате программного расчета элементов
модельного уравнения Ленгмюра-Хиншельвуда и их анализа был сделан
вывод, что лимитирующей стадией процесса является адсорбция N2O на
активной поверхности катализатора. Расчет энергии активации для
адсорбционного параметра привел к значению, равному 122,3 кДж/моль.
Изучение влияния добавки кислорода в объем реакционного газовой смеси
при варьировании его объемной концентрации от 1 до 5 % (об.) без
изменения величины динамической нагрузки на массу катализатора по
N2O обнаружило, что присутствие кислорода в реакционной зоне
практически не сказывается на активности катализатора, что вызвано
ростом константы равновесия кислорода как продукта реакции. Таким
образом реакция имеет нулевой порядок реакции по O2. Увеличение
скорости газового потока не влияет на снижение скорости процесса, что
хорошо
прослеживается
в
опытах,
где
проводили
варьирование
концентрации газа-носителя от 0 до 12% (об.), сопровождаемое общим
ростом объемного расхода.
Количество суммарных побочных оксидов азота при формальных
исследованиях на рассматриваемых образцах катализаторов, как правило,
было невелико и составляло до 4 мг/м3, что только в 2 раза больше ПДК
рабочей зоны. Исключениями были образцы КР3 и КР6, где количество
NO и NO2 в продуктах разложения составляло несколько десятков
393
25-26 сентября 2013, Саратов
количественных единиц измерения. Данные опытно-конструкторских
работ указывают на то, что при больших концентрациях разлагаемого N2O
в потоке концентрация нецелевых NO и NO2 способна возрастать с
увеличением температуры до 100-200 мг/м3.
Исследование сорбционного процесса нейтрализации NO и NO2
проводили при следующих гидро- и термодинамических условиях:
объемный расход потока воздуха – 10000 ч-1; содержание паров воды в
осушенном потоке воздуха – менее 10 мг/м3; содержание оксидов азота (II)
и (IV) в модельном газовом потоке (в пересчете на NO) – 110 мг/м3;
количественное отношение NO/NO2 в модельном потоке – переменное;
температурный диапазон исследований – от 14 до 4800С; давление –
атмосферное; внутренний диаметр адсорбера– 30 мм. Эффективность
сорбции рассчитывали как отношение количества поглощенных из
единицы объема NOx к их исходной концентрации в потоке.
Термические испытания образцов ХС1 и ХС2 проводили с целью
установления температурных условий их эксплуатации при наиболее
высоких значениях сорбционной активности данных материалов (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость эффективности сорбции NO и NO2 для образцов
ХС1 (а) и ХС2 (б) от температуры. Соотношение NO/NO2 (масс.)
в очищаемом газовом потоке 9,1 и 7,2, соответственно
394
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Приведенные зависимости иллюстрируют значительное влияние
температуры проведения процесса хемосорбционной очистки на его
эффективность.
компонентов
Наибольшей
отвечает
активности
температурный
расплавленному состоянию активной
щелочных
диапазон,
фазы. При
нанесенных
соответствующий
этом
материалу,
содержащему в своей структуре KOH, свойственны более высокие
эксплуатационные показатели степени очистки. Данное отличие, повидимому, связано с более высокой реактивностью катиона К+, имеющего
больший радиус и, соответственно, менее сильную связь с гидроксильным
комплексом. Оба образца имеют более высокую сорбционную активность
в отношении химического связывания NO, нежели NO2, что косвенно
указывает на активное участие в процессе кислорода очищаемой среды,
осуществляющего
предварительное
окисление
NO на
поверхности
хемосорбента. Хотя нитраты и способны образовываться по реакции
диспропорционирования гидроксида щелочного металла и NO2, скорость
такого взаимодействия, по-видимому, ниже, чем для аналогичной
температурной реакции с участием кислорода. Его окислительное
воздействие распространяется не только на уже образованные нитритные
соли, но и на исходную реакцию щелочи с NO.
395
25-26 сентября 2013, Саратов
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ФИЛЬТРАЦИИ
НА ПОЛИГОЛНАХ ТБО, РАСПОЛОЖЕННЫХ В ОВРАГАХ
Ю.В. Чижов
Научный руководитель: д.т.н., профессор С.В. Бобырев
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Согласно сайту Русского Географического Общества [1], объём
твёрдых бытовых отходов (ТБО), ежегодно образующихся в России,
составляет 30 млн тонн, или 150 млн куб. м.
Рис.1. Местоположения крупных полигонов ТБО [1]
К
сожалению,
список
создателей
крупных
полигонов
ТБО
возглавляет именно Саратов, где один из двух таких полигонов
располагается в овраге «Маханный», находящемся внутри города в месте
(рис.2), где ещё несколько лет назад взору были открыты уникальные
геологические разрезы и которое относилось к охраняемым территориям.
396
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис.2. Панорама на Волгу из оврага «Маханный» на участке,
не затронутом полигоном ТБО
В настоящее время мусорная масса заполнила верхнюю часть оврага
и образовала плотное тело, которое после самовозгорания постепенно
засыпается землёй (рис. 3).
Рис. 3. Верхний слой (слева) и разрез (справа) плотной мусорной массы
Одной
из
задач
экологической
гидрологии
является
расчёт
направления и характера естественных стоков и связанных с этим
процессов растворения, вымывания, переноса, отложения и фильтрации
примесей.
При сборе исходных данных для этих расчётов могут быть
применены геоинформационые технологии и GPS-навигация.
Рассмотрим решение задачи сбора исходных данных и их
предварительной обработки на примере оврага "Маханный".
397
25-26 сентября 2013, Саратов
С использованием GPS-навигатора (в нашем случае это - Prestigio)
производится сканирование рельефа и построение триангуляционной,
наложенной на карту (рис.4).
Рис.4. Триангуляционная сеть, построенная методом Делоне
С учётов координат высот на полученной триангуляционной сети
оператором trisurf(tri,xt,yt,zt) восстанавливается трёхмерная TIN-модель
поверхности (рис. 5).
Рис.5. Триангуляционная 3D-модель поверхности компактного тела
Для получения более наглядного изображения, на векторный рельеф
тела ТБО может быть "натянута" растровая карта местности.
Для
этого
в
зоне
моделирования
создаётся
прямоугольная
координатная сетка
%матричная координатная сетка
Xm=ones(size(ym))'*xm;%ПрЯмоугольнаЯ матрица с одинаковыми строками
Ym=ym'*ones(size(xm));%ПрЯмоугольнаЯ матрица с одинаковыми столбцами
398
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Затем для каждой точки матричной сетки находится триангл, решая
уравнение
плоскости
которого
вычисляется
z-координата.
восстанавливается матричная модель рельефа (рис.6)
Рис.6. Восстановление рельефа в форме MATR-модели
%аппроксимированные с триангуляционной сетки матричные значения функции
[nx,ny]=size(Xm); %
%перебираем все точки матричной сетки
for ix=1:1:nx
for jy=1:1:ny
x0=Xm(ix,jy);y0=Ym(ix,jy);%Координаты очередной точки матричной сетки
ko=0; %указатиель на треугольник к которому будет принадлежать точка
for k=1:1:nk %Перебор треугольников TIN
%Координаты точки
x1=xt(tri(k,1));
x2=xt(tri(k,2));
x3=xt(tri(k,3));
треугольника
y1=yt(tri(k,1));
y2=yt(tri(k,2));
y3=yt(tri(k,3));
%Длины сторон треугольников по теореме Пифагора
L12=sqrt((x1-x2)^2+(y1-y2)^2);
L13=sqrt((x1-x3)^2+(y1-y3)^2);
L23=sqrt((x2-x3)^2+(y2-y3)^2);
L01=sqrt((x0-x1)^2+(y0-y1)^2);
L02=sqrt((x0-x2)^2+(y0-y2)^2);
L03=sqrt((x0-x3)^2+(y0-y3)^2);
%Площади треугольника по теореме Герона
L123=(L12+L13+L23)/2;
S123=sqrt(L123*(L123-L12)*(L123-L13)*(L123-L23));
L023=(L02+L03+L23)/2;
S023=sqrt(L023*(L023-L02)*(L023-L03)*(L023-L23));
L103=(L01+L03+L13)/2;
S103=sqrt(L103*(L103-L01)*(L103-L03)*(L103-L13));
L120=(L01+L02+L12)/2;
S120=sqrt(L120*(L120-L01)*(L120-L02)*(L120-L12));
%Критерий внутренности точки к треугольнику
D=S123-S120-S103-S023;
if abs(D)<0.00001; %Если точка ix,jy принадлежит
399
k-му треугольнику
и
25-26 сентября 2013, Саратов
ko=k; %запоминаем треугольник к которому принадлежит точка матрицы
%вычисляем значение аппроксимированной функции на плоскости
z1=zt(tri(k,1));z2=zt(tri(k,2));z3=zt(tri(k,3));
%Уравнение плоскости a1*x+a2*y+a3z3=zt(tri(k,3));*z=1 и z0
K=[x1 y1 z1
x2 y2 z2
x3 y3 z3];
%%Защита от горизонтальной плоскости %%%%%
if det(K)<0.0001
z0=0;
else
a=(K^(-1)*[1 1 1]')';
z0=(1-a(1)*x0-a(2)*y0)/a(3);
end
Zm(ix,jy)=z0; %Значение функции в точке матричной сетки на треугольнике
end %if
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%555
end %k перебор тореугольников триангла
if ko==0 %точка не попала ни в один треугольник
Zm(ix,jy)=0;
end
end %jy
end %ix
Имея матричное представление рельефа и растровую карту
местности мы можем совместить их
scrsz = get(0,'ScreenSize');
figure('Position',[0*scrsz(3) 0*scrsz(4) 1*scrsz(3) 1*scrsz(4)])
title('\bfТЕЛО ТБО В ОВРАГЕ МАХАННЫЙ','FontSize',16,'FontName','Arial
Cyr','Color','k')
xlabel('\bfДолгота, град','FontSize',16,'FontName','Arial
Cyr','Color','k');
ylabel('\bfШирота, град','FontSize',16,'FontName','Arial Cyr','Color','k');
axis([000 400 000 200 -10 0]) %пределы координатных осей X Y Z
grid %нарисовать координатную сетку
hold on %включить режим наложениЯ графика на график
surface(Xm,Ym,Zm,...%Поверхность, на которую натягивается
flipud(MapInd),...%Индексное изображение натягиваемой карты. Для
переворота по верх-низ т.е. по координате Х для изображения
'FaceColor','texturemap',... %set the FaceColor to texturemap to
use texture mapping,
'EdgeColor','none',...
'CDataMapping','direct') %direct,scaled
colormap(map128) %установить цветокарту по именем map –
Рис.7. Наложение растровой карты на векторное MATR-представление
рельефа компактного тела
400
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Используя описанную выше геоинформационную технологию, мы
можем получить краевые условия для решения уравнений в частных
производных, описывающих процессы фильтрации.
Литература
1. http://www.rgo.ru/2011/03/musor-%E2%80%93-vid-sverxu/
АЛГОРИТМ НЕВРОЛОГИЧЕСКОГО СКРИНИНГА
Н.А. Бакланова, А.А. Индюхин, В.А. Коновалова, А. Г. Федянина
Научные руководители: к.т.н., доцент Н.Л. Коржук,
к.б.н. А.Ф. Индюхин
Тульский государственный университет, г. Тула
В настоящее время серьезное опасение вызывает состояние здоровья
подрастающего поколения. Возрастает число детей с неврологическими
нарушениями (НН) – нарушениями центральной нервной и сенсорных
систем, наличие которых обуславливает тяжелые последствия: высокий
уровень смертности и инвалидности, трудности социальной адаптации.
Диагностика
таких
электрофизиологические
нарушений
и
опирается
прежде
психофизиологические
всего
исследования
на
–
электроэнцефалографию (ЭЭГ), вызванные потенциалы (ВП), различные
сенсомоторные реакции. При этом остается актуальной задача разработки
новых технологий диагностики детей с ограниченными возможностями.
Развитие современных медицинских технологий, в том числе в сфере
первичного медицинского скрининга, позволяет исключить участие
высококвалифицированных врачей-специалистов в медицинских осмотрах.
В условиях проводимой модернизации здравоохранения и оснащения его
401
25-26 сентября 2013, Саратов
высокотехнологичным оборудованием важнейшим аргументом в пользу
необходимости применения скринингующих систем является не только
высокая медицинская эффективность, но и прямой экономический эффект.
Электрофизиологические исследования никогда не были массовыми
– как ввиду сложности применяемой аппаратуры, так и вследствие
неоднозначности
актуальной
интерпретации
разработка
их
результатов.
сравнительно
компактной,
Представляется
доступной
для
массового медицинского применения регистрирующей аппаратуры и
метода
обработки
результатов
исследования,
позволяющего
автоматически, без участия врача формировать заключение о наличии у
обследуемого ребенка НН
– снижения слуха, зрения, минимальной
мозговой дисфункции (ММД).
В
основе
исследований,
проведенных
в
работе,
лежат
экспериментальные данные – записи ЭЭГ 103 детей с известными
неврологическими диагнозами, обработанные методом динамического
анализа.
Диагностика НН осуществляется по результатам расчета параметров
синхронизации – уровня Сijk и частоты fijk, которые сравниваются с
параметрами, содержащимися в базе данных. (Индексы i = 1, 2, …, 16 и j =
1, 2, …, 16 соответствуют номеру канала регистрации ЭЭГ, а индекс k = 1,
2, …, 4 – номеру фильтра диапазона).
Происходит
перебор
всех
возможных
сочетаний
каналов
регистрации. Для ускорения процесса расчета те сочетания каналов, по
которым существуют достоверные отличия (электрофизиологические
маркеры) НН от нормы (по уровню Сijk и по частоте fijk), помечены
признаком ЕМijk, который может принимать значения: 0 – нет маркера; 1 –
маркер по уровню синхронизации, 2 – маркер по частоте синхронизации.
Обработаны записи ЭЭГ четырех групп пациентов с определенным
диагнозом – норма, нарушения слуха, нарушения зрения, ММД.
402
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Определялись параметры синхронизации – уровень Сijk и частота fijk, всего
по 960 значений для каждого пациента. Для каждой группы построены
гистограммы эмпирических распределений Сijk и fijk. Для эмпирических
распределений
получены
параметры
дескриптивной
статистики
–
математическое ожидание, СКО, асимметрия и эксцесс.
Рис.1. Гистограмма эмпирического распределения параметров синхронизации,
аппроксимация распределения – многочленом Ньютона 4 порядка.
Вертикальными линиями обозначены положения математического ожидания и целые
доли среднеквадратического отклонения
Распределение параметров синхронизации в группах пациентов с
различными НН отличаются друг от друга. Для проверки достоверности
отличий
разработано
дополнительное
программное
обеспечение,
реализующее алгоритм проверки по непараметрическому критерию –
точному методу Фишера по уровню 0,05. Проверка позволила выявить
электрофизиологические маркеры (ЭМ), отличающие НН от нормы. В
качестве ЭМ в скринингующей системе диагностике (ССД) используются
оба параметра – достоверные отличия по уровню синхронизации Сijk и
достоверные отличия по частоте синхронизации fijk.
Полученные ЭМ заносятся в базу данных, в которой хранятся
параметры дескриптивной статистики и соответствующие коэффициенты.
403
25-26 сентября 2013, Саратов
Для построения формулы принадлежности, по результатам расчета
которой выводится заключение о наличии у субъекта скрининга того или
иного НН, используются параметры дескриптивной статистики, а также
два эмпирических коэффициента. При равенстве полученного у субъекта
параметра синхронизации математическому ожиданию для проверяемой
группы формула дает значение «0», что однозначно относит субъекта к
этой группе. Значения входящих в формулу эмпирических коэффициентов
подобраны таким образом, чтобы при значениях аргумента ±2σ значения
формулы принадлежности совпадали с эмпирическим распределением
параметров синхронизации в проверяемой группе. Для оценки влияния
возраста
пациентов
математическим
рассчитаны
ожиданием.
его
По
коэффициенты
критерию
корреляции
Стьюдента
с
выявлены
достоверные коэффициенты корреляции, вследствие чего показана
необходимость ввода в ССД возраста обследуемого.
Для каждого ЭМ в базу данных ССД записаны массивы данных
ТСijk(N,m), ТСijk(S,m), ТСijk(Z,m), ТСijk(M,m) – для маркеров по уровню
синхронизации и ТFijk(N,m), ТFijk(S,m),
ТFijk(Z,m),
ТFijk(M,m)
– для
маркеров по частоте синхронизации, где N – группа «Норма»; S - группа
«Нарушения слуха»; Z - группа «Нарушения зрения»; М - группа «ММД»;
m – порядковый номер. Под номерами m=1 и m=2 помещены
коэффициенты регрессионного уравнения зависимости математического
ожидания параметра от возраста пациента; m=3 и m=4 – эмпирические
коэффициенты, учитывающие влияние эксцесса и асимметрии; m=5 –
эксцесс
эмпирического
распределения
параметра;
m=6
–
среднеквадратическое отклонение; m=7 – асимметрия.
Формулы принадлежности FCijk(N, Cijk), FCijk(S, Cijk), FCijk(Z, Cijk),
FCijk(M,Cijk), FFijk(N, fijk), FFijk(S, fijk), FFijk(Z, fijk), FFijk(M, fijk) вычисляются
по зависимости (на примере уровня синхронизации в группе «Норма»)
404
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
FCijk ( N , Cijk ) =
x(1 − TCijk ( N ,3)TCijk ( N ,7) sign( x))
,
TCijk ( N ,6)(1 + TCijk ( N ,4)TCijk ( N ,5)
(1)
где x = Cijk − TC ijk ( N ,1) − TCijk ( N ,2)b , b – возраст пациента.
Чем меньше абсолютное значение получается по формуле (1), тем
больше вероятность того, что пациент относится к данной группе.
На рис. 2 представлен фрагмент алгоритма диагностики НН. Для
каждого проверяемого ЭМ вырабатывается диагностический признак НН,
соответственно
DCijk и/или DFijk. В соответствии с алгоритмом рис. 2
происходит подсчет количества «совпадений» R(N), R(S), R(Z), R(M), по
которым определяется окончательный диагноз D:
D = arg max (R(N), R(M), R(Z), R(S));
Показатель
R,
соответствующий
окончательному
диагнозу,
сравнивается с общим количеством маркеров, которое хранится в базе
данных по этой группе. Их отношение будет говорить о том, с какой
вероятностью пациент принадлежит к выявленной группе. Она выводится
в виде числа в процентном соотношении.
Проверка алгоритма диагностики (рис.2) осуществлена подачей на
вход разработанного программного обеспечения записей ЭЭГ пациентов с
известным неврологическим диагнозом. Получено полное совпадение
диагнозов для всех 103 пациентов. Вероятность постановки верного
диагноза, определённая как вероятность его постановки при условии
непостановки остальных диагнозов, составляла не менее 0,8.
405
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 2. Фрагмент схемы алгоритма диагностики НН
Таким
скрининга
образом,
предложенный
обеспечивает
выполнение
алгоритм
неврологического
поставленной
задачи
-
автоматизацию диагностики неврологических нарушений по результатам
регистрации ЭЭГ с достаточной для практики точностью без участия
врача-специалиста в условиях массового обследования детского населения.
406
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
СИНТЕЗ МАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ
ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ МИКРОКАПСУЛ
М.С. Милёхин
Научный руководитель: к.х.н., доцент Т.В. Букреева
Центр конвергентных нано-, био-, информационных,
когнитивных и социогуманитарных наук и технологий
НИЦ Курчатовский институт, г. Москва
Магнитные наночастицы являются перспективными системами для
использования в различных современных областях науки, техники,
промышленности. В последние годы все больше внимания уделяется
применению магнитных наночастиц в биомедицине. Одно из основных
направлений
использования
таких
систем
–
целевая
доставка
лекарственных веществ под действием внешнего магнитного поля. При
этом магнитные наночастицы должны быть химически стабильными и
биологически совместимыми. Чаще всего для этих целей используют
наночастицы магнетита Fe3O4 , а также маггемита γ -Fe2O3 и гематита α Fe2O3.
Для
целевой
доставки
лекарственных
веществ перспективны
полимерные микро- и наноконтейнеры, модифицированные магнитными
наночастицами. Помимо преимуществ магнитной доставки эти системы
позволяют
защитить
функциональные
соединения
от
воздействия
окружающей среды и снизить побочные действия самих лекарственных
соединений, обеспечивая их пролонгированный выход.
В данной работе использованы два различных подхода для
получения полимерных микрокапсул с магнитными наночастицами.
Первый способ заключается в синтезе наночастиц оксида железа
407
25-26 сентября 2013, Саратов
непосредственно
на
полиэлектролитных
микрокапсул
оболочке
капсул.
были
В
предварительно
качестве
использованы
ядер
частицы
приготовленных
для
формирования
карбоната
кальция.
Сферические микрочастицы CaCO3 получали коллоидной кристаллизацией
из пересыщенного раствора [1]. Быстрое перемешивание равных объемов
0,33 М растворов CaCl2 и Na2CO3 на магнитной мешалке в течение 30 с
привело
к
Капсулы,
представляющие
оболочки,
формированию
были
CaCO3
собой
получены
микросферических
ядер.
полые
сферические
полимерные
методом
послойной
адсорбции
полиэлектролитов на поверхность ядер [2]. Поликатион поли-L-лизин
(PLL)
и
полианион
декстран
сульфат
(DS)
были
поочередно
адсорбированы из растворов с концентрацией 2 мг/мл на поверхность
частиц карбоната кальция. После адсорбции каждого полимерного слоя
капсулы трижды промывали деионизованной водой для удаления избытка
полиэлектролита.
Оболочка
капсулы
состава
(PLL/DS)4
была
сформирована посредством восьми циклов адсорбции полиэлектролитов.
Чтобы получить полые капсулы, ядра были растворены с помощью ЭДТА.
Синтез наночастиц проводили методом химической конденсации
солей Fe3+ и Fe2+ с молярным соотношением 2:1 на оболочке капсул путем
добавления основания [3]. Растворы хлоридов железа (III) и железа (II) и
суспензии полых капсул смешивали и помещали на водяную баню с
температурой
37°С
на
магнитной
мешалке.
При
интенсивном
перемешивании к суспензии добавляли 28% раствор гидроксида аммония,
и полученную смесь перемешивали в течение 10 мин. После этого капсулы
с наночастицами оксида железа в оболочках промывали три раза
деионизованной водой с последующим центрифугированием.
408
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
0.2 µm
20 nm
а)
б)
Рис.1. Изображения полиэлектролитной капсулы (PLL/DS)4
с наночастицами оксида железа в составе оболочки:
а) – общий вид оболочки капсулы; б) – наночастицы на ее поверхности
В результате были получены полиэлектролитные капсулы с
наночастицами в составе оболочки (рис. 1а). С помощью обработки
изображений,
полученных
методом
просвечивающей
электронной
микроскопии (рис.1б), было установлено, что средний размер частиц
составляет 8 нм. Капсулы проявляют высокую чувствительность к
воздействию внешнего магнитного поля – осадок быстро перемещается
при поднесении к емкости с суспензией постоянного магнита. Данные
порошковой дифракции показывают образование кубической фазы типа
обращенной шпинели, пространственная группа Fd3m. Такую структуру
имеют γ-Fe2O3 и Fe3O4: кубическую плотную упаковку образуют атомы
кислорода. Сходство структуры этих оксидов не позволяет различить фазы
с помощью рентгеновских методов, в связи с чем в работе был
использован
метод
ядерного
гамма-резонанса
(мессбауэровской
спектроскопии).
Мессбауэровские спектры наночастиц в диапазоне температур от 90
до 297 К показали заметное уширение резонансных линий во внутреннюю
409
25-26 сентября 2013, Саратов
часть спектра. С ростом температуры уширение линий возрастает. Это
указывает на релаксационное поведение магнитных моментов железа и
является характерным признаком суперпарамагнетизма. Показано, что при
комнатной температуре основная часть наночастиц (около 80 %) находится
в суперпарамагнитном состоянии. Однако спектры при 10 К по своим
характеристическим параметрам соответствуют ионам Fe3+ маггемита γFe2O3.
Второй подход, использованный в работе для модификации капсул,
заключается в синтезе наночастиц оксида железа с гидрофобной
оболочкой и заключении их в объем полиэлектролитных капсул,
сформированных на каплях масляной фазы эмульсии. Магнитные
наночастицы получали путем разложения ацетилацетоната железа в
обратных мицеллах из олеиновой кислоты и олеиламина с последующим
осаждением частиц из реакционной смеси [4].
Реакционную смесь, состоящую из ацетилацетоната железа, 1,2гексадекандиола, олеиновой кислоты, олеиламина и фенилового эфира
выдерживали при температуре 2000С 30 минут в атмосфере азота. После
этого следовало нагревание смеси до 2650С и выдержка реакционной
смеси в течение 30 минут. В результате была получена суспензия черного
цвета.
Частицы
осаждали
этиловым
спиртом
с
последующим
центрифугированием. Методом динамического светорассеяния показано,
что полученные частицы имеют высокую степень монодисперсности
(индекс полидисперсности n=0,012), средний размер частиц (радиус)
составляет 3,5 нм (рис.2).
410
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис.2. Распределение по размерам магнитных наночастиц, полученных методом
разложения в мицеллах
Для выявления структурных особенностей полученных частиц был
использован метод ядерного гамма-резонанса. Мессбауэровские спектры
наночастиц были получены в диапазоне температур от 6 до 300 К. Спектр
имеет четкие "ступени" при промежуточных температурах и достаточно
узкие линии при низкой температуре, что подтверждает высокую
монодисперсность частиц. Показано, что основной структурной фазой
является магнетит, однако наличие секстетов с близкими параметрами при
низких температурах указывает на возможность присутствия структурной
фазы γ-Fe2O3 в образце.
а)
б
Рис.3. Мессбауэровский спектр образца при 10 K (а)
и характерный спектр наночастиц магнетита Fe3O4 (б)
411
25-26 сентября 2013, Саратов
Полученные наночастицы имеют гидрофобные оболочки, поэтому
хорошо диспергируются в неполярных растворителях. В ближайшее время
планируется проведение включения этих наночастиц в масляную фазу
эмульсии,
капли
которой
будут
использованы
в
качестве
ядер
полиэлектролитных капсул по методике [5].
Таким образом, в работе рассмотрены два различных способа
синтеза
магнитных
полиэлектролитных
наночастиц,
микрокапсул:
применимых
in
для
situ-получение
модификации
наночастиц
на
полиэлектролитной оболочке осаждением под действием основания и
разложение ацетилацетоната железа в обратных мицеллах. Показано, что
первый способ приводит к формированию на поверхности капсул
наночастиц маггемита, а с помощью второго способа образуются
наночастицы с гидрофобной поверхностью с основной структурной фазой
магнетита. Полученные в работе системы перспективны в качестве
носителей для магнитной доставки лекарственных веществ.
Работа
выполнена
при
частичной
финансовой
поддержке
Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 11-0301169). Авторы выражают благодарность А.Л. Васильеву и И.А. Лысенко
за получение и обработку результатов просвечивающей электронной
микроскопии, С.С. Старчикова и И.С. Любутина за получение и
интерпретацию данных мессбауэровской спектроскопии.
Литература
1. Sukhorukov G.B., Donath E., Lichtenfeld H. et al. // Colloids Surf. A:
Physicochem. Eng. Aspects. 1998. V. 137. P. 253-266.
2. Volodkin D.V., Petrov A.I., Prevot M., Sukhorukov G.B. // Langmuir.
2004. V. 20. P. 3398-3406.
412
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
3.
Букреева
Т.В. ,
Орлова
О.А.,
Сульянов
С.Н.
и
др.
//
Кристаллография. 2011. Т. 56. № 5. С. 940-943.
4. Sun S., Zeng H., Robinson D.B. // J. Am. Chem. Soc. 2004. V. 126. P.
273-279
5. Borodina T, Grigoriev D, Markvicheva E. et al. // Advanced
Engineering Materials. 2011. V. 13. P. B123-B130.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ АВТОДИННОГО
ГЕНЕРАТОРА НА ДИОДЕ ГАННА ДЛЯ ОЦЕНКИ
ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИЗУЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЫХАНИЯ
И СЕРДЦЕБИЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Ю.В. Ветрова
Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент А.Э. Постельга
Саратовский государственный университет
имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов
В настоящее время применение СВЧ в диагностике и терапии
находит
широкое
применение.
Одним
из
направлений
является
мониторинг физиологических параметров человека, таких как дыхание и
сердцебиение.
Автодинные генераторы находят широкое применение в качестве
быстродействующих бесконтактных датчиков и измерителей параметров
движения в приборах для экспериментальных исследований [1]-[3].
Принцип действия таких устройств основан на автодинном эффекте,
заключающемся в изменении параметров автоколебаний генератора,
возникающих при его взаимодействии с собственным излучением,
отраженным от исследуемого объекта. К параметрам такого рода можно
413
25-26 сентября 2013, Саратов
отнести амплитуду и мгновенную частоту колебаний, составляющие токов,
напряжение автосмешения и ряд других.
Одной из основных проблем в системах биорадиолокации как при
гомодинной, так и при автодиной схеме построения является проблема их
динамического диапазона. Это связано с достаточно широким диапазоном
изменения, как эффективной площади рассеяния объектов, так и
изменения расстояния до них [4]-[5].
Особенно остро эта проблема стоит для автодинных систем. Это
связано со специфическими искажениями автодинных сигналов даже при
малом уровне отраженного излучения. Природа этих искажений имеет
принципиальный характер и связана с неравномерностью набега фазы
отраженной волны вследствие автодинных изменений частоты генерации
под воздействием отраженного излучения. Эти искажения являются весьма
нежелательными, так как нарушают выбранный алгоритм работы
устройств обработки [6].
В данной работе была проведена оценка оптимального положения
человека: расстояние и угол между нормалью к грудной клетке человека и
центральной осью рупорной антенны, для регистрации параметров
дыхания и сердцебиения человека при помощи автодинного генератора,
также произведена оценка уровня обратной связи, влияющей на вид
автодинного сигнала. Помимо этого, проведено сравнение плотности
потока энергии с установленными санитарными нормами.
Для решения поставленной задачи был проведен ряд экспериментов.
1) Определение зависимости уровня мощности генерируемого
сигнала от фазы отраженного сигнала при различных уровнях обратной
связи и последующее сравнение результатов с видом продетектированного
сигнала
с
СВЧ-интерферометра
с
нелинейных искажений.
414
использованием
коэффициентов
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
2) Определены зависимости частоты генерируемого сигнала от
уровня обратной связи.
3) Определение уровня обратной связи при отражении сигнала от
грудной клетки пациента, и сравнение с результатами, полученными в
предыдущем
эксперименте,
при
которых
сигнал
можно
считать
интерференционным.
4)
Произведено
сравнение
плотности
потока
энергии
с
установленными санитарными нормами [7].
5) Определены
зависимости величин амплитуд возникающих
модуляций при дыхании и сердцебиении человека от расстояния и при
различных углах между нормалью к грудной клетке человека и
центральной осью рупорной антенны.
Из полученных результатов следует, что:
1) При ослаблении отраженного сигнала 16 Дб и более значение
КНИ
не
превышает
5%,
что
соответствует
искажениям
формы
синусоидального сигнала не различимым визуально [8]-[9]. Ограничение
по большим ослаблениям определяется чувствительностью используемых
измерительных приборов и мощностью генератора.
2) Изменения частоты весьма несущественны. Зависимость частоты
от фазы отраженного сигнала при различных уровнях обратной связи
требует дополнительного исследования.
3) Наличие тела человека не оказывает сколь заметного влияния на
уровень мощности отраженного сигнала, которая в зависимости от
наличия различных поглощающих и отражающих объектов в помещении
колеблется в пределах 16-33 Дб, что попадает в диапазон ослаблений
отраженного сигнала, определенный в предыдущем эксперименте, при
котором
сигнал
с
автодинного
генератора
можно
считать
интерференционным, что позволяет использовать интерференционные
методики обработки сигнала.
415
25-26 сентября 2013, Саратов
4) На расстоянии 40 см до рупора максимальная плотность потока
энергии для используемого автодинного генератора составляла не более
45 мкВт/ см2, что соответствует установленным санитарным нормам.
5) при расстояниях, близких к нижней границе дальней зоны,
амплитуда, регистрируемых низкочастотных модуляций максимальна, что
позволяет лучшим образом выделять локальные особенности форм
движения грудной клетки при дыхании и сердцебиении.
Литература
1.
Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В., Абрамов А.В.,
Боголюбов А. С., Постельга А.Э. Радиоволновая интерферометрия
движений тела человека, связанных с дыханием и сердцебиением. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2005. № 11-12. С 44-51.
2.
формы
Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Калинкин М.Ю. Восстановление
сложного
движения
объекта
по
сигналу
автодинного
детектирования полупроводникового лазера. – ЖТФ. 2000. т. 70. вып. 2, С.
125-129.
3.
Усанов Д. А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В., Постельга А.Э.
Сверхвысокочастотный автодинный измеритель параметров вибраций. –
Приборы и техника эксперимента, 2004, № 5, с. 130 – 134.
4.
Коган И.М. Ближняя радиолокация. Теоретические основы.
М.:Сов. Радио, 1973.
5.
Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика
полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов:
Изд-во Сарат. Ун-та,2003.
6.
Гершензон Е.М., Туманов Б.М., Бузыкин В.Т., и др. Общие
характеристики и особенности автодинного эффекта в автогенераторах. Радиотехника и электроника. 1982 Т.27, №1. С.104-112.
416
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
7.
СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03 «Гигиенические требования к
размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов».
8.
Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х т. Под
ред. Д. П. Линде – М.: Энергия, 1978.
9.
С.Ф. Соболев. Технология электромонтажа. - СПб: СПБ ГУ
ИТМО, 2008. - 76 с.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ
ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
С.В. Чугуевская
Научный руководитель: к.т.н., доцент М.В. Тимофеев
Рыбинский государственный авиационный технический
университет имени П. А. Соловьева, г. Рыбинск
Развитие
наукоемкой
техники
привело
к
появлению
новых
материалов с особыми физико-механическими характеристиками, которые
в настоящее время получают все более широкое применение в различных
отраслях промышленности. К ним относятся, прежде всего, такие
материалы, как вольфрамосодержащие и титанокарбидные сплавы,
закаленные стали и другие.
Использование
характеристиками
материалов
позволяет
с
значительно
высокими
повысить
прочностными
ресурс
работы
различных деталей, а так же узлов и агрегатов. Вместе с тем, следует
отметить, что механическая обработка данных материалов вызывает порой
серьезные затруднения. К ним в первую очередь, следует отнести низкую
стойкость режущего инструмента, производительность обработки, а также
417
25-26 сентября 2013, Саратов
качество обработанной поверхности. Таким образом, механическая
обработка данных материалов традиционными способами затруднена.
Одним из возможных путей решения вышеуказанных проблем
является разработка и внедрение в практику специальных методов и
технологий
физико-механической
обработки
труднообрабатываемых
материалов: электрохимическая, электроэрозионная, электронно-лучевая,
ультразвуковая обработка и др.
В частности к разновидностям ультразвуковой обработки относится,
введение в зону резания энергии внутренних ультразвуковых колебаний. В
результате многочисленных исследований установлено, что наложение на
инструмент или обрабатываемую деталь вынужденных ультразвуковых
колебаний позволяет значительно повысить эффективность механической
обработки
При
[1].
этом
возможно
достичь
повышения
производительности процесса, стойкости режущего инструмента, а так же
точности и качества изготавливаемых изделий.
Применение
ультразвукового
воздействия
при
механической
обработке является перспективным и прогрессивным направлением в
современной технологии. Ультразвуковые колебания высокой амплитуды
позволяют
повысить
научно-технический
уровень
технологических
процессов обработки деталей из труднообрабатываемых материалов, а в
некоторых случаях, принципиально по-новому, решать технологические
проблемы современных производств.
Основными особенностям, характерными для ультразвукового
резания являются [2,3,4]:
–
Снижение сил резания наблюдается при скоростях резания V <
aω (a, ω –амплитуда и круговая частота колебаний резца) и происходит
при
точении
всех
металлов:
алюминия,
меди,
бронзы,
углеродистых, нержавеющих и жаропрочных сталей, титана и др.;
418
латуни,
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
–
Наложение ультразвуковых колебаний полностью исключает
характерное для традиционного точения образование на поверхностях
резца наростов;
–
Повышение точности обработки. При вибрационном резании
происходят колебания режущей кромки резца. При этом в течение времени
tc режущая кромка находится в контакте с обрабатываемой деталью и
образуется стружка. Можно считать, что за это время положение режущей
кромки (вершины резца) в процессе резания
остается неизменным.
Колебания обрабатываемой детали тоже как бы прекращаются. Это
позволяет повысить точность обработки. Даже при использовании резания
с вибрациями в серийном производстве разброс размеров получаемых
деталей существенно снижается. Выборочный контроль показал, что даже
при малых глубинах резания (несколько микрометров) точность обработки
сохраняется на требуемом уровне продолжительное время.
–
При ультразвуковом резании образуется сливная пластичная
стружка без заусенцев и неровностей. Как результат, наложение
ультразвука позволяет существенно уменьшить величину минимально
возможного срезаемого слоя. При этом существенно меняется тепловой
режим в зоне резания;
–
Включение ультразвука полностью устраняет автоколебания и
позволяет получать однородную поверхность на всей длине, например,
технологически нежестких изделий без применения промежуточных опор
и люнетов;
–
Изменение
режима
резания.
Ультразвуковое
резание
происходит в результате периодических микроударов, следующих с
высокой частотой. При этом каждый цикл нагружения начинается при
одних и тех же начальных условиях. Вследствие высокой частоты
следования
и
кратковременности
импульсов
зона
пластической
деформации сосредоточена в малой окрестности вершины резца и не
419
25-26 сентября 2013, Саратов
насыщается микротрещинами, которые не успевают расти за столь
короткий промежуток времени;
–
Изменение тепловых процессов в зоне резания. В случае
ультразвукового резания выделение теплоты происходит импульсами во
время действия импульсов сил резания. При этом происходит импульсное
повышение температур обрабатываемого материала в зоне резания и
материала резца в окрестности режущих кромок. В каждый момент
времени температура изделия и резца определяется двумя процессами:
нагревом,
определяемым
удельной
теплоемкостью
материалов,
и
охлаждением, определяемым коэффициентами их теплопроводности и
градиентом температуры. В промежутках между импульсами происходит
процесс охлаждения нагретых зон детали и резца. В результате средняя
температура в зоне резания при ультразвуковой обработке оказывается
значительно ниже, чем при традиционной.
Внедрение данного метода обработки требует создания специальных
ультразвуковых
станков
или
установок.
В
качестве
прототипа
ультразвукового устройства разработан ультразвуковой резцедержатель с
пеьзоэлектрическим
преобразователем
(рисунок
1),
который
устанавливается на револьверной головке на станках с ЧПУ
обрабатывающих центрах.
420
и
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис.1. Конструкция ультразвукового резцедержателя с пеьзоэлектрическим
преобразователем: 1-кабельная муфта; 2- корпус; 3-концентратор;
4- корпус преобразователя;5-хвостовик; 6-излучающая накладка;
7-отражающая накладка; 8-втулка специальная; 9-гайка специальная; 10-крышка;
11-болт крепежный; 12-болт стягивающий;13-болт специальный;
14-пьезокерамическая пластина; 15-шайба специальная;16-втулка; 17-прокладка;
18-контакт; 19-кабель; 20-шпонка
Спроектированный резцедержатель используется для закрепления
резца при токарной обработке, которому за счет преобразователя
сообщаются колебания в направлении подачи.
Закрепление резца осуществляется в концентраторе 3, который имеет
цанговую поверхность. Резец устанавливается торцом в отверстие
концентратора, при навинчивании гайки 9 на конусную поверхность
концентратора, данная поверхность сжимается закрепляя резец. Для смены
421
25-26 сентября 2013, Саратов
инструмента
необходимо
отвинтить
гайку
и
извлечь
резец
из
концентратора.
Концентратор 3 с помощью болтов 13 закрепляется на корпусе
резцедержателя
2.
Резцедержатель
устанавливается
в
отверстие
револьверной головки с помощью хвостовика 5 и направляющих шпонок
20, закрепление резцедержателя на револьверной головке осуществляется с
помощью четырех болтов 11.
На концентратор 3 устанавливается корпус преобразователя 4 за счет
резьбовой поверхности. В корпусе преобразователя 4 устанавливается
пьезокерамический преобразователь. Преобразователь состоит из двух
пьезокерамических пластин 14, излучающей накладки 6, отражающей
накладки 7, прокладок 17 и стягивающего болта 12. Контакт 18 подводится
к кабельной муфте 1 с кабелем 19, который подключается к генератору.
При
подаче
напряжения
переменного
тока
от
генератора
к
пьезоэлектрическим пластинам происходит их переменная деформация,
которая выражается в ультразвуковых колебаниях с заданной частотой.
Колебания сообщаются концентратору, который необходим для усиления
колебаний преобразователя (трансформаторы скорости). В концентраторе
закрепляется режущий инструмент, которому сообщаются колебания в
направлении подачи.
В
результате
использования
ультразвуковой
энергии
при
механической обработке на станках с ЧПУ становится возможным
исключить такие операции, как шлифование и объединить токарную
обработку наружных и внутренних поверхностей, в связи с чем
происходит сокращение продолжительности обработки, а, следовательно,
применение данного метода в большинстве случаев так же является и
экономически обоснованным.
В качестве дальнейшей модернизации конструкции резцедержателя
предполагается
установка
скользящих
422
токосъемников
для
подачи
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
электрического тока на преобразователь. Модернизация резцедержателя
предполагает устранение из конструкции резцедержателя кабельной
муфты с кабелем, подключаемых к генератору, которые затрудняют
выполнение обработки несколькими инструментами, установленными в
револьверной головке.
Литература
1. Калашников В. В., Нерубай М. С., Штриков Б. Л. Ультразвуковая
механическая обработка и сборка. Самара. Самар. Кн. Изд-во, 1995 – 191 с.
2.
Разинкин А. В. Моделирование процесса ультразвукового
резания с помощью ЭВМ – Электронный научный журнал «Исследовано в
России», 2008, с. 81.
3.
Кумабэ Д. В. Вибрационное резание: Пер. с яп. С. Л.
Масленикова/ Под. ред. И. И. Портнова, В. В. Белова. – М.:
Машиностроение, 1985. – 424 с., ил.
4. Марков А. И. Ультразвуковая обработка материалов. М.:
Машиностроение, 1980 – 237 с.
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ
НАНОАЛМАЗОВ
Е.В. Чернышева
Юго-Западный государственный университет, г. Курск
Ультрадисперсные алмазы (УДА) представляют собой частицы,
близкие по форме к сферическим или овальным. Такие частицы могут
образовывать коагуляционно-устойчивые системы в электролитах. При
этом УДА сочетают в себе свойства одного из самых твердых веществ в
423
25-26 сентября 2013, Саратов
природе с химически активной оболочкой в виде функциональных групп,
способных, участвовать в химических и электрохимических процессах. Во
время
осаждения,
взаимодействуют
взвешенные
с
поверхностью
ультрадисперсные
растущего
покрытия
частицы
благодаря
гидродинамическим, электростатическим и молекулярным силам. Этот
процесс приводит к формированию композиционных электрохимических
покрытий [1].
МеХ+
НА
i ,А/дм2
Металл-алмазные
композиционные
покрытия
+
Металлическая
матрица
Рис.1. Схема электрохимического процесса образования КЭП с наноалмазами
Наночастицы
внедряются в металлическую матрицу, причем
поверхностные слои содержат большее их количество, чем внутренние. В
отличие от обычных мелкодисперсных порошков наночастицы являются
не
наполнителями
или
структурообразующим
второй
агентом
фазой,
в
а
процессе
скорее
специфическим
электрокристаллизации
металлов. В силу чрезвычайно малого размера частиц (от 5 до 100
ангстрем), содержание их в покрытии обычно невелико – от 0,1 до 1,5%.
В процессе формирования композиционного электрохимического
покрытия происходит целый ряд благоприятных изменений структуры
металлических покрытий, что влечет за собой улучшение их физикохимических свойств [2]. Практически любым металл-алмазным покрытиям
в большей или меньшей степени свойственны общие характеристики:
424
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
существенное увеличение адгезии и когезии, повышение микротвердости и
износостойкости, уменьшение пористости, повышение антикоррозионных
свойств и увеличение рассеивающей способности электролитов [3].
Данные утверждения основываются на исследованиях, проведенных
с высокой степенью достоверности для процессов цинкования из
щелочного и слабокислого электролитов, процессов меднения и лужения
из сернокислых электролитов, серебрения и покрытия сплавом серебро сурьма
из
цианистого
и
синеродисто-роданистого
электролита,
лимоннокислого процесса золочения, химического и электрохимического
процессов никелирования, процесса анодирования, покрытия сплавом
олово-свинец из фторборатного электролита, а также для процесса
хромирования [1].
Некоторые из перечисленных систем в большом объеме физикохимических свойств представлены в таблицах 1 и 2. Как видно из
представленных
данных
наибольшее
влияние
УДА
оказывает
на
повышение износостойкости, что чрезвычайно важно для покрытия
серебром (таблица 1) и хромом.
Таблица 1
Износостойкость серебро-алмазных покрытий
Концентрация
добавки 0
УДА, г/л
Толщина покрытия, мкм
5
0,2
0,5
1,0
2,0
1,7
1,3
1,3
1,5
Время истирания, ч
20
20
20
40
25
Потери покрытия, % масс
33,3
6,7
5
2,5
нет
425
Покрытия
получены
при
t=2025оС
и
плотности
тока
1,0
2
А/дм
25-26 сентября 2013, Саратов
Таблица 2
Физико-механические характеристики олово-алмазных покрытий
Концен
iк ,
Пористост
трация
А/дм2
ь
Микро-
(кол-во твердость
УДА,
пор на 1 ,
г/л
см2)
Пайка,
Выход
Удельно Износ,
баллы
по
е
току,
сопроти
(потеря
%
вление
в весе)
Нµ,
кг/мм
%
1
2
3
4
5
6
7
8
0
0,5
45
9,9
2,0
100
-
31,3,
1,0
17
7,3
1,8
100
0,184
за
1,5
6,0
6,7
2,1
100
0,231
10
2,0
19
7,1
2,5
99
0,304
часов
0,5
60
7,4
2,1
92
-
12,
1,0
23
7,1
1,9
110
0,168
за
1,5
14
7,1
1,8
104
0,231
10
2,0
6,2
7,2
2,0
85
0,192
часов
0,5
5
6,5
2,1
99
-
10, за
1,0
2
7,2
2,1
93
0,176
10
1,5
2
7,2
1,8
100
0,522
часов
0,5
5
8,6
1,8
105
11, за
1,0
5
9,4
2,1
11
10
1,5
2
8,7
2,1
95
часов
2,0
2
8,0
2,1
84
0,5
1,5
2,0
Микротвердость покрытий увеличивается практически для всех
металлов, но увеличение это не столь значительно – обычно в пределах 3050 % от номинальной. Снижение пористости покрытий и, соответственно,
повышение коррозионной стойкости, как видно из табличных данных,
более значительно; это позволяет предположить, что частицы УДА не
только адсорбируются на растущих кристаллах, уменьшая их размеры, но
кроме этого заполняют поры, снижая, таким образом, пористость.
Из всего перечисленного ясно, что наилучший результат применение
УДА оказывает на износостойкость покрытий. Для хромовых покрытий
426
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
исследование
износостойкости
проводили
в
широком
диапазоне
концентраций УДА – до 50 г/л, но после концентрации 15-20 г/л УДА
износостойкость покрытий практически не изменяется. Износостойкость
покрытий повышалась при использовании УДА в процессе химического
никелирования. Наибольший эффект в плане повышения износостойкости
проявляется
для
серебряных
и
золотых
покрытий.
Повышение
концентрации УДА до 1,5-2,0 г/л позволяет в 10-15 раз увеличить
износостойкость этих покрытий. В то же время такое важное свойство как
переходное сопротивление для этих покрытий практически не изменяется.
Интересно также отметить влияние УДА на рассеивающую
способность электролитов - даже для таких сложных в этом плане
электролитов
при увеличении концентрации УДА в электролите
рассеивающая способность увеличивается.
Объяснение явлению влияния УДА на свойства электролитических
покрытий и рассеивающую способность электролитов следует искать в
поляризационных измерениях. Для всех перечисленных процессов были
сняты и обработаны поляризационные кривые, из которых можно сделать
вывод, что УДА облегчают разряд металлов, так как
во всех случаях
кривые сдвигаются в сторону положительных потенциалов, как это видно
на кривых для меди и олова из сульфатных электролитов (рис. 1, 2).
Обработка кривых в классических координатах показала, что УДА
не изменяет кинетики процесса, влияя главным образом на адсорбционные
явления. Площадки на кривых при увеличении концентрации УДА
снижаются, причем, несмотря на сдвиг поляризационных кривых в
сторону положительных потенциалов наклон кривых (поляризуемость)
увеличивается. При этом УДА мало влияют на электропроводность
электролитов, и таким образом коэффициент электрохимического подобия
во всех электролитах растет, а это в свою очередь говорит об улучшении
427
25-26 сентября 2013, Саратов
рассеивающей способности электролитов. Для всех кислых электролитов
это свойство является важным.
Рис. 1
Рис. 2
Во всех исследованных процессах удалось добиться существенного
повышения потребительских свойств полученных покрытий.
Так,
введение УДА в кислый электролит меднения привело к получению
беспористых медных покрытий, в 1,5 раза выросла микротвердость, в 2
раза возросла эластичность покрытия, износ уменьшился в 9 — 10 раз, во
много раз возросла коррозионостойкость, рассеивающая способность
электролита с УДА возросла в 3 раза. Стойкость к коррозии цинк —
алмазных покрытий (цинкатный электролит) увеличивается в 2 — 3 раза,
рассеивающая способность электролита возрастает на 24% — с 33% до
428
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
57%. Использование УДА при оловянировании резко снижает пористость
покрытия (в 3 — 9 раз), повышается коррозионная стойкость, в 3 раза
увеличивается износостойкость олово — алмазного покрытия. При этом
паяемость и электрофизические свойства покрытий практически не
меняются. Износостойкость серебряных покрытий увеличивается в 3 —
10 раз, микротвердость — до 180 кг/мм2. Износостойкость анодной пленки
с УДА возросла в 10 — 13 раз, в 2 — 3,5 раза увеличивается привес
(наполненность) такого покрытия, повышается коррозионная стойкость и
электроизоляционность[1].
Подводя итоги обзора последних достижений в области разработки
гальванических покрытий на основе наноалмазов можно утверждать, что
введение
наноуглерода
различной
модификации
в
электролиты
представляется положительным, так как во всех случаях:
1. Увеличивается рассеивающая способность электролитов.
2. Значительно возрастает износостойкость практически для всех
покрытий.
3. Снижается пористость покрытий и увеличивается коррозионная
стойкость.
4. Возрастает микротвердость покрытий и улучшается внешний вид.
Из представленного материала, очевидно, что применение УДА
имеет
большие перспективы в гальванотехнике. Необходимы усилия
многих исследователей для того, чтобы разобраться в механизме влияния
этой добавки на гальванические процессы.
В наших исследованиях
затронуты лишь некоторые аспекты этой проблемы.
Литература
1. Буркат Г.К. Ультрадисперсные алмазы в гальванотехнике Текст. /
Г.К. Буркат, В.Ю. Долматов // Физика твердого тела. — 2004. Т. 46, № 4. С. 685 - 692.
429
25-26 сентября 2013, Саратов
2. Долматов В.Ю. Детонационные наноалмазы: синтез, строение,
свойства и применение Текст. / В.Ю. Долматов // Успехи химии. 2007. - Т.
76, № 4. – 382с.
3. Долматов В.Ю. Получение износостойких хромовых покрытий с
применением наноалмазов различной природы Текст. / В.Ю. Долматов, Т.
Фуджимура, Г.К. Буркат, Е.А. Орлова // Сверхтвердые материалы. — 2002.
— № 6. - С. 16-20.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СЕРДЦЕБИЕНИЯ И ДЫХАНИЯ
ЧЕЛОВЕКА С ПОМОЩЬЮ БЕСКОНТАКТНЫХ
УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДАТЧИКОВ
Е.О. Путилин
Научный руководитель: д.т.н., профессор Е.М. Прошин
Рязанский государственный радиотехнический университет, г. Рязань
Бесконтактное исследование процессов сердцебиения и дыхания
человека является быстро развивающимся направлением современной
медицины. Имея информацию о частотно-временных параметрах дыхания
и сердцебиения, можно судить об общем функциональном состоянии
человека, поэтому исследования в данной области становятся интересны
всё
в
большем
количестве
отраслей
медицины.
Определение
функционального состояния человека также актуально для комплексной
хрономагнитотерапии. Перед магнитотерапевтическим сеансом важно
знать ряд параметров функционирования организма пациента для подбора
наиболее эффективной методики лечения, а также коррекции этой
методики в течение магнитотерапевтического сеанса, исходя из изменений
функционального состояния пациента. Таким образом, реализуется
430
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
биотехническая
обратная
связь
между
пациентом
и
магнитотерапевтическим комплексом. В работах [1,2] рассмотрены методы
бесконтактных исследований на основе ультразвуковых биений, а также
выделены их основные преимущества по сравнению с известными
аналогами, заключающиеся в большей чувствительности регистрации и
потенциально меньшей стоимости конечного устройства.
Исходя из концепции разработанных методов, для исследования
процессов сердцебиения и дыхания человека было спроектировано два
макета устройства. В первом устройстве реализован простой метод
ультразвуковой эхо-импульсной локации. Во втором - импульсно-фазовый
метод на основе ультразвуковых биений. Обобщенная структурная схема,
подходящая для обоих методов, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема макетов устройств
Для эхо-импульсной локации передающее ПУ и приемное ПрУ
устройства работают в импульсном режиме и
микроконтроллера
МК
возбуждают
импульсы с выхода
ультразвуковой
передающий
преобразователь ПУ, который излучает ультразвуковой импульс в
направлении грудной клетки человека. Отразившись от грудной клетки,
данный импульс поступает в приемное устройство ПрУ и далее в
микроконтроллер МК, в котором подсчитывается время прохождения
ультразвукового импульса от передатчика в приемник. Вычисленное время
будет меняться в зависимости от расстояния до грудной клетки, которое в
431
25-26 сентября 2013, Саратов
свою очередь будет изменяться под действием дыхательной и сердечной
деятельности человека. Функцию изменения времени в зависимости от
расстояния можно записать в виде:
T ( L) =
2L (t ) 2 (l (t ) + X )
=
.
с
с
(1)
где L - расстояние до грудной клетки, причем расстояние L является
функцией времени и равно L(t) = l(t) + X, где X – постоянная
составляющая, l(t) – функция колебаний грудной клетки, содержащая
гармоники
сердечного
и
дыхательного
ритмов;
c
–
скорость
распространения ультразвука в воздухе (c = 330 м/с).
Нетрудно подсчитать относительное изменение времени µ при
регистрации колебаний грудной клетки пациента, связанных с сердечным
и дыхательным ритмами:
µ=
lmax
X .
(2)
Подставляя в выражение (2) числовые значения получаем, что при
постоянной
составляющей
расстояния
равной
1
м
относительное
изменение времени не будет превышать 1,5 % для дыхательной
деятельности и 0,1 % для сердечной деятельности. Такие малые величины
предъявляют очень высокие требования к разрешающей способности
регистрирующей аппаратуры. Стоит отметить, что применительно к
комплексной магнитотерапии эхолокационный метод имеет право на
существование в силу малых расстояний (0,2 - 0,3 м), на которых
проводится
регистрация
сердцебиения
и
дыхания
пациента
магнитотерапевтического комплекса. Однако выражение (2) не учитывает
погрешность измерений, которая связана с детектированием принятого
ультразвукового
импульса.
Широкая
диаграмма
направленности
ультразвуковых преобразователей часто приводит к неоднозначному
детектированию отраженного эхо-сигнала, иными словами приемник
432
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
может среагировать на импульс, который отражен не от движущегося под
действием физиологических процессов участка грудной клетки или
вообще от иной части тела. При этом в процессе дыхания может меняться
тип, глубина и частота колебательных движений грудной клетки, что тоже
может влиять на изменение погрешности детектирования эхо-сигнала.
Описанная погрешность существенно влияет на чувствительность
регистрации колебаний, в результате чего метод становится практически
непригоден для бесконтактного мониторинга сердечной деятельности
человека.
На рис. 2 представлены кривые дыхания, зарегистрированные на
паре добровольцев, находящихся в сидячем положении.
Рис. 2. Зарегистрированные эхолокационным методом кривые дыхания
Данные кривые получены от устройства через интерфейс UART,
сопряженный с USB-интерфейсом компьютера посредством микросхемы
FT232RL. Стоит отметить, что зависимости, представленные на рис. 2,
представляют собой функцию изменения содержимого таймер-счетчика
микроконтроллера, которое соответствует амплитуде колебаний, от
433
25-26 сентября 2013, Саратов
отсчетов UART. Но зная скорость передачи данных интерфейса UART (в
данном
случае
19200
бод/сек),
нетрудно
подсчитать
конкретные
временные отсчеты.
Из рис. 2 можно сделать некоторые выводы о чувствительности
регистрации параметров дыхания. В первую очередь стоит отметить, что
частотно-временные
параметры
дыхательной
деятельности
прослеживаются довольно явно. Нетрудно определить фазы вдоха и
выдоха, а также вычислить их длительность и частоту дыхания. При этом
чувствительность может быть увеличена программно путем повышения
частоты дискретизации в методе измерения времени. Тем не менее, данная
мера не позволит наряду с дыханием регистрировать и сердечный ритм в
силу ограничений, которые накладывает погрешность детектирования.
Уровень помех в данном методе оказывается выше, чем изменения
времени,
соответствующие
колебаниям,
связанным
с
сердечной
деятельностью. Помимо этого высокий уровень помех может вносить
существенную погрешность в измерения частотно-временных и особенно
амплитудных параметров кривой дыхания. При этом использование
ультразвуковых преобразователей с узкой диаграммой направленности и
соответственно большей чувствительностью приводит к новой проблеме,
связанной с настройкой взаимного расположения приемо-передающей
пары датчиков относительно грудной клетки пациента и относительно
друг друга. Поэтому выбор параметров ультразвуковых преобразователей
должен
быть
компромиссным
и
учитывать
требования,
как
к
чувствительности, так и к сложности, а соответственно и стоимости
устройства.
Рассматривая
эхолокационный
метод
регистрации
параметров
дыхания применительно к комплексной магнитотерапии, можно сказать,
что его использование является далеко не бесперспективным. Данный
датчик может использоваться как отдельно для вычисления таких
434
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
параметров дыхания как частота, длительность фаз вдоха/выдоха,
вариабельность дыхательного ритма, так и совместно с контактным
датчиком
пульса,
уже
используемым
в
магнитотерапевтических
комплексах.
Однако
гораздо
помехозащищенностью
большей
регистрации
чувствительностью
обладает
метод
на
и
основе
ультразвуковых биений. В работе [3] подробно описана функциональная
схема импульсно-фазового метода, на основе которой был спроектирован
макет устройства. Возвращаясь к схеме на рис. 1, стоит отметить, что
применительно к данному методу ПУ представляет собой тракт
формирования
сигнала
биений,
а
также
непосредственно
сам
ультразвуковой преобразователь, а ПрУ сочетает в себе приемный
ультразвуковой
преобразователь,
а
также
канал
нормализации
с
автоматической регулировкой усиления. При этом основным измеряемым
параметром, зависящим от дыхания и сердцебиения, будет являться
фазовый сдвиг между огибающими биений переданного и принятого
сигналов:
θ (l ) =
2π∆f ⋅ l ( t )
c
(3)
где ∆f - частота огибающей биений. Как видно из выражения (3),
чувствительность регистрации не будет зависеть от расстояния до грудной
клетки пациента, а будет определяться только частотой ∆f. И при выборе
частоты ∆f таким образом, что длина волны биений будет соизмерима с
амплитудой колебаний, можно добиться очень существенных изменений
фазы вплоть до 180 градусов.
На
рис. 3
представлены
кривые
дыхания
и
сердцебиения,
зарегистрированные посредством импульсно-фазового метода на четырёх
добровольцах, сидящих на расстоянии порядка 20 см от приемопередающего преобразователя.
435
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 3. Зарегистрированные методом биений кривые дыхания
Стоит отметить, что сигналы не были профильтрованы, но на
рисунке можно отчетливо видеть фазы вдоха и выдоха пациента, а также
определить частоту дыхания. При этом очевидно, что отношение
сигнал/шум для данного метода гораздо выше, чем для эхолокационного.
На рис. 4 представлены кривые, зарегистрированные на добровольцах при
задержанном дыхании.
Как видно из рисунка на всех кривых прослеживаются гармоники,
соответствующие сердечному ритму. Но для надежного определения
частоты
сердечных
сокращений
или,
например,
вариабельности
сердечного ритма представленные сигналы необходимо подвергнуть
серьезной обработке и фильтрации.
При этом первые три кривые были зафиксированы при отражении
сигнала от листа бумаги, расположенного на одежде добровольца в
области
его
груди,
а
последний
сигнал
зафиксирован
при
непосредственном облучении тела пациента, как видно в этом случае
сигнал сердцебиения гораздо мощнее.
436
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 4. Зарегистрированные методом биений кривые сердцебиения
Очевидным достоинством метода на основе ультразвуковых биений
является высокая чувствительность и помехозащищенность. Однако
данный метод не избавлен от уже описанной погрешности детектирования,
которая проявляется здесь в меньшей степени, но все равно существенно
зависит от углового расположения датчиков и грудной клетки пациента.
Помимо этого приемный тракт макета импульсно-фазового метода
существенно сложнее в техническом плане, так как для более точного
измерения фазового сдвига между биениями необходимо наилучшее
сохранение формы сигнала.
Литература
1. Прошин Е.М., Путилин Е.О. Бесконтактный мониторинг дыхания
и сердцебиения пациента комплексной хрономагнитотерапии на основе
ультразвуковых биений // Биомедицинская радиоэлектроника. 2012. №7. С.
19 – 28.
2. Путилин Е.О. Бесконтактный мониторинг процессов сердцебиения
и дыхания пациента в комплексной магнитотерапии. // Материалы
международной
молодежной
научной
школы
«Современные
биоинженерные и ядерно-физические технологии в медицине» – Саратов:
"Научная книга", 2012, С. 76 - 79
437
25-26 сентября 2013, Саратов
3. Путилин Е.О. Ультразвуковые методы бесконтактной регистрации
процессов
сердцебиения
и
дыхания
пациента
комплексной
хрономагнитотерапии // Биомедицинская радиоэлектроника. 2013. №7. С.
12 – 20.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ
ПОКРЫТИЙ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
О.А. Дударева, И.П. Гришина,
О.А. Маркелова, Д.С. Яковлев, А.В. Лясникова
Научный руководитель: д.т.н., профессор В.М. Таран
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Целью работы стало изучение статических и динамических
характеристик технологических процессов плазменного напыления, а
также
оценка
эффективности
этих
процессов
и
прогнозирование
качественных показателей покрытий.
Для проведения экспериментальных исследований использовался
специальный автоматизированный комплекс в виде комбинированной
системы технологического оборудования для плазменного напыления и
компьютерной системы, направленной на реализацию алгоритмов для
решения конкретных технологических задач плазменного напыления.
Структурно-функциональная
организация
информационных
аппаратных средств автоматизированного комплекса приведена на рис. 1.
438
и
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 1. Структурно-функциональная организация
информационных и аппаратных средств
Опыты по исследованию качественных показателей покрытий
проводились на образцах цилиндрической формы диаметром 10 мм и
длиной 40 мм из материалов: Mo, Ni, Сu, а также с порошками W, Ti, Mo,
ГА. В качестве плазмообразующего, транспортирующего и защитного
газов использовался аргон.
Для напыления подслоя использовали порошок титана ПТС
дисперсностью 40…60, 70…90, 100…120 мкм. Внешний слой покрытия
состоял из гидроксиапатита дисперсностью 50-70 и 90-100 мкм.
Предварительно порошки подвергали рассеву и сушке.
Образцы, на
помещались
в
которые
специальную
производилось
оправку,
плазменное
которая
напыление,
размещалась
на
электроизолированном от корпуса установки шпинделе-катоде. Между
шпинделем-катодом и соплом плазмотрона включался источник питания
для обработки газовыми разрядами.
439
25-26 сентября 2013, Саратов
Электрические
величины
измерялись
электроизмерительными
приборами класса точности 0,2 и осциллографом. Металлографический
анализ
проводился
с
использованием
оптического
микроскопа.
Температура образца контролировалась термопарой.
Рис. 2. Схема устройства для забора и анализа газа
Контроль газового состава в рабочей камере при очистке газовыми
разрядами осуществлялся с использованием масс-спектрометрического
метода анализа. Для этих целей к рабочей камере была подключена
вакуумная приставка (рис. 2), позволяющая производить отбор газа из
камеры в специальный баллон в процессе очистки газовыми разрядами.
Анализ газа в баллоне производился масс-спектрометром.
Перед
отбором
газа
высоковакуумная
система
приставки
прогревалась и откачивалась при перекрытом клапане 1 и открытых
клапанах 2,3 баллона 4 с помощью механического 5 и диффузионного 6
вакуумных насосов до 10-3 Па (10-6 мм рт. ст.). Отбор газа для анализа из
камеры 7 производился при перекрытом клапане 2 и открытом клапане 1.
440
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Перед
отключением
баллона
от
приставки
вентиль
3
баллона
перекрывался.
Литература
1.
Лясникова
А.В.
Проектирование
электроплазменных
технологий и автоматизированного оборудования / С.М. Лисовский, В.М.
Таран, А.В. Лясникова. - М.: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана, 2005. 256 с.
2.
Протасова
Н.В.
Технологическое
обеспечение
качества
плазменных покрытий на основе применения комбинированных физикотехнических методов активации поверхности / Н.В. Протасова, В.М.
Таран, А.В. Лясникова, О.А. Дударева, И.П. Гришина. - М.: Спецкнига,
2012. - 350 с.
3.
Протасова Н.В., Гришина И.П., Таран В.М., Лясникова А.В.
Исследование влияния активации поверхности основы дуговым разрядом в
процессе
напыления
на
адгезионно-когезионные
характеристики
плазменного покрытия / Н.В. Протасова, И.П. Гришина, В.М. Таран, А.В.
Лясникова // Вестник СГТУ.2012.-№2 (66).-Вып.2-С.147-152.
4.
Lyasnikova A.V. Improvement of plasma coating used in medicine
/ V.M. Taran, A.V. Lyasnikova, N.V. Protasova, O.A. Dudareva // Biomedical
Engineering. - Vol. 46. - № 4.2012 - Pp. 134-137.
441
25-26 сентября 2013, Саратов
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ВТУЛОК
Ю.С. Иванова, А.П. Козлов, М.В. Власов, И.А. Ланшин
Научные руководители: д.т.н., профессор Л.В. Федорова
д.т.н., профессор С.К. Федоров
Московский государственный технический
университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва
Создание
применения
конкурентоспособной
новых
инновационных
изнашиваемых
конструкционных
технологий,
поверхностей
продукции
материалов
повышающих
деталей
машин
невозможно
и
качество
и
без
разработки
наиболее
технологического
оборудования. Среди широкой номенклатуры деталей, выпускаемых с
низким качеством по износостойкости, значительная часть приходится на
втулки. Существующие способы изготовления втулок из цветных и черных
металлов являются малоэффективными и не обеспечивают возросших
требований по качеству, и прежде всего поверхностного слоя. Низкая
износостойкость втулок в конструкциях насосов, автомобилей, тракторов,
бульдозеров, дорожно-строительной технике, приводит к снижению
эффективности работы машин и механизмов. Помимо затрат на замену
втулок и ремонт машин, предприятия несут потери от простоя техники.
Способы повышения износостойкости втулок объемной закалкой и
последующего шлифования являются трудоемкими и малоэффективными.
При
закалке
втулок
из
качественных
конструкционных
и
инструментальных сталей происходит их коробление и образование
микротрещин термического характера.
442
Использование стали 35 для
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
изготовления втулок не обеспечивает высокую твердость поверхностного
слоя.
Известна технология изготовления втулок путем многопроходной
наплавки износостойкого материала на заготовку из малоуглеродистой
стали
и
механической
обработки
(сверление,
рассверливание,
растачивание, шлифование по наружной и внутренней поверхности).
Втулки,
изготовленные
используют
при
по
ремонте
указанной
насосов
выше
на
технологии,
широко
нефтеперерабатывающих
предприятиях. Твердость поверхностного слоя втулок не превышает HRC
56…58.
Для повышения износостойкости наружной поверхности втулок
защитного уплотнения насосов, специалисты в России и за рубежом
используют напыление, причем многослойное. С целью повышения
адгезии на мягкую основу напыляют износостойкое покрытие высокой
твердости HRC 60…64. Однако толщина этого покрытия составляет
150…200 мкм и, обеспечивая высокую износостойкость в начальный
период эксплуатации насосов, в дальнейшем отмечается интенсивный
износ. Себестоимость изготовления втулок высокая, а надежность работы
насосов сложно поддается прогнозированию.
Изготовление
центробежного
втулок
литья
из
алюминиевых
обеспечивает
высокое
сплавов
качество
методом
и
низкую
себестоимость деталей. Научные разработки ученых ИМЕТ имени А.А.
Байкова РАН
значительно расширили область применения технологии
центробежного литья, за счет создания градиентных композиционных
материалов с алюминиевой матрицей [2]. Исследован метод изготовления
втулок из градиентных композиционных материалов на основе матрицы из
алюминиевого сплава АК12 с дисперсными частицами упрочняющей фазы
(рис. 1.) с повышенной концентрацией
Al2O3 (40мкм),
SiC (40мкм),
графитизированного углерода (200…400 мкм), базальта (≤ 60 мкм) в
443
25-26 сентября 2013, Саратов
поверхностных
финишной
материалов
слоях.
Экспериментально
обработки
с
целью
втулок
из
получения
обосновано
градиентных
высокой
применение
композиционных
твердости,
оптимальной
шероховатости, плотности и износостойкости поверхностного слоя
деталей.
Рис. 1. Микроструктура втулок из градиентных композиционных материалов
на основе матрицы из алюминиевого сплава АК12 с дисперсными частицами
упрочняющей фазы
С целью получения качественного поверхностного слоя втулок,
обработанных методами резания, на финишной операции используется
технология электромеханической обработки. ЭМПЗ
подвергаются:
посадочные места валов и отверстий под подшипники качения, участки
валов под ступицы шкивов и зубчатых колес, тонкостенные и
маложесткие детали из высококачественных сталей (втулки, стаканы,
детали типа трубы). Глубина закалки определяется техническими
требованиями и может составлять 0,5…2 мм, при микротвердости
поверхностного слоя 4160…8000 HV МПа (42…69 HRC). Разработаны две
схемы ЭМПЗ деталей финишная и предварительная. Финишная ЭМПЗ не
приводит к
изменению геометрии и шероховатости ранее полученной
поверхности, а после предварительной ЭМПЗ формирование геометрии и
шероховатости производится на последующих операциях.
Опираясь на исследовании характера износа втулки защитной
444
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
уплотнения насосов (рис. 2.), решено выполнить закалку наружной
цилиндрической поверхности детали электромеханической обработкой.
а)
б)
в)
Рис. 2. Втулка защитного уплотнения с изношенными участками (а),
фрагмент измерения твердости напыленного покрытия (б) и основного металла (в)
Электромеханическая поверхностная закалка (рис. 3.) основана на
непрерывном
контакте
инструмента
и
изделия,
через
который
пропускается электрический ток силой 800…3000 А, напряжением 2...4 В.
Для сокращения времени термического воздействия и уменьшения
непроизводственных
потерь
электрической
энергии
разработано
двухроликовое приспособление, которое позволяет производить нагрев
только контактной зоны втулки без термического воздействия на
остальные участки. В результате твердость исполнительных поверхностей
составила 54…60 HRC, глубина закаленного слоя – 0,4…1,2 мм. ЭМПЗ
подвергаются
детали
из
конструкционных,
инструментальных,
специальных сталей и чугуна. Глубина закалки стальных деталей
определяется техническими требованиями и может составлять 0,5…2 мм,
при микротвердости поверхности 4160…8000 HV МПа (42…69 HRC).
Фрагмент втулок после ЭМПЗ, результаты измерения твердости и
поперечный разрез детали приведены на рис. 3.
445
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис.3. Фрагмент измерения твердости (сталь 45 ГОСТ 1050-88) и поперечный разрез
втулки после ЭМПЗ
Технология
ЭМПЗ
подразделяется
на
предварительную
и
финишную. После проведения предварительной ЭМПЗ поверхность
детали необходимо
обработать окончательно. В условиях ремонтного
производства окончательная обработка производится шлифованием или
точением. В таблице 1 приведены результаты изменения микрогеометрии
цилиндрической поверхности полученной точением твердосплавной
пластиной
Т15К6,
минералокерамической
пластиной
ВОК
71
и
шлифованием.
Таблица 1
Влияние способа обработки на шероховатость поверхности
Вид обработки
Ra
Точение
3,90
12,00
23,60
10,20
10,2
незакаленного
3,80
13,70
20,40
8,20
11,8
участка
2,90
16,10
22,10
10,20
9,10
Среднее значение
3,53
13,91
22,03
9,53
10,37
Точение
1,50
5,15
7,26
4,64
3,29
после ЭМПЗ
1,58
5,13
7,82
4,68
3,16
1,58
5,19
7,79
4,31
2,90
Среднее значение
1,55
5,16
7,62
4,54
3,12
Шлифование
0,52
3,12
3,44
1,53
2,02
после ЭМПЗ
0,54
3,11
3,96
1,48
1,95
Rz
446
Rmax
Rp
Rv
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Среднее значение
0,51
3,12
3,99
1,63
2,03
0,52
3,12
3,80
1,55
2,00
Конкурентной особенностью разработанных технологий является
возможность гибкого управления параметрами скоростного контактного
электронагрева и одновременного термо-пластического деформирования
материала поверхностного слоя с целью формирования уникальных
быстрозакалённых структур, изменения микрогеометрии и текстуры
волокон металла поверхности, уменьшения размера зерна, уплотнению
пористых слоёв, повышения адгезии и когезии напыленных покрытий.
Электромеханическая
поверхностная
закалка
втулки
трака
бульдозера «КОМАТSU» D–155 (рис. 7) выполнена по наружной и
внутренней поверхностям на длине детали 200 мм. Комплект втулок,
установленных на производственные испытания в условиях УМ-25
Мостроймеханизации-5, показали надежность и высокую износостойкость
в эксплуатации [6].
а)
б)
в)
Рис. 7. Фрагмент ЭМПЗ (а), микроструктура закаленной поверхности (б)
и втулки трака бульдозера КОМАTSU (в)
В
ОАО
«Сызранский
нефтеперерабатывающий
завод»
эксплуатируется около 850 технологических насосов марки HGUR, НПС,
НСД и 100 компрессоров. Их детали подвергают термообработке и, там
где
это
необходимо, производят газотермическое
напыление
или
газоплазменную наплавку. Это, в основном, участки под резиновыми
уплотнительными кольцами, а также втулки защитного уплотнения
447
25-26 сентября 2013, Саратов
насосов, опорные, межколёсные
и торцевые втулки валов. В качестве
наносимого материала используются порошки, проволока.
Одним из направлений применения технологии ЭМПЗ в условиях
МП «Ульяновскводоканал» является обработка втулки защитной насоса
ГрТ 4000/71. Втулка изготавливается из стали 40Х на токарно-винторезном
станке 1М63. Обеспечив геометрические размеры втулки точением,
производится ЭМПЗ по наружной цилиндрической рабочей поверхности
диаметра 320,25 мм. Окончательно размер по диаметру 320d11 производят
точением резцом с кубическим нитридом бора. В результате твердость
поверхности составила 54..58 НRС, глубина закаленного слоя 0,5…0,7 мм
на сторону, шероховатость поверхности Rа 1,25 мкм.
Результаты разработок
обеспечивают: увеличение твёрдости
поверхностей инструментальных сталей до 70 НRC; малоуглеродистых
сталей до 42 НRC, чугунов до 75 НRC; повышение износостойкости
поверхностей до 20 раз; повышение предела выносливости на 30…80 %;
повышение прочности на 8…15 %; замену цементации (нитроцементации)
поверхностной закалкой; отсутствие окисления и обезуглероживания
поверхностного
слоя;
отсутствие
коробления
деталей;
снижение
себестоимости изготовления деталей в 2…4 раза; закалку на воздухе и без
использования охлаждающих жидкостей; экологическую чистоту и
электробезопасность процессов.
Литература
1.
Федорова Л.В., Федоров С.К.
Расширение технологических
возможностей токарно-винторезного станка./ Техника и оборудование для
села, № 12. 2005, с.22 – 24.
2.
Алексеева (Иванова) Ю.С. Технологическое обеспечение и
повышение износостойкости втулок из градиентных композиционных
материалов. Автореферат дисс. канд. техн. наук. М.:2009 – 18 с.
448
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
3. Федоров С.К., Федорова Л.В., Сараев В.Т., Клюев Ф.К.
Применение технологии электромеханической обработки в ремонтном
производстве ОАО «Сызранский нефтеперерабатывающий завод».
Научно-технический вестник НК Роснефть. – №4-2010, с.44– 47.
4. Федоров С.К., Морозов А.В. Способ сборки деталей с натягом.
Патент РФ 2305028. Заявлено 29.06.2005. Опубл. 27.08.2007. Бюл. №24.
5. Федорова Л.В., Федоров С.К., Морозов А.В. Повышение качества
ремонта турбокомпрессора ТКР-11Н. Сельский механизатор. – 2007. –
№1. – С. 28-29.
6. Федоров, С.К., Есениязов Г.У., Кабанов А.В., Стрелков А.М.
Электромеханическая поверхностная закалка втулки трака бульдозера
«КОМАТSU» D–155. Механизация строительства. – 2007. – №6. – с. 14-16.
ТЕХНОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ
НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЦЕХАХ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
К.С. Аверьянова, Ю.С. Выровчикова
Научный руководитель: д.т.н., профессор В.П. Степанов
Самарский государственный технический университет, г. Самара
Одной из основных характеристик электромагнитной среды является
напряженность
магнитного поля (МП) промышленной частоты, величина
которой не должна превосходить допустимые значения, регламентируемые
СанПиН [1]. Напряженность
МП промышленной частоты в произвольно
выбранной точке пространства цеха обуславливается совокупностью
напряженностей
технологических
магнитных
установок,
полей
от
электроприемников
внутрицеховых
449
(ЭП)
трансформаторных
25-26 сентября 2013, Саратов
подстанций, компенсирующих устройств, промышленной электрической
сети,
выполненной
магистральными
и
распределительными
шинопроводами, а также от осветительной электрической сети и
осветительных установок.
В
условиях
эксплуатации
оценку
МП
напряженности
промышленной частоты в произвольно выбранной точке пространства
цехов промышленных предприятий не составляет труда и производится с
помощью прибора ПЗ-50 [2].
На
стадии
проектирования
систем
электроснабжения
цехов
промышленных предприятий результирующую оценку напряженности
МП в произвольно выбранной точке пространства цеха можно получить
наложением
известных
напряженности
трансформаторных
от
индивидуальных
совокупности
подстанций,
«портретов»
технологических
компенсирующих
магнитной
установок,
устройств
и
промышленной электрической сети, а так же осветительной электрической
сети и осветительных установок на производственную площадь цеха
промышленного предприятия. Сопоставление результирующей оценки
напряженности
МП с допустимыми нормами, регламентируемыми
СанПиН, позволяет скорректировать расстояния между технологическими
установками.
Построение индивидуального «портрета» напряженностей
МП
иллюстрируется на примере построения индивидуального портрета
напряженностей
МП
от
технологиеской
установки
желобошлифовального станка с одним ЭП. Построение производится в
следующей последовательности. На графленой бумаге формата А1,
размеченной в осях ОХ и OY, в определенном масштабе наносится
геометрический контур технологической установки. Геометрический
контур технологической установки наносится таким образом, чтобы ее ЭП
450
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
в
плоскости
XOY
совпадал
индивидуальной напряженности
с
началом
координат.
Измерения
МП производится в горизонтальной
плоскости по линиям, равноудаленным от геометрического контура
технологической установки. Для этого на планшет наносится m линий:
первая
линия
на
расстояние
от
геометрического
технологической установки; вторая линия – 2
контура
; m-ная линия – m
.
Геометрический контур технологической установки и m равноудаленных
линий наносятся в плоскости на уровне «нулевой» отметки. Следующая
плоскость проходит на уровне d от уровня "нулевой" отметки, последняя
— на уровне k d. Измерения напряженности
МП производятся в точках,
разделенных шагом b, на каждой из m — равноудаленных линий. На рис.
1 изображены геометрический контур технологической установки и m
равноудаленных линий на уровне «нулевой» отметки. Измерения
напряженности
МП в каждой точке равноудаленных линий производятся
в трех взаимно перпендикулярных направлениях:
среднеквадратического значения вектора напряженности
. Модуль
МП в точке
измерения определяется по выражению:
Hi = (Hxi )2 + (H уi )2 + (Hzi )2
451
(1)
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 1. Геометрический контур технологической установки (желобошлифовальный
станок) с равноудаленными линиями
Результаты
измерений
индивидуальной
напряженности
МП
технологической установки заносятся в протокол измерений, форма
которого
приведена
напряженности
в
таблице.
магнитного
поля,
установки, номинальная мощность
В
протокол
заносятся:
измерений,
вид
технологической
, номинальное напряжение
уровень горизонтальной плоскости
кроме
ЭП,
расстояние равноудаленной
линии от конутра технологической установки
шаг измерения по
линиям
По результатам, которые отражены в протоколе измерений, строится
индивидуальный «портрет» напряженности
МП технологической
установки. На рис. 2, в качестве примера, приведена иллюстрация
индивидуального «портрета» напряженности
станка с одним ЭП
плоскости.
МП желобошлифовального
кВт, для четырех уровней горизонтальной
Линии
1-
452
для
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Индивидуальный «портрет» напряженности
МП, изображенный на
МП в зоне
рис. 2. позволяет оценить допустимую напряженность
обслуживания технологической установки и сравнить ее с нормами,
регламентируемыми СанПиН.
Таблица
магнитного поля
Протокол измерений индивидуальной напряженности
технологической установки
Вид
Номина
Номин
Уровен Равноу
Шаг
Величина
технолог
льная
альное
ь
даленн
изме
магнитного
ической
мощност напряж горизо
ые
рени
установк
ь
нтальн
линии
я по
ой
от
лин
плоско
технол
иям
сти D=
огичес
( b),
кой
м
ение
и
k
, м)
поля (
), А/м
устано
вки
(L=m
м
1
2
3
4
5
6
2
Желобош
лифоваль
ный
…
21
0,38
станок
f
2
…
m
453
7
8
9
0,0
0,1
0,0
7
5
6
0,0
0,0
0,0
9
7
2
0,0
0,0
0,0
6
5
3
0,1
0,0
0,0
2
8
6
10
0,17
6
0,11
6
0,08
4
0,15
6
25-26 сентября 2013, Саратов
2
…
f
k d
2
…
f
2
…
2
m
…
f
Рис. 2. Индивидуальный «портрет» напряженности магнитного поля
желобошлифовального станка
Литература
1. СанПиН
2.2.4.71Й-98.
Переменные
454
магнитные
поля
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
промышленной частоты (50 Гц) в производственных условиях. - М.:
Федеральный центр госэнергонадзора Минздрава, 1999: - 20 с.
2. Измеритель напряженности поля промышленной частоты ПЗ-50/:
паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации. -М.: АОЗТ
«ТАНО», 2001. - 31 с.
ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КИНЕТИКИ РАЗЛОЖЕНИЯ
НАНОКЛАСТЕРНЫХ ПОЛИОКСОМЕТАЛЛАТОВ ОТ ИХ
СТРУКТУРЫ
И.Д. Гагарин
Научный руководитель: д.б.н. И.Г. Данилова
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н.Ельцина, г. Екатеринбург
Современные достижения в физике, химии и биологии создают
предпосылки
технологий.
медицинских
для
развития
Перспективным
технологий
принципиально
направлением
является
новых
медицинских
развития
современных
использование
нанообъектов
с
заданными свойствами. Идеи того, что сейчас называют «наномедициной»
были высказаны ещё Ричардом Фейнманом в его лекции «Там внизу есть
много места».
Одним из многообещающих применений наночастиц является
адресная
доставка
лекарственных
препаратов.
Адресная
доставка
подразумевает под собой максимальное накопление лекарственного
препарата в очаге патологического процесса при минимально возможной
дозе. Таким образом, минимизируются нежелательные воздействия
препарата на ткани не вовлечённые в патологический процесс.
455
25-26 сентября 2013, Саратов
В последнее время создаются новые средства упаковки и доставки
лекарственных веществ, например, липосомы, наносомы (наноразмерные
липосомы) и другие нанокапсулы, а также многофункциональные, в том
числе магнитные наночастицы.
Одними из кандидатов на эту роль являются полиоксометаллаты на
основе молибдена со структурой букиболов (фуллеренов) [1]. Молекулы
таких соединений имеют внутреннюю полость и «окна», что позволяет им
обратимо поглощать органические соединения. Также они способны
связываться с некоторыми веществами.
В контексте вышесказанного детальное исследование физикохимических свойств полиоксометаллатов (ПОМ) представляется важной
задачей современной нанобиотехнологии.
Перспективы использования упомянутых соединений в медицинских
целях
обуславливают
необходимость
исследования
кинетики
их
разложения в растворе.
В качестве объектов исследования были выбраны нанокластерные
полиоксометаллаты Mo72Fe30 (структуры кеплерата) и Mo138 (тороидальной
структуры).
Цель
работы:
изучить
зависимость
кинетики
разложения
нанокластерных полиоксометаллатов со структурой букибола и тора –
перспективных материалов для адресной доставки лекарственных средств.
В связи с целью работы были определены следующие задачи:
1.
Изучение зависимости оптической плотности растворов от
концентрации полиоксометаллата.
2.
Изучение
зависимости
оптической
плотности
растворов
полиоксометаллатов от времени.
3.
Расчёт порядка реакции и константы скорости разложения
нанокластерных полиоксометаллатов в растворе.
456
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Определение
4.
зависимости
кинетики
разложения
нанокластерных полиоксометаллатов от их структуры в растворе.
Методом
спектрофотометрии
были
получены
временные
зависимости оптических плотностей растворов Mo72Fe30 и Mo138 с
известной
начальной
концентрацией.
Построены
соответствующие
графики (рис. 1, рис. 2).
Рис. 1. Временная зависимость концентрации Mo72Fe30 в растворе
457
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис.2. Временная зависимость Mo138 в растворе
Константа скорости реакции определялась, как угловой коэффициент
в уравнении прямой аппроксимирующей зависимость
построения
прямой
использовался
метод
. Для
наименьших
квадратов.
Расчётная формула:
Погрешность определения константы скорости рассчитывалась
согласно формуле:
где
; k – угловой коэффициент прямой; ti – время, b –
свободный член; n – количество измерений;
; tn – коэффициент
Стьюдента для n измерений [2].
Выводы
1.
В ходе работы было установлено, что зависимость оптической
плотности от концентрации для раствора ПОМ Mo72Fe30 (структуры
458
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
букибола) является прямо пропорциональной, что позволяет использовать
метод спектрофотометрии.
2.
Изучена зависимость оптической плотности растворов ПОМ
Mo72Fe30 и Mo138 от времени.
3.
Реакция разложения Mo72Fe30 во временном интервале 0 – 200
минут есть реакция первого порядка. Константа скорости данной реакции
равна
(при
P=0,95).
4.
Реакция разложения Mo138 во временном интервале 0 – 460
минут есть реакция первого порядка. Можно выделить два этапа: 0 – 40
минут и 40 – 460 минут. Константа скорости для первого равна
(при P=0,95). Для
второго
(при
P=0,95).
Литература
1.
Остроушко А.А., Данилова И.Г., Медведева С.Ю., Гетте И.Ф.,
Тонкушина М.О. Изучение безопасности молибденовых нанокластерных
полиоксометаллатов,
предназначенных
для
адресной
доставки
лекарственных веществ // Уральский медицинский журнал. 2010. №9(74).
С.114-117.
2.
измерений.
Краткие сведения по обработке результатов физических
-
Методические
указания
для
студентов
физического
факультета//Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2008. –
С.45-49.
459
25-26 сентября 2013, Саратов
МОСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.Н. Иванов
Научный руководитель: к.т.н., доцент А.Н. Яшнов
Сибирский государственный университет
путей сообщения, г. Новосибирск
Накопленный мировой опыт проектирования и строительства
закрепил
за
определенными
типами
конструкций
характерные
строительные материалы. Примерами этого могут послужить решетчатые
конструкции в виде ферм, где используется в основном сталь или дерево;
опоры, колонны и фундаментные блоки, где применяют, как правило,
бетон, железобетон или камень. Применение традиционных решений
осложняет внедрение в строительную отрасль новых конструкционных
материалов, по своим характеристикам не уступающим, а часто даже и
превосходящим
используемые
в
настоящее
время
строительные
материалы. К таким материалам относятся полимерные композиционные
материалы
(ПКМ),
представляющие
собой
тонкие
синтетические
армирующие волокна, связанные между собой полимерной матрицей.
Работы по изучению свойств и методов производства ПКМ начались
с 40-х годов XX века в США /1/. В настоящее время исследования
композитов ведутся во всех развитых странах мира, включая Россию. За
эти
долгие
годы
исследований
было
создано
множество
видов
композиционных материалов, подробная классификация которых по
основным показателям изложена Карпиносом Д. М. /2/.
Благодаря положительным качествам ПКМ в последние 2 – 3
десятилетия планомерно наращиваются объемы их применения в
460
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
строительной отрасли в качестве материала основных несущих элементов
конструкций. Повышенный интерес к этим материалам заключается в
следующих их достоинствах:
- высокая удельная прочность (в 4 – 5 раз выше, чем у строительной
стали);
- легкость формовки;
- высокая коррозионная стойкость;
- высокая устойчивость к усталостному износу;
- высокое удельное электрическое сопротивление, что делает их
мало восприимчивыми к воздействию и передаче электрического заряда.
Кроме того, элементы из ПКМ, изготавливаемые в заводских
условиях, могут быть смонтированы на строительной площадке за очень
короткое время без использования тяжелой грузоподъемной техники, что
значительно
снижает
стоимость
трудозатрат
и
продолжительность
строительства.
Наиболее перспективной областью применения ПКМ являются
ответственные инженерные сооружения, к материалам и конструкциям
которых предъявляются повышенные требования. К таковым сооружениям
можно отнести мосты. В настоящее время в мире насчитывается более 360
мостов, основные несущие элементы которых выполнены из ПКМ. Среди
них около 53 мостов с цельнокомпозитными пролетными строениями,
остальные же гибридные по материалу конструкции. Особенностью
гибридных конструкций является то, что для тех или иных несущих
элементов применяются различные материалы. Такие конструкции при
правильном их проектировании позволяют максимально учитывать
положительные качества материалов и сводить к минимуму их недостатки.
В гибридных конструкциях полимерные композиционные материалы
применяются в основном при изготовлении главных балок пролетных
строений, плит проезжей (прохожей) части и арматурных стержней. По
461
25-26 сентября 2013, Саратов
результатам опроса экспертов, представленного Томасом Келлером в своей
работе об использовании фиброармированных полимеров в мостовых
конструкциях /3/, ПКМ в гибридных конструкциях наиболее рационально
использовать в качестве внешних канатов и плит прохожей или проезжей
части.
Изучение существующих конструктивных решений пролетных
строений,
представленных
в
широкой
печати,
показало,
что
на
сегодняшний день нет ни одного моста с пролетным строением, где в
качестве материала основных несущих элементов использовался композит,
а в качестве плиты – железобетон. Чаще всего ПКМ применяют в качестве
материала несущих элементов ферм, однако анализ свойств композитов
показал, что их использование в конструктивных схемах характерных для
металлических ферм не вполне оправдано. Наиболее похожим материалом
по внутренней структуре к волокнистым композитам является древесина.
Предложенные в 20-х годах XIX века нью-йоркским архитектором Тауном
конструкции деревянных пролетных строений в виде многораскосных
решетчатых ферм, позволили применять небольшие доски в качестве
основных несущих элементов /4/. Устройство поверху таких ферм
железобетонной плиты, не только позволяет защищать композитные
фермы от вредного солнечного воздействия и осадков, но и значительно
увеличивает жесткость пролетного строения при их небольшой высоте.
На основании выполненных теоретических исследований была
разработана гибридная по материалу конструкция пролетного строения с
многораскосными фермами из стеклопластика марки СППС-240 и
уложенной поверху железобетонной плитой включенной в работу главных
ферм посредством жестких уголковых упоров /5/. Общий вид и основные
геометрические параметры приведены на рис. 1.
462
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Экспериментальные исследования работы гибридного по материалу
пролетного строения были выполнены автором в лаборатории «Мосты»
СГУПСа.
Рис. 1. Общий вид пролетного строения
В качестве статической испытательной нагрузки использовались
железобетонные блоки массой 650 кг, укладываемые поэтапно на
пролетное строение. Загружение проводилось в три этапа. На каждом этапе
на пролет укладывалось по 4 блока общим весом 2,6 тс. При достижении
полной нагрузки в виде 12 блоков конструкция была выдержана под ней в
течение 1 часа для стабилизации напряжений. Затем пролетное строения
было так же поэтапно разгружено. В качестве контролируемых параметров
были приняты местные деформации наиболее нагруженных элементов по
каждому конструктивному типу и общие вертикальные деформации
пролетного строения.
По
замеренным
относительным
продольным
деформациям
контролируемых элементов были вычислены нормальные напряжения,
продольные усилия и изгибающие моменты, действующие в них.
Результаты вычислений, осредненные по всем одноименным элементам и
точкам, представлены в таблице 1 в виде напряжений и конструктивных
коэффициентов, характеризующих отклонения фактических значений от
расчетных.
463
25-26 сентября 2013, Саратов
Полученные
результаты
показывают
хорошую
сходимость
фактических и расчетных данных, что свидетельствует о соответствии
принятых
расчетных
предпосылок
реальной
работе
конструкции.
Существенное отличие замеренных и расчетных величин отмечено в
опорных стойках, в которых точность измерения близка к измеряемым
величинам. Анализ результатов показал, что в большинстве элементов,
кроме нисходящих раскосов, деформации хорошо следуют линейной
зависимости от величины нагрузки с отклонениями в меньшую сторону от
их расчетных значений. В качестве примера, отражающего общий характер
работы элементов пролетного строения при изменении нагрузки, на рис. 2
представлены графики изменения внутренних усилий в восходящих
раскосах.
Результаты,
отличающиеся
от
расчетных
значений,
были
зафиксированы в нисходящих опорных раскосах. Здесь фактические
деформации на 25 % превысили расчетные значения. Что же касается
характера деформирования этих элементов, то он оказался достаточно
сложным и нелинейным. Это свидетельствует о влиянии друг на друга
плотно расположенных на опорном участке нисходящих раскосов, где
фактически отдельные элементы представляют собой сплошную стенку
благодаря
близко
расположенным
узлам
жесткого
соединения
с
восходящими раскосами.
Таблица 1
Напряжения и конструктивные коэффициенты в элементах
пролетного строения
Элементы
Напряжения, МПа
Конструктивный
факт
расчет
коэффициент
Нисходящие опорные раскосы
2.89
2.31
1,25
Восходящие опорные раскосы
-2.88
-3.01
0,96
Опорные стойки
-1.69
-2.86
0,59
464
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Нижний пояс
14.37
15.03
0,96
Верхний пояс
1.52
1.69
0,90
-1.97
-2.31
0,85
Плита прохожей части в середине
пролета
а) продольные силы
а) изгибающие моменты
Нагрузка т
Нагрузка т
-4,15 -4,32
7,8
3,63
7,8
-4,52
4,20
испытание
расчет
-1,20
2,6
-1,62
-1,51
-0,40
-0,33
расчет
2,38
5,2
-3,01
-2,93
2,6
0
испытание
-2,56
5,2
4,03
2,75
2,61
1,32
1,08
1,70
0
-0,68 0,06
N кН
M Н* м
Рис. 2. Графики изменения внутренних усилий в восходящих раскосах
Напряжения в плите так же показали весьма неплохую сходимость с
расчетом (рис. 3). Распределение напряжений по ширине плиты
показывает меньшее отклонение от расчета при больших величинах
напряжений в сечении плиты (рис. 4). Отклонение от расчета по правой
стороне плиты обусловлено, в основном, влиянием волосяных трещин по
контакту плиты и верхних поясов ферм, проявившихся в панели 10 – 11 в
большей степени.
В рамках испытаний пролетного строения были определены периоды
собственных колебаний конструкции в вертикальной и горизонтальной
плоскостях. Полученные результаты показали, что периоды первых форм
колебаний пролетного строения без нагрузки и под полной нагрузкой
находятся вне опасных диапазонов (0,45 до 0,60 сек — в вертикальной и от
0,9 до 1,2 сек — в горизонтальной плоскостях), не допустимых в
пешеходных мостах /6, п. 5.48/. При этом крутильных форм собственных
колебаний от воздействия вертикальной нагрузки испытанием не
выявлено.
465
25-26 сентября 2013, Саратов
Нагрузка
т
Напряжение, МПа
- 2,359
- 2,314
7,8
- 2,529
испытание
расчет
испытание
- 1,579
- 1,511
5,2
- 2,336
- 2,229
- 2,359
расчет
- 2,237
- 1,929
- 2,336
- 2,057
- 1,800
2,6
- 2,529
- 2,237
- 0,915
- 0,836
- 1,104
- 1,136
0
- 0,321
- 0,225
Напряжение,
МПа
Рис.3. График изменения напряжений
Рисунок 4 – График распределения
в плите в середине пролета по оси
напряжений по ширине плиты
пролетного строения
в середине пролета
при максимальной нагрузке
В целом по результатам выполненных работ было установлено, что
предложенная гибридная по материалу конструкция пролетного строения
имеет большие запасы прочности и жесткости, что предопределяет
высокий потенциал ее использования в мостостроении. Фактическая ее
работа хорошо согласуется с расчетными предпосылками, что позволяет
выполнять оптимизацию с целью более рационального использования
свойств применяемых материалов.
Литература
1. Композиционные материалы. Том 7. Анализ и проектирование
конструкций. Часть I. / Под ред. К. Чамиса. – М.: Машиностроение, 1978. –
300 с.
2. Карпинос Д. М. Композиционные материалы. Справочник. - Киев,
Наукова думка, 1985. - 588 с.
3. Thomas Keller. Use of Fibre Reinforced Polymers in Bridge
Construction. Structural Engineering Document 7. Switzerland. 2003. – 131pp.
466
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
4. Гаскин В.А, Иванов И.А. Деревянные мосты. Учебное пособие / Иркутск: ИрГУПС. 2005. - 172 с.
5. Патент на полезную модель «Пролетное строение моста с
многораскосными
фермами
из
композитных
материалов»
(автор
Б.В.Пыринов, патентообладатель ООО «Опора», приоритет от 29.04.11).
6. СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы». Актуализированная редакция
СНиП
2.05.03-84*.
/
ОАО
«ЦНИИС».
Утвержден
г.
28.12.2010
Минрегионом России. М.: ОАО ЦПП, 2011. – 340 с.
ЗНАЧЕНИЕ ИСТОРИИ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ
ПРИ ПОДГОТОВКЕ БИОМЕДИЦИНСКОГО ИНЖЕНЕРА
Е.А. Шачнева
Научный руководитель: д.м.н., профессор А.И. Сафронов
Пензенский государственный технологический университет, г. Пенза
История развития биомедицинской техники – это неизведанная
область человеческих знаний. На протяжении многих веков лекари сами
придумывали
различные
устройства
и
инструменты
для
совершенствования своей деятельности. В современных условиях мы
являемся свидетелями выделения среди инженерных специальностей
особого направления – биомедицинской инженерии, т.е. специальности,
при которой инженеру, помимо технических знаний, необходимы знания
из области биологии и медицины.
Актуальность знаний по истории развития технических средств для
биомедицинских целей не вызывает сомнений, однако академических
учебников по этой проблеме, крайне необходимых при подготовке
467
25-26 сентября 2013, Саратов
биомедицинского инженера, в России до сих пор не существует.
Многочисленные попытки создания учебных пособий по истории
медицинской техники (Калакутский Л.И., 2003; Олейник В.П., Кулиш
С.Н., 2004; Истомина Т.В., Сафронов А.И. и соавт., 2010 и ряд других
авторов) требуют выработки единого подхода к событиям в эволюции
биомедицинских технических средств, к тому, что биомедицинская
инженерия – это составная часть общетехнического развития общества, к
изучению роли отечественных исследователей в этой области.
Стремительное внедрение информационных технологий во все
сферы нашей жизни позволило воплотить в реальность те приборы и
инструменты, идеология которых была разработана ещё в XVII-XIX вв.
При этом в создании биомедицинской техники участвовали практически
все слои общества – врачи, химики, физики, математики, все инженерные
специалисты,
представители
различных
направлений
искусства,
общественные деятели. Создание учебника «История медицинской
техники» очевидно.
Помимо
основных
задач
создание
академического
учебника
позволит повысить уровень эрудиции студента, ибо без этого дальнейшее
развитие биомедицинской техники, вобравшей в себя практически все
технические направления, просто невозможно.
Целью работы является краткий обзор основополагающих событий в
истории
развития
биомедицинской
техники
для
формирования
направлений, которые могут войти в разделы учебника «История
медицинской техники».
В задачи исследования входило:
1.
Выявление связи эволюции медицинской техники с научно-
техническими достижениями общества.
2.
Выяснение
очередности
технических достижений.
468
использования
обществом
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
3.
Определение
перспективных
направлений
в
поисках
технических решений в биомедицинской технике.
4.
Значение изучения истории развития медицинской техники в
подготовке биомедицинского инженера.
Материал и методы исследования
В качестве материала для исследования послужили данные
многолетних исследований кафедры ИТММБС по истории развития
отдельных
направлений
биомедицинской
техники.
Проводился
сравнительный анализ имеющихся данных.
Результаты исследования
Основные
положения
медицины,
развитые
впоследствии
Гиппократом и его последователями, сформулировал древнеегипетский
ученый, строитель пирамид и обожествленный как знаменитый лекарь
Имхотеп (27 век до НЭ).
В 300 году до н.э. Гиппократ лечил закрытые переломы костей путем
внешней фиксации отломков (предшественник аппарата Г.А. Илизарова).
В 160 году Клавдий Гален использовал хирургические инструменты,
многие из которых применяются и современными хирургами. Он лечил
людей в т.ч. электричеством, пользуясь живыми электростанциями
обитателей морских глубин – рыб.
В 1665 году Роберт Гук известный английский естествоиспытатель,
который вошел также и в историю медицины, благодаря своим
многочисленным изобретениям, в частности, барометра, максимального
термометра. Гук внес важные усовершенствования в конструкцию
микроскопа и с его помощью осуществил ряд исследований, первым
увидел растительную клетку, выпустил книгу «Микрография». Проводил
эксперименты по искусственной вентиляции легких с помощью мехов на
животных.
469
25-26 сентября 2013, Саратов
В 1850 году Герман Гельмгольц, один из величайших ученых XIX
века, профессор физиологии в Гейдельберге. Впервые измерил скорость
распространения
возбуждения
по
двигательному
нерву,
изготовил
офтальмоскоп, Блестящий знаток высшей математики и теоретической
физики, он поставил эти науки на службу физиологии и добился
выдающихся результатов.
В 1875 году Василий Яковлевич Данилевский создал метод
регистрации биотоков мозга с помощью гальванометра при исследовании
активности обнаженного мозга животного.
В 1896 году Николай Сергеевич Коротков обнаружил звуковой
феномен, возникающий в артерии при ее окклюзии воздушной манжеткой.
Звуковые колебания (тоны) воспринимались фонендоскопом, наложенным
в проекции лучевой артерии ниже манжетки. Это открытие положило
начало самому простому и распространенному в медицинской практике
методу определения артериального давления, носящему имя Короткова.
Владимир Петрович Демихов в 1946 г. впервые в мире пересадил
второе донорское сердце в грудную полость в эксперименте, а в
дальнейшем разработал и апробировал в эксперименте на собаках около 40
схем пересадки сердца, в том числе и с долями легкого.
В
марте
2007-го
сотрудникам
лаборатории
нанороботов
Монреальского университета во главе с профессором Сильвианом
Мартелем впервые удалось по-настоящему прогуляться по артерии живого
существа. Управляемый ими прототип наноробота (железный шарик
диаметром в полтора миллиметра) со скоростью 10 сантиметров в секунду
прошелся по кровеносной системе свиньи в заданную точку.
Выводы
Исследование дает нам основание сделать следующие выводы:
1.
Развитие медицинской техники происходило в неразрывной
связи с научно-техническими достижениями общества.
470
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
2.
Любое
техническое
достижение
в
первую
очередь
использовалось обществом в военных целях, во вторую очередь – для
медицины, и только потом для других потребностей.
3.
При анализе большинства значительных технических открытий
выясняется, что биологические организмы используют этот феномен уже
много миллионов лет. Таким образом, изучение биологии может показать
самые перспективные направления в поисках технических решений.
4.
Подготовка биомедицинского инженера должна включать
изучение истории развития медицинской техники в качестве одного из
фундаментальных направлений специальности.
Литература
1.
Истомина Т.В., Сафронов А.И., Матюнин А.А. Исторические
аспекты развития биомедицинской техники: монография. – Пенза: Изд-во
Пенз. гос. технол. акад., 2010. – 260 с.
2.
Калакутский
Л.И. Биомедицинская техника. Хронология
событий: Учебное пособие / Самарский гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2003.
– 156 с.
3.
Олейник В.П., Кулиш С.Н. Аппаратные методы исследований
в биологии и медицине / В.П. Олейник, С.Н. Кулиш. – Учеб. пособие. –
Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2004. – 110 с.
471
25-26 сентября 2013, Саратов
МЯСО ПТИЦЫ В МЯСНОЙ ОТРАСЛИ:
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Е.А. Молибога, Ю.С. Савельева
Научный руководитель: к.т.н., доцент Е.А. Молибога
Омский государственный аграрный
университет имени П. А. Столыпина, г. Омск
В современном мире птицеводческая отрасль играет значительную
роль в обеспечении населения высококачественными продуктами питания
животного происхождения. Рациональная переработка птицы – одно из
направлений повышения рентабельности птицеводческой продукции.
Объективными
предпосылками
птицеперерабатывающей
отрасли
для
служат
развития
высокая
птицеводства
и
экономическая
эффективность и пищевая ценность мяса птицы. Мясо птицы – это
уникальный продукт, привлекающий производителей коротким периодом
производства, а потребителей – дешевизной и пищевой ценностью,
является одним из основных источников белка для организма человека, и
изделия из него имеют большое значение для здоровья. Белок мяса птицы
обладает высокой биологической и пищевой ценностью, максимально
расщепляется пищеварительными ферментами. Он полноценен по составу
аминокислот, а коэффициент усвоения белка организмом человека
превышает 90%. Высокая пищевая и биологическая ценность белков мяса
обусловлена практически полной перевариваемостью их ферментами
желудочно-кишечного тракта, значительным содержанием и оптимальным
соотношением незаменимых аминокислот. Именно поэтому мясо и мясные
продукты как один из основных источников белка имеют большое
значение в питании человека. Конечно, его потребности удовлетворяются
472
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
не только мясом и мясными продуктами, причем многие потребители
полагают, что разнообразная пища более полезна, чем сбалансированная
по основным питательным веществам. По пищевой ценности мясо птицы
практически не отличается от мяса сельскохозяйственных животных –
говядины, свинины, баранины, так что все эти виды мяса являются вполне
взаимозаменяемыми продуктами питания человека. С экономической
точки зрения, мясо птицы, напротив, гораздо предпочтительнее. Как
показывает опыт промышленного производства, применяя определенные
технологические приемы, из куриного мяса можно вырабатывать продукты
с отличными вкусовыми качествами. Такие продукты из мяса птицы, как
ветчины, рулеты, копченые и копчено-запеченные изделия, вареные и
полукопченые колбасы и другие продукты по вкусовым качествам не хуже
аналогичных изделий из говядины, свинины или баранины, а некоторыми
потребителями оцениваются выше.
Оно
не
имеет
этнических
и
религиозных
ограничений
и
потребляется всеми социальными слоями населения и представителями
всех религиозных конфессий.
Потребление мяса птицы имеет стабильную тенденцию к росту.
Регулярно включают в свой рацион мясо птицы 94% россиян. Поэтому
мясоперерабатывающие предприятия увеличивают выпуск продукции из
мяса птицы.[2]
Мясо
птицы
является
диетическим
продуктом
животного
происхождения, содержащим холестерина в 2 раза меньше, чем свинина, и
в 2,7 раза меньше, чем говядина. По витаминному составу оно значительно
превышает и говядину, и свинину. Мясо птицы и продукты его
переработки занимают все более твердые позиции в питании населения
страны. И эта позитивная тенденция свидетельствует о том, что люди
становятся все более информированными в области здорового питания.
Мясо и мясные продукты в рационе человека являются основным
473
25-26 сентября 2013, Саратов
поставщиком пластического материала, который необходим организму для
образования и обновления структурных частей клеток и тканей, для
поддержания и устойчивости физиологических функций. [1]
Одна из основных задач для разработчиков новых видов мясных
изделий – создание продуктов, обладающих комплексом заданных
полезных свойств и имеющих высокие потребительские качества.
Использование растительного сырья при производстве мясопродуктов
позволяет не только обогатить их биологически активными веществами, но
и
нормализовать
кислотность
в
организме
человека,
повысить
усвояемость, способствует повышению сопротивляемости людей вредному
воздействию окружающей среды. Введение в рецептуру различных
овощей, круп, растительных белков, а также соответствующих пищевых
добавок позволяет выпускать продукты с высокими потребительскими
качествами.
Разработка продуктов нового поколения, продуктов здорового и
функционального питания связана со стремительным развитием индустрии
пищевых
ингредиентов
и,
прежде
всего,
с
появлением
новых
технологических возможностей, основанных на достижениях науки и
техники,
которые
применяются
в
пищевой
и
перерабатывающей
промышленностях.
В связи с развитием пищевой промышленности в России появилась
необходимость в разработке и внедрении в производство пищевых
ингредиентов, современные высокотехнологичные добавки и ингредиенты
приобретают все большее значение. В последнее время большое внимание
уделяется внедрению в производство пищевых добавок высокого качества,
которые позволяют увеличить объем, расширить ассортимент и повысить
качество выпускаемой продукции. В условиях, когда особенно важно
сохранить достигнутый в последние годы уровень потребления продуктов
питания, роль пищевых ингредиентов возрастает, с их помощью можно
474
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
добиться более глубокой переработки и бережного использования
сельхозсырья, усовершенствовать технологический процесс, снизить
издержки производства, оптимизировать стоимость продукции.
Характерной
особенностью
современных
пищевых
продуктов
является сложность их рецептурных составов. Наличие в составе продукта
большого количества пищевых ингредиентов различной химической
природы, проявление свойств и взаимодействий которых в ходе
технологического процесса обеспечивает получение пищевого продукта
определенной
пищевой
потребительских
ценности
характеристик.
с
заданной
Специалисты
совокупностью
пищевой
и
перерабатывающей промышленностей надеются с помощью пищевых
микроингредиентов обеспечить потребности населения в энергетически
полноценных,
физиологически
функциональных,
сбалансированных,
оптимальных по цене продуктах питания. [3]
В связи с вышеизложенным, можно сделать вывод, что рост
потребления
мяса
птицы
достаточно
очевиден,
поэтому
перед
мясоперерабатывающими предприятиями встает задача по увеличению
объемов производства такой продукции из мяса птицы и созданию новых –
как традиционных, так и нетрадиционных, с разнообразием свойств и
вкусов, которые достигаются за счет гармонично подобранных смесей
натуральных
пряностей,
ароматических
добавок,
функциональных
ингредиентов, отвечающих запросам потребителей с различным уровнем
дохода.
В связи свыше описанной ситуаций на факультете пищевых
технологий ведется разработка и внедрение продукции из мяса птицы с
применением растительных ингредиентов, а именно розмарина и
кориандра, а так же применение пропионовокислых микроорганизмов, что
позволит улучшить технологические характеристики сырья и вкусовые
качества. Так как применяемые растительные ингредиенты обладают
475
25-26 сентября 2013, Саратов
антиоксидантами, процесс порчи в готовом продукте замедляется, что
способствует отказу от химических ингредиентов. В совокупности
вводимые ингредиенты положительно влияют на организм: замедляют
процесс старения кожи, укрепляют иммунную систему организма,
улучшают микрофлору желудочно-кишечного тракта.
Литература
Крылова, Н. П., Лясковская Ю. Н. Биохимия мяса. М.: Пи-
1.
щепромиздат, 2008.
Алеханова, Е.В. Российский рынок мяса птицы // Мясная
2.
индустрия. - 2002.-№11.
Апраксина, С.К. Новое в науке о мясе // С.К. Апраксина-М.:
3.
Агрониитэимясомолпром, 2007.
Гуслянников,
4.
В.В.
и
др.
Технология
мяса
птицы
и
яйцепродуктов. - М.: Пищевая промышленность, 2009.
ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ И МРС
В ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ
М.П. Мезенцева, А.С. Власова
Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент П.А. Ряполов
Юго-Западный государственный университет, г. Курск
Травматология и ортопедия – раздел медицины, которая занимается
профилактикой заболеваний и диагностикой лечения травм скелетномышечной системы – заболевания костей, суставов, мышц, связок,
сухожилий.
476
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Правильная и быстрая диагностика - залог успешного лечения.
Ориентировочный диагноз определяют по сведениям, которые сообщают
на месте происшествия очевидцы при вызове «скорой помощи» [1].
Опорно-двигательный аппарат человека – это сложная система,
состоящая из костей, связок, сухожилий, мышц и нервов. Благодаря этой
системе мы можем двигаться, работать и жить активной жизнью.
Ортопедия занимается лечением детей с деформирующими заболеваниями
позвоночника (кифоз, сколиоз), спортсменов с показаниями к артроскопии,
пожилыми людьми с артритами. Хирурги ортопеды занимаются лечением
многих заболеваний – спортивные травмы, туннельные синдромы,
заболевания суставов.
Эта
область
патологических
медицины
состояний.
охватывает
Ортопеды
большое
лечат
огромное
разнообразие
количество
заболеваний и состояний, включая переломы и вывихи, разрывы связок,
растяжения связок, повреждения сухожилий, растяжения мышц, бурситы,
травмы колена, артриты, костные наросты, косолапость и изменения
длины ног, деформация стоп, нарушения роста.
В начале 60-х годов прошлого века изобретение магнитных
жидкостей было связано с выполнением космических программ НАСА и
поэтому применение магнитных жидкостей сразу же нашли применение в
космической и вакуумной технике.
Одним из наиболее значительных достижений нанотехнологий стал
синтез магнитных жидкостей [2].
Встречающиеся
взаимодействуют
в
слабо.
природе
жидкости
Тем
менее,
не
с
магнитным
возможность
полем
управления
жидкостью при помощи магнитного поля привлекательна для решения
различных технических задач. Для этого были созданы искусственные
сильномагнитные жидкие среды – магнитные жидкости, представляющие
собой коллоидные растворы высокодисперсных ферромагнетиков в
477
25-26 сентября 2013, Саратов
жидкостях-носителях, таких как вода, жидкие углеводороды, кремний- и
фторорганические жидкости [3]. Это удивительные жидкости, поверхность
которых зависит от магнитного поля и образует в нем что-то вроде ежа
(рис. 1) [5].
Рис. 1. Магнитные жидкости под влиянием различных магнитных полей
Магнитные жидкости уникальны тем, что имеют несколько
взаимоисключающих свойств:
1.
текучесть;
2.
сжимаемость жидкой среды;
3.
способность сильно взаимодействовать с магнитным полем.
Обычные магнитные жидкости представляют собой коллоидный
раствор (суспензию или золь) магнитных частиц в жидкой среде, при этом
часто
такие
частицы
стабилизируют
поверхностно
–
активными
веществами (ПАВ) [4].
Магнитные
жидкости
–
это
уникальный
технологический
искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и
магнитоуправляемыми
свойствами
с
широкими
применения в технике, медицине, биологии, экологии [2].
478
перспективами
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Магнитные жидкости (МЖ) не относятся к материалам массового
спроса. Как правило, их производят небольшими партиями и используют в
высокотехнологичных устройствах и приборах: системах герметизации
ввода вращающихся валов, антифрикционных узлах и демпферах, в
ультразвуковой дефектоскопии и высококачественных громкоговорителях,
магнитных
сепараторах
высокочувствительных
редких
элементов,
измерителях
датчиках
наклона
и
ускорений, микроманометрах
и
исполнительных механизмах роботов.
В последнее время медики все чаще обращаются к использованию
магнитных частиц для выполнения различных задач, возникающих в
процессе лечения. Перспективность такой практики объясняется тем, что
магнитными
частицами
можно
управлять
с
помощью
внешнего
магнитного поля, при этом не требуется проникновение в больной орган
[5].
В настоящее время многие организации используют результаты
НИОКР (например, нанотехнологий) или же выпускают продукцию
высокой степени переработки. Это особенно важно для таких отраслей, как
протезно-ортопедическая, имеющую не только большую экономическую,
но и, в первую очередь, социальную нагрузку. Развитие научного
потенциала на ПрОП и их связь с научными и проектными учреждениями
– основа перманентного совершенствования качества продукции, развития
и
процветания
предприятий,
снижения
себестоимости
продукции,
экономии государственных средств и помощи в реабилитации инвалидов
(и всех нуждающихся в протезно-ортопедической помощи, тем более, что
заболевания «молодеют» и прогрессируют).
479
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис.2. Протез с магнитожидкостным амортизатором
Магнитная жидкость применяется для заживления язв и стойких
свищей, помогает сохранить зрение, используется для транспортировки
лекарственных сред к больному органу (в качестве «курьера»), активно
исследуется
метод
«магнитожидкостной
гипертермии»,
некоторые
исследования показывают, что магнитные наночастицы разрушают
раковые клетки [2].
В ортопедии и травматологии с технической точки зрения магнитные
коллоиды могут быть применены для смазки шарнирных соединений и
создания различных демпферов. Так, амортизаторы находят все большее
применение при протезировании нижних конечностей, потому что они
480
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
обеспечивают демпфирование ударных волн. С давних пор хорошо себя
показали торсионные адаптеры, чьё упругое поворотное движение
относительно поворотной оси протеза улучшает процесс движения и
снижает усилие среза [6].
В
США
уже
разрабатываются
протезы
с
использованием
магнитожидкостных (магнитореологических) амортизаторов (рис. 2) [6].
В данных устройствах жесткость демпфера может изменяться в
зависимости от напряженности и направления магнитного поля. В России
также ведутся исследования в данном направлении.
Литература
1.
Глущенко
Н.Н.,
И.П.,
Арсентьева
Ольховская
Байтукалов
И.П.,
Т.А.,
Богословская
Фолманис
Г.Э.
О.А.,
Дисперсные
наносистемы – основа ранозаживляющих лекарственных сред / Сб. науч.
трудов Всероссийской научной конференции «Физико-химические и
прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем», Ставрополь,
2007. С. 237–241.
2.
Молодой
ученый
[Электронный
ресурс]
URL:
http://www.moluch.ru/archive/41/4983/.
3.
Фертман В.Е. Магнитные жидкости – естественная конвекция
и теплообмен. Минск: Наука и техника, 1978. 206 с.
4.
Нанометр
[Электронный
ресурс]
URL:
http://www.nanometer.ru/2010/11/01/internet_olimpiada_220308.html
5.
Недер М., Недер Г.Г. Протезы. Краткий учебный курс.
Протезы нижних конечностей. / Под ред. Ф. Бломке. 2000.
6.
[Электронный ресурс] URL: www.rheonetic.com
481
25-26 сентября 2013, Саратов
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РАЗЛОЖЕНИЯ РАСТВОРА
НАНОКЛАСТЕРА {MО132}
Е.А. Иванова
Научный руководитель: д.б.н. И.Г. Данилова
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н.Ельцина, г. Екатеринбург
Использовании нанотехнологий и наноматериалов является одним из
самых перспективных направлений науки и техники в XXI веке.
Уникальные свойства наноматериалов и их биологическая активность
могут быть использованы и уже находят применение в самых различных
областях современного здравоохранения.
Перспективной для использования в качестве наноконтейнеров
является группа неорганических нанообъектов, объединяемых названием
полиоксометаллаты (ПОМ) со структурой кеплератов (букиболов или
фуллеренов). ПОМ проявляют следующие благоприятные свойства:
растворимость в воде, способность обратимо поглощать различные
органические соединения, образовывать комплексы, способность к
разложению в течение определенного времени и движению под действием
слабых электрических полей.
Следует учесть, что основной металлический компонент молибден
является необходимым микроэлементом, входящим, в частности, в состав
витаминно-минеральных комплексов. Вышеназванные качества ПОМ
указывают на их перспективность как материалов с потенциально
полезными для биомедицинского назначения характеристиками [1].
482
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
В связи с этим, чрезвычайно актуальным является изучение физикохимических свойств, возможности соединения (прикрепления, введения) в
полость или на поверхность ПОМ лекарственных веществ.
Цель
данной
работы
являлось
создание
алгоритма
расчета
концентраций раствора нанокластера {Mo132} при хранении, пригодных
для введения в организм методом электрофореза.
Для проведения исследований кинетики разложения растворов
нанокластера
{Mo132}
концентрации
методом
были
приготовлены
точной
навески.
растворы
различной
Оптическую
плотность
исследуемых растворов измеряли на спектрофотометре Helios-α. При
определении оптической плотности использовали кварцевые кюветы с
толщиной поглощающего слоя 1,00 см. Скорость сканирования была
переменной и определялась самим прибором.
Характеристический
пик
в
спектре
поглощения
раствора
нанокластера {Mo132}находится на длине волны 450 нм.
Была построена калибровочная прямая зависимости оптической
плотности
характеристического
пика
нанокластера
{Mo132}
от
концентрации раствора. Оптическая плотность линейно зависит от
концентрации раствора, что означает выполнение закона Бугера-ЛамбертаБера.
На
втором
этапе
зависимости
концентрации
проводились
через
экспериментов
каждые
растворов
20
минут
от
проведено
исследование
времени.
Исследования
после
растворения
их
в
дистиллированной воде.
Установлено, что разложение раствора нанокластера
{Мо132} в
растворе соответствует реакции нулевого порядка. Скорость реакции
нулевого порядка постоянна во времени и не зависит от концентраций
реагирующих веществ.
483
25-26 сентября 2013, Саратов
Константа
скорости
реакции
была
определена
по
угловому
коэффициенту аппроксимирующей прямой для зависимости концентрации
раствора от времени (методом наименьших квадратов):
В ходе работы был создан алгоритма расчета концентраций раствора
нанокластера {Mo132}при хранении:
1.
Перед введением раствора в организм требуется определить
концентрацию раствора нанаокластера {Mo132} (С, mol/L), пригодного для
введения в организм. Она должна быть физиологична и нетоксична.
2.
Затем
требуется
определить
время
t,
требуемое
на
приготовление раствора нанокластера {Mo132} и хранение перед введением
методом электрофореза.
3.
Порядок и константа скорости (k, min-1·mol/L) реакции
разложения нанокластера {Mo132}в растворе определены.
4.
Далее,
можно
определить
концентрацию
раствора
нанокластера {Mo132} при хранении по формуле:
Проведенные исследования позволяют на основе дозы необходимой
для введения методом электрофореза в зависимости от времени хранения
раствора рассчитать исходную концентрацию раствора нанокластера
{Mo132}.
Литература
1. Остроушко А.А., Тонкушина М.О. Изучение воздействия на живой
организм нанокластерных полиоксометаллатов со структурой фуллеренов.
–С., 2010. -27 с.
484
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ
БИОАКТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ
ДЛЯ БИОИНЖЕНЕРИИ КОСТНОЙ ТКАНИ
А.И. Мальчихина, Н.Н. Богомолова
Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент С.И. Твердохлебов
Национальный исследовательский Томский
политехнический университет, г. Томск
Имплантаты
для
остеосинтеза
в
процессе
установки
и
функционирования испытывают различные механические нагрузки и
деформации,
вызывает
например,
их
при
неизбежное
интрамедуллярном
изнашивание.
армировании,
Поэтому
что
исследования
механической прочности покрытий для имплантатов и поиск оптимальных
технологий их формирования являются актуальной задачей. Покрытия к
тому же должны предотвращать выход легирующих компонентов из
имплантата
и
одновременно
увеличивать
их
остеоинтеграцию.
Объединение и интеграция различных технологий позволяет получать
иерархические,
гибридные
покрытия,
удовлетворяющие
комплексу
физико-химических и биологических свойств.
Эффективным способом формирования на различных металлах и
сплавах
биоинертных
легирующих
оксидных
компонентов,
является
покрытий,
снижающих
термическое
выход
оксидирование
в
реактивных газовых средах [1-3]. Одним из эффективных способов
увеличения
остеоинтеграции
является
нанесение
на
поверхность
имплантатов биоактивных кальций-фосфатных (КФ) покрытий различного
состава.
Перспективным
методом
485
формирования
беспористых,
25-26 сентября 2013, Саратов
высокоадгезионных, остеоинтеграционных КФ покрытий на имплантатах
является метод высокочастотного магнетронного распыления (ВЧМР) [4].
Гибридная технология, предполагающая формирование многослойного
покрытия, состоящего из оксидного слоя и КФ покрытия, обеспечивает
выполнение медико-технических требований, предъявляемых к покрытиям
на имплантатах для остеосинтеза.
Экспериментальная часть
В
Томском
промышленная
политехническом
установка,
университете
реализующая
создана
гибридную
опытно-
технологию
и
позволяющая получать многослойные биоактивные КФ покрытия на
имплантатах с линейными размерами до 400 мм.
Термическое оксидирование металлических образцов и имплантатов
проводили
в
атмосфере
чистого
кислорода
с
предварительным
вакуумированием рабочего объема камеры. Параметры оксидирования:
температура 600 °С, время выдержки 30 минут, предварительный вакуум
5 ÷ 10 Па, давление кислорода во время отжига 2700 ÷ 3300 Па. После
оксидирования
в камере вакуумной печи металлические образцы
охлаждали до температуры ниже 40 °С, при этом остаточное давление в
камере в процессе охлаждения поддерживали на уровне 5 ÷ 10 Па. В
экспериментах
оксидировали
плоские
образцы
10×10×1
мм3,
изготовленные из титана марки ВТ1-0 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т.
Толщину оксидной пленки измеряли на установке «CALOTEST», для
нержавеющей стали и титана она была 0,15±0,02 мкм и 0,35±0,02 мкм,
соответственно.
Для напыления тонких КФ покрытий использовали мишень из
синтетического
гидроксиапатита
(ГАП).
Питание
магнетрона
осуществлялось от ВЧ генератора с максимальной мощностью 4 кВт и
рабочей частотой 13,56 МГц. Предварительный вакуум перед напылением
создавали
5·10-4
Па.
Расстояние
486
между
мишенью
и
образцами,
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
расположенными на подложкодержателе, было 50 мм. В качестве рабочего
газа при распылении мишени использовали аргон, кислород при давлении
0,3 Па, а также смесь аргона и кислорода в пропорции 1:1 при суммарном
давлении 0,3 Па. В процессе напыления КФ покрытий удельная ВЧ
мощность на мишени составляла 20 Вт/см2. Напыление КФ покрытий
осуществляли на плоские образцы из титана ВТ1-0, нержавеющей стали
12Х18Н10Т.
Износостойкость
КФ
покрытий
исследовали
методом
трибологических испытаний на универсальной машине трения УМТ-1 по
схеме «палец-диск» в условиях сухого трения. В качестве контртела при
испытаниях
на
износ
использовали
шарики
диаметром
3
мм,
изготовленные из закаленной стали ШХ15. Испытания проводили в
следующем режиме: нагрузка 1,15 Н, скорость вращения 0,57 м/с. Общая
продолжительность нагружения составляла 5000 секунд. Для анализа
покрытий
до
и
после
трения
использовали
методы
оптической
микроскопии. Для оценки степени износа покрытий определяли ширину
дорожек трения на их поверхности.
Результаты и обсуждение
Экспериментальные исследования показали, что при температуре от
500 °С до 600 °С в течение 30÷60 минут на всех типах металлических
имплантатов
образуется
сплошное
оксидное
покрытие
без
макроскопических дефектов и трещин толщиной более 0,05 мкм, что
обеспечивает изоляцию металла от окружающей среды [5, 6].
Исследованные режимы и скорость напыления КФ покрытий
приведены в таблице 1.
Скорость напыления КФ покрытий зависит от состава газовой
атмосферы: наибольшая скорость при рабочем газе аргоне, наименьшая –
кислороде. Это обстоятельство объясняется тем, что молекулярный вес
ионов аргона, больше молекулярного веса ионов кислорода, за счет этого,
487
25-26 сентября 2013, Саратов
ионы аргона передают большую кинетическую энергию атомам мишени
при столкновении и способны выбивать из мишени большее количество
атомов за один процесс столкновения. Уменьшение скорости роста КФ
покрытия в атмосфере кислорода отмечали также авторы работ [7, 8].
Таблица
Режимы напыления КФ покрытий методом ВЧМР
Рабочий
Общие параметры напыления
газ
Рабочее
Средняя
давление,
скорость роста,
Па
мкм/час
- частота генератора 13,56 МГц;
Ar
0,3
0,37
- предварительное давление в камере 5×10-5
Ar+O2
0,3
0,30
O2
0,3
0,26
Па (безмасляная откачка);
- удельная ВЧ мощность на мишени ~ 20
Вт/см2;
- без предварительного нагрева образцов и
изделий.
Износ покрытий зависит от их физико-химических характеристик,
материала
основы
и
предварительной
модификации
поверхности
материалов перед напылением. Вместе с тем, в литературе недостаточно
сведений об износостойкости КФ покрытий на поверхности имплантатов,
хотя они представляют безусловный интерес для практической хирургии.
Результаты исследования влияния технологии формирования ВЧ
магнетронных КФ покрытий на характер и интенсивность износа
представлены на рис. 1 и 2.
На рис. 1 показана зависимость величины износа КФ покрытий от
времени нагружения для различных режимов напыления. Из рис. 1а видно,
что ширина дорожки износа на стадии приработки (от 0 до 1000 сек) для
КФ покрытий, сформированных на титане без оксидного слоя, одна и та же
для различных режимов напыления и составляет около 1000 мкм. Для
покрытий, сформированных в различных режимах на титане с оксидным
488
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
слоем, ширина дорожки износа разная: в атмосфере Ar и Аr + O2 ~ 800
мкм, в атмосфере O2 ~ 1000 мкм (рис. 1б).
Анализируя рис. 2 можно отметить, что ширина дорожки износа на
стадии приработки (от 0 до 1000 сек) разная для КФ покрытий,
сформированных на нержавеющей стали: без оксидного слоя в атмосфере
O2 ~ 650 мкм, без оксидного слоя в атмосфере Ar ~ 400 мкм, без оксидного
слоя в атмосфере смеси газов Ar + O2 ~ 250 мкм, с оксидным слоем в
атмосфере O2 ~ 450 мкм (рис. 2б).
На трибологические свойства покрытий существенное влияние
оказывает материал подложки. Износ на стадии приработки для КФ
покрытий, сформированных в атмосфере Ar и в атмосфере смеси газов Ar
а)
1400
O2
1200
Ar
Ar+O 2
1000
800
600
400
200
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Время нагружения, сек
Ширина дорожки износа d, мкм
Ширина дорожки износа d, мкм
+ O2 на нержавеющей стали с оксидным слоем, не наблюдался.
б)
1400
O2
1200
Ar
Ar+O2
1000
800
600
400
200
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Время нагружения, сек
Рис.1. Зависимость величины износа КФ покрытий толщиной 1,6 мкм,
сформированных на титане ВТ1-0 без оксидного слоя (а) и на титане с оксидным слоем
толщиной 0,35 мкм (б), от времени нагружения для различных режимов напыления
489
25-26 сентября 2013, Саратов
1400
б)
Ширина дорожки износа d, мкм
Ширина дорожки износа d, мкм
а)
O2
1200
Ar
Ar+O2
1000
800
600
400
200
0
0
500
1000
1500
2000
2500
время нагружения, сек
1400
O2
1200
Ar
Ar+O2
1000
800
600
400
200
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Время нагружения, сек
Рис. 2. Зависимость величины износа КФ покрытий толщиной 1,6 мкм,
сформированных на нержавеющей стали 12Х18Н10Т без оксидного слоя (а) и на стали
с оксидным слоем толщиной 0,15 мкм (б), от времени нагружения для различных
режимов напыления
Из рис. 2б видно, что минимальная кривая износа присуща КФ
покрытиям, сформированным в смеси Ar+O2 на нержавеющей стали с
оксидным слоем, причем на стадии приработки износ не наблюдался.
Следовательно, такие покрытия обладают наилучшими трибологическими
свойствами. Важно отметить, что для всех режимов нанесения после
проведения трибологических испытаний методом «палец-диск» по краям
дорожки трения не наблюдались трещины и сколы, что косвенно
свидетельствует о высокой трещиноустойчивости КФ покрытий.
Выводы
Многослойное покрытие, имеющее оптимальные трибологические
свойства, состоит из оксидного подслоя, сформированного методом
газотермического оксидирования в указанных режимах, и кальцийфосфатного слоя толщиной 1,6 мкм, сформированного ВЧ магнетронным
напылением на частоте 13,56 МГц в смеси газов аргона и кислорода с
соотношением 1:1 при давлении 0,3 Па, удельной мощности на ГАП
мишени 20 Вт/см2.
490
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Литература
1. Родионов И.В., Бутовский К.Г., Бейдик О.В. Парооксидные
биопокрытия стержневых фиксаторов при чрескостном остеосинтезе /
Сб. статей общероссийской с международным участием научн. конф.
«Полифункциональные химические материалы и технологии». - 2007. С. 238-241.
2. Родионов И.В., Бутовский К.Г., Ткачева А.В., Бейдик О.В.
Металлооксидные биопокрытия фиксаторов для костного остеосинтеза //
Инженерная физика. №4 - 2007. - С. 58-61.
3.
Родионов
И.В.
Технология
получения
термооксидных
биосовместимых покрытий дентальных имплантатов в аргонокислородной
газовой смеси / Сб. материалов ХIII Российской науч.-техн. конф. с
междунар. участием «Материалы и упрочняющие технологии – 2006».
Курск. Изд-во Курск. гос. техн. ун-та, 2006, Ч.2. С. 155-160.
4.
Твердохлебов
С.И.,
Шестериков
Е.В.,
Мальчихина
А.И.
Особенности формирования кальций-фосфатных покрытий методом вчмагнетронного
напыления
на
имплантатах
//
Известия
томского
политехнического университета. №2. – том 320. – 2012. – с. 73-79.
5. Петровская Т.С., Шахов В.П., Верещагин В.И., Игнатов В.П. //
Биоматериалы и имплантаты для травматологии и ортопедии: монография
– Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011 г., стр. 61.
6. Курзина И.А., Шаркеев Ю.П., Ерошенко И.А., Козлов Э.В. //
Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы. – 2010.
– № 6.
7. Prabakaran K., Balamurugan A. and Rajeswari S. // Bull. Mater. Sci. –
2005. – V. 28. – N. 2. – P. 115–119.
8. Ozeki K., Yuhta T., Aoki H., Nishimura I., Fukui Y. // Bio-Med. Mat.
Eng. – 2000. –V. 10 – P. 221-227.
491
25-26 сентября 2013, Саратов
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА
СФОРМИРОВАННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ
С.В. Телегин, В.Н. Лясников
Научный руководитель: д.т.н., профессор В.Н. Лясников
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
К работе исследовали теплофизическое воздействие импульсной
лазерной обработки (ИЛО) на материал основы, которое приводит к
изменению микроструктуры в частности увеличению площади удельной
поверхности, за счет получения требуемых показателей шероховатости и
пористости покрытий.
Образцами для исследования служили пластины 6×6×1 мм3,
изготовленные из титана ВТ1-00. Образцы шлифовали и промывали в
этиловом спирте. Далее их обрабатывали ИЛО на полуавтоматической
установке «LRS-50» до момента образования оксида титана.
Исследование морфологии поверхности образцов осуществляли
методами оптической микроскопии (металлографические микроскопы
«МИМ-8М» и «МБС-10»), а так же проводили анализ изображений
микроструктуры с помощью комплекса АГПМ-6М.
Сравнительный анализ влияния ИЛО показал, что на структуру
поверхностного слоя и количество элементов на поверхности (выступы)
существенное влияние оказывают длительность и частота следования
импульсов (рис. 1-2).
492
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 1. Образец № 4 подвергнут ИЛО (увеличение 850 крат, поле зрения 280),
Режим: U=400 В, t=3,3 мс, Т=1 Гц, N=5
При длительности импульсов t=8 мс поверхностный слой обладает
большим количеством выступов со средним 0,51 и равномерностью
распределения
пор
по
поверхности
(рис.
1,
в),
что
оказывает
непосредственное влияние на качество процессов остеоинтеграции.
Рис. 2. Образец № 7 подвергнут ИЛО (увеличение 850 крат, поле зрения 280),
Режим: U=400 B, t=8 мс, Т=1 Гц, N=2
При
анализе
изображений
оптической
микроскопии
было
установлено изменение количества элементов на поверхности от 95
(образец №7, U=400 В, t=8 мс, Т=1 Гц) до 908 (образец №4, U=400 B, t=3,3
мс, Т=1 Гц). Среднее значение по всем образцам составляет 564.
Поверхность образца №4 (рис. 1) имеет максимальное значение количества
элементов на поверхности, при этом основные параметры шероховатости
493
25-26 сентября 2013, Саратов
равны Ra=0,09 мкм, Rz=0,69 мкм, Rmax=20,4 мкм и Sm=61 мкм. В этом
случае поверхность состоит из более мелких частиц.
Анализ углублений на поверхности образцов. Сравнительный анализ
углублений, как составляющей морфологии поверхности, проводился с
помощью комплекса АГПМ-6М. Результаты анализа показали, что среднее
значение
процентного
соотношения
количества
углублений
на
поверхности модифицированных образцов находится в диапазоне от 51 до
63 % (таблица 1), что по литературным данным хорошо коррелирует с
аналогичными характеристиками костной ткани.
Таблица 1
№ образца
Количество углублений, %
1
51
2
38
10
63
13
61
Исследование морфологии модифицированных ИЛО покрытий
показало зависимость морфологической гетерогенности образцов от
режимов технологического процесса обработки. Изменение параметров
технологического процесса модификации (например напряжения накачки
лампы, длительностью и частотой следования импульсов) позволяет
регулировать тепловое воздействие влияющее на формирование субмикрои нанометровые показатели биокерамической пленки покрытия. В этой
связи существует возможность изменять морфологию поверхности в
требуемом диапазоне.
494
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ОСТЕОГЕННОГО
ПОТЕНЦИАЛА НАНОСТРУКТУРНЫХ ВЧ-МАГНЕТРОННЫХ
ПЛЕНОК
А.А. Шаронова, А.А. Иванова, М.А. Сурменева, Т.М. Мухаметкалиев
Научный руководитель: с.н.с., доцент Р.А. Сурменев
Национальный исследовательский Томский политехнический
университет, г. Томск
В современной соматологии и травматологии в силу широкого
распространения среди людей заболеваний зубов и челюстных костей, а
так же травм ведущих к повреждению костно-мышечного аппарата
большое внимание уделяется разработке новых методов лечения с
применением новых материалов на поверхности имплантатов. Как
известно сразу после имплантации взаимодействие между поверхностью
имплантата и окружающей тканью оказывает существенное влияние на
степень его принятия организмом, помимо конструкции и материала
имплантата на его остеоинтеграцию влияет структура и свойства
функционального покрытия [1, 2]. Интерес к материалам, содержащим
серебро, возник вновь в связи с выявленным его действием в организме
как микроэлемента, необходимого для нормального функционирования
органов
и
систем,
противовирусными
а
также
свойствами.
мощными
Стоит
антибактериальными
обратить
внимание,
и
что
биологическая активность и токсичность сильно зависят от концентрации
серебра в материале. С целью создания оптимального по физическим,
химическим, биологическим и структурным параметрам функционального
покрытия имплантата, в области медицинского материаловедения стоит
495
25-26 сентября 2013, Саратов
задача разработки новых материалов и технологий их производства,
предклинические и клинические испытания.
Перспективным
методом,
для
формирования
биосовместимых
кальций-фосфатных (КФ) покрытий, является: метод высокочастотного
магнетронного
распыления
(ВЧ-распыления)
позволяет
получать
функциональные покрытия различного состава, обладающие высокой
адгезионной прочностью к подложкам из различных материалов [3 – 5].
В данной работе изучены структурные свойства серебросодержащих
КФ (Ag-ГА) покрытий, сформированных методом ВЧ-магнетронного
распыления при различной геометрии расположения образцов в процессе
напыления. Поскольку известно, что структура покрытия имеет большое
влияние на скорость биодеградации. Исследовано влияния рельефа Ag-ГА
покрытий на взаимодействие с клетками-предшественниками костной
ткани.
Для напыления Ag-ГА покрытий использовалась промышленная
установка 08ПХО-100T-005 с плоским магнетронным источником Рабочая
частота ВЧ-генератора составляла 5,28 МГц. В качестве подложек
использовались монокристаллы бромида калия KBr, титан ВТ1-0 и
кремний Si. Напыление покрытий на подложку производилось в
вакуумной камере при давлении рабочего газа (Ar) 0,1 Па в ВЧ-разряде
мощностью 290 Вт в течение 180 мин, подложка была заземлена.
Расстояние между мишенью и подложкой составляло 40 мм. Схема
расположения образцов на подложке представлена на рис. 1 [6].
496
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 1. Условная схема расположения образцов в процессе напыления
Ag-ГА покрытий
Исследование влияния геометрии расположения образцов в процессе
напыления на структуру и морфологию покрытий проводилось методом
сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), результаты исследования
представлены на рис. 2.
0,5 мкм
0,5 мкм
5 мкм
5 мкм
а) зона А
б) зона В
Рис. 2. СЭМ-изображения рельефа и поперечного сечения ВЧ-магнетронного
Ag-ГА покрытия на кремнии
Морфологические исследования свидетельствуют о формировании
однородного, плотного покрытия, не содержащего видимых дефектов, пор
и микротрещин по всей площади образца. Его толщина в зоне В составляет
580±20 нм и 820±20 нм в зоне А. Подобное распределение толщины между
зонами соответствует наложению потоков материала в зоне А (в центре
497
25-26 сентября 2013, Саратов
подложкодержателя), что обусловлено процессом переноса вещества на
подложку, при ионной бомбардировке [7,8].
Дальнейшее
инфракрасных
исследование
(ИК)
спектров
заключалось
поглощения.
в
рассмотрении
Спектры
оптического
поглощения получены на приборе Termo Nicolet 5700 в диапазоне 400-2000
см-1, экспериментальные результаты представлены на рис. 3.
Поглощение, отн.ед.
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
Зона А
Зона В
C-O
C-O
O-H
O-H
0,2
P-O
P-O
P-O
0,1
0,0
4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800
Волновое число, cm-1
400
Рис. 3. ИК-спектры поглощения Ag-ГА покрытий, полученных при разной геометрии
расположения образцов в процессе напыления покрытия
На рис. 3 хорошо выделяется изменение четырех основных полос
ИК-поглощения: 564, 604 см-1 – трижды вырожденное деформационное
колебание
O-P-O в PO43-, 960 см-1 – полносимметричное валентное
колебание P-O в PO43-, 1081 см-1 – асиммитричное валентное колебание PO в PO43- [9]. Результаты ИК-спектроскопии, свидетельствуют о том, что
геометрия расположения образцов относительно зоны эрозии мишени,
влияет на изменение интенсивности полос поглощения групп фосфатов,
следует уширение полос поглощения и ухудшение их разрешения. Как
показано в работе [9] все эти изменения приводят к уменьшению значения
параметра ИК-расщепления (IRSF-IR splitting factor, IRSF=I(564 см-1)+
I(604 см-1)/ I(584 см-1)). Таким образом, с использованием IRSF параметра
498
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
на качественном установлена степень кристалличности Ag-ГА покрытий
относительно геометрии расположения образцов в процессе напыления.
Степень кристалличности исследуемых образцов варьируется от 2,31 до
2,38. в то время как для зубной ткани этот параметр выше и варьируется от
2,88 до 3,51 [9].
Исследования адгезивных характеристик Ag-ГА покрытия и их
способности
поддерживать
проведенное
с
пролиферативную
использованием
методов
СЭМ
активность
и
клеток,
флуоресцентной
микроскопии, рис. 4.
100 мкм
10 мкм
Рис. 4. Внешний вид клеток Th на шероховатой титановой подложке с покрытием
В ходе исследования установлено, что на поверхности Ag-ГА
покрытия, сформированного на шероховатой титановой подложке,
стволовые клетки способны хорошо адгезировать, пролиферировать,
распластываться,
вырабатывать
внеклеточный
матрикс,
строить
межклеточные соединения. На микрофотографи СЭМ (рис. 4) видно
формирование ровного монослоя стволовых клеток на 7 сутки [10].
Указанные выше параметры свидетельствуют о положительном влиянии
Ag-ГА покрытия на жизненный цикл стволовых клеток человека.
499
25-26 сентября 2013, Саратов
Заключение
В результате исследования структуры и свойств полученных при
различной геометрии расположения образцов методом ВЧ-магнетронного
напыления Ag-ГА покрытий установлено, что в зоне В происходит рост
покрытия с толщиной 400-500 нм, в то время как в зоне А покрытие имеет
более высокие значения толщины 600-900 нм. Степень кристалличности
исследуемых образцов варьируется от 2,31 до 2,38. В ходе биологических
исследований установлена положительная динамика роста стволовых
клеток
человека
на
поверхности
Ag-ГА
покрытия.
Исследование
взаимодействия стволовых клеток с Ag- ГА покрытием, показало
повышение адгезивных свойств поверхности титановых имплантатов.
Основываясь на приведенных результатах биологических исследований,
стало целесообразным дальнейшее проведение тестов с бактериями.
Авторы выражают благодарность за помощь в подготовке
материала профессору В.Ф. Пичугину и проф. М. Эппле (университет
Дуйсбург-Эссен, Германия).
Литература
1.
Эппле, М., Биоматериалы и биоминерализация. – Томск: Ветер.
2007. – 144 с.
2.
Петровская
Т.С.,
Биоматериалы
и
имплантаты
для
травматологии и ортопедии: монография / Т.С. Петровская, В.П. Шахов,
В.И. Верещагин, В.П. Игнатов. – Томск: ТПУ, 2011. – 307 с.
3.
Сурменев Р.А., Сурменева М.А., Пичугин В.Ф., М.Эппле ВЧ-
магнетронные кальций-фосфатные покрытия на материалах медицинских
имплантатов // Известия томского политехнического университета – 2009.
– Т.315. № 2 – С.138–141.
4.
Surmenev R.A., Surmeneva M.A., Evdokimov K.E., Pichugin
V.F.,T.Peitsch, M.Epple The influence of the deposition parameters on the
500
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
properties of an rf-magnetron-deposited nanostructured calcium phosphate
coating and a possible growth mechanism // Surface & Coatings Technology –
2011. – № 205 – Р.3600-3606
5.
Сурменева М.А., Сурменев Р.А., Чайкина М.В., Качаев А.А.,
Пичугин В.Ф., М.Эппле Исследование фазового и элементного состава
покрытий
на
медицинских
основе
кремнийсодержащего
имплантатов,
полученных
гидроксиапатита
методом
для
ВЧ-магнетронного
распыления // Физика и xимия обработки материалов – 2012. – № 3 – С.5160
6.
Сурменев Р.А., Сурменева М.А., Евдокимов К.Е., Пичугин
В.Ф., М.Эппле Зависимость свойств магнетронных Ca-P покрытий,
сформированных из плазмы ВЧ-разряда, от параметров напыления //
Физика и xимия обработки материалов – 2010. – № 4 – С.57-65
7.
фосфатных
Сурменев Р.А. Формирование биосовместимых кальцийпокрытий
методом
высокочастотного
магнетронного
распыления: кандидат ф-м н. Томский политехнический университет
(ТПУ) – Томск : 2008. – 164 с.\
8.
Сурменева М.А. Закономерности формирования, структурные
особенности и свойства покрытия на основе фосфатов кальция,
полученного ВЧ-магнетронным осаждением: кандидат ф-м н. Томский
политехнический университет (ТПУ) – Томск : 2012. – 158 с.
9.
Киселева
Д.В.
Особенности
структуры
неорганической
компоненты ископаемых и современных костных остатков по данным ИКспектроскопии и микроскопии // Ежегодник-2008, Тр.Игг УрО РАН, год
выпуска.- 2009, №156 – С.312-317.
10.
Хлусов И.А., Сурменева М.A., Сурменев Р.А., Рязанцева Н.В. и
др. Клеточно-молекулярные аспекты иммунологической совместимости
имплантатов с наноструктурным кальций-фосфатным покрытием //
Бюллетень сибирской медицины – 2012. – № 4 – С. 78-85
501
25-26 сентября 2013, Саратов
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛИТИТАНА КАЛИЯ
С ВОДНЫМИ РАСТВОРАМИ СОЛЕЙ НИКЕЛЯ
М.А. Викулова, А.А. Шиндров, Т.В. Колбасина
Научные руководители: д.х.н., профессор А.В. Гороховский
к.х.н., доцент Е.В. Третьяченко
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
В последнее время перспективными сорбентами ионов тяжелых
металлов выступают титанаты натрия и калия. Так, в работе [1] показано,
что титанатные нанотрубки имеют высокий потенциал для экономически
эффективной утилизации Ni(II)-загрязненных сточных вод. Отмечено, что
при удалении никеля из растворов при низких значениях рН преобладает
ионный
обмен
поверхности
или
сферы
процесс
ТНТ,
комплексообразования
а
при
высоких
на
значениях
наружной
рН
–
комплексообразование на внутренней поверхности сферы. Было также
изучено влияние некоторых факторов на процесс адсорбции, например,
рН, ионной силы раствора и гуминовых веществ. С увеличением значения
рН адсорбция возрастает и поддерживает высокий уровень при рН > 6,0.
При низких значения рН адсорбция Ni (II) зависит от ионной силы и
посторонних ионов. Присутствие гуминовых кислот повышает адсорбцию
Ni(II) при рН < 6,0 и в то же время снижается ее при рН > 6,0.
Адсорбенты с химическими формулами NaFeTiO4 и Na2Fe2Ti6O16
удаляют ионы Ni(II) из сточных вод с эффективностью выше 99% при
исходной концентрации тяжелого металла, достигающей 1500 мг/л.
Рассчитанная в соответствии с моделью Ленгмюра ионообменная емкость
502
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
данных соединений имеет значения 104 мг/г для NaFeTiO4 и 43 мг/г для
Na2Fe2Ti6O16 [2].
Изучение
адсорбции
Co(II),
Ni(II)
и
Cu(II)
на
слоистом
кристаллическом тетратитанате калия, взятом в базовой, протонированной
и интеркалированной форме показало, что наибольшей адсорбционной
емкостью обладала основная непротонированная форма титаната калия.
Равновесные концентрации ионов Co(II), Ni(II) и Cu(II) составили 1,51;
0,89 и 1,94·10-3 моль/г, соответственно [3].
Сравнение кислотных и щелочных титанатов проводилось также в
работе [4]. Результаты исследований подтвердили, что щелочные титанаты
обладают значительно более высокой ионообменной емкостью, в
частности Na2Ti3O7 – 2,66 ммоль/г, а K2Ti4O9 – 1,50 ммоль/г, по сравнению
с другими матрицами (H2Ti4O9 – 0,24 ммоль/г и H2Ti3O7 – 0,16 ммоль/г).
Таким образом, слоистые частицы титанатов щелочных металлов
обладают высокой сорбционной способностью, несмотря на относительно
небольшое
межслойное
расстояние.
Межслойное
пространство
полититаната калия достигает 1,5 – 2,0 нм, что должно в значительной
степени облегчать процесс извлечения ионов тяжелых металлов из
сточных вод.
Полититанат калия (ПТК) представляет собой квазиаморфный
порошкообразный материал, имеющий слоистую структуру, подобную
структуре кристаллического лепидокросита (γ-FeOOH). Общая химическая
формула данной группы соединений может быть представлена как
K2O·nTiO2, где n изменяется в пределах от 2 до 6 [5]. Полититанат калия
имеют чешуйчатую форму частиц с эффективным диаметром 50 – 600 нм и
толщиной 10 – 25 нм, которые объединены в агрегаты размером от 1,5 до 6
мкм. Слои ПТК сформированы титан-кислородными октаэдрами, в
пространстве между которыми расположены ионы калия, способные к
ионному обмену с катионами тяжелых металлов, что позволяет получать
503
25-26 сентября 2013, Саратов
материалы-прекурсоры, используемых в различных областях, в том числе
в качестве фотокатализаторов.
В частности, в наших предыдущих исследованиях было показано [6,
7], что модификация ПТК ионами никеля способствует повышению его
фотоактивности как в УФ, так и в видимой области спектра. Это связано с
изменением ширины запрещенной зоны и образованием p-n нанопереходов
в гетероструктурных системах ПТК-NiOх, подавляющих рекомбинацию
фотогенерируемых электронов и дырок, а также сенсибилизацией
поверхности фотокатализаторов молекулами красителя.
В связи с вышеизложенным, представляет интерес исследование
влияния различных факторов на процесс удаления ионов никеля из
обработанных
гальванических
возможности
применения
растворов
полученных
никелирования,
а
продуктов
также
качестве
фотокатализаторов для очистки воды от органических красителей.
Образцы полититаната калия (ПТК), используемые в исследовании,
синтезированы в соответствии с методикой работы [8]. Полученный
титанат калия представлял собой аморфное вещество, имеющее, согласно
данным энергодисперсионного анализа, мольное соотношение TiO2 : K2O =
3,91.
Ионообменные
процессы
изучали
методом
статического
адсорбционного равновесия. 2 г базового полититаната помещали в колбу
емкостью 250 мл и добавляли 200 мл дистиллированной воды. При
постоянном перемешивании на магнитной мешалке в полученную
суспензию вводили определенное количество раствора сульфата никеля
(II) и выдерживали в течение 24 часов с целью установления
адсорбционного
равновесия.
Затем
твердый
осадок
отделяли
центрифугированием в течение 15 минут при скорости 6000 об./мин. и
определяли
остаточное
содержание
504
никеля
в
растворе
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
спектрофотометрическим методом с использованием спектрофотометра
Evolution.-3000.
Кинетику процессов взаимодействия ПТК с ионами никеля
исследовали путем выдерживания навески полититаната калия массой 2 г в
растворе сульфата никеля (II) с концентрацией 0,02 моль/л в течение 1, 3 и
24 часов.
Значения водородного показателя системы ПТК-сульфат никеля (II)
изменяли путем добавлением 1н раствора серной кислоты H2SO4 или 1М
раствора гидроксида натрия NaOH и измеряли с использованием рН-метра
марки рН-150 М.
Эффективность удаления никеля рассчитывали по формуле [9]:
С равн.
× 100 ,
Э = 1 −
С
0
где Сравн. – равновесная концентрация ионов никеля, мг/мл;
С0 – начальная концентрация ионов никеля, мг/мл.
Химический и фазовый состав модифицированных образцов ПТК
исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа Philips
XL30ESEM, оснащенного устройством для локального рентгеновского
микроанализа EDAX Pegasus, а также рентгеновского дифрактометра
Дрон-4 (трубка с медным анодом).
Результаты изучения степени очистки никельсодержащих растворов
с помощью полититаната калия показали, что эффективность удаления
ионов тяжелого металла возрастает при увеличении значения водородного
показателя. В кислой среде (рН ≈ 3,5) извлечению подвергается около 83%
ионов никеля преимущественно за счет их относительно медленной
ионообменной интеркаляции в объем ПТК. Конечная концентрация никеля
в растворе несколько больше, чем при более высоких значениях
водородного показателя, так как за центры ионного обмена с ионами
505
25-26 сентября 2013, Саратов
тяжелого металла конкурируют более подвижные и меньшие по размеру
протоны.
При рН ≈ 5,3 и рН ≈ 8 эффективность удаления ионов никеля имеет
значения 95% и 97%, соответственно. В этом промежуточном интервале
рН одновременно с процессом интеркаляции возможно образование
гидроксокатионов
NiOH+,
которые
располагаются
на
поверхности
полититаната калия, где количество активных центров увеличивается за
счет реакции депротонирования.
В сильно щелочной среде происходит практически полное удаление
никеля из раствора благодаря формированию как наночастиц NiO/Ni(OH)2,
хаотично располагающихся на поверхности ПТК, так и отдельной фазы
нерастворимого гидроксида (Э = 99,9%).
Независимо от рН среды в присутствии полититаната калия
концентрация никеля быстро снижается более чем в 5 раз за первый 1 час
контакта. В течение последующего времени взаимодействия содержание
ионов тяжелого металла в растворе уменьшается менее резко (рис. 1).
Предположительно это связано с тем, что в первые минуты контакта
существует большое число доступных центров ионного обмена, однако
через некоторое время процесс извлечения никеля затруднен в связи с
уменьшением вакантных мест и возникающими силами отталкивания
между ионами тяжелого металла на поверхности ПТК и ионами,
находящимися в растворе.
506
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
6
Скон.(Ni), мг/мл
5
4
3
2
рН=5,2-5,4
1
рН=3,5
рН=7,9-8
рН=10
0
0
5
10
15
20
25
30
t, час
Рис.1. Кинетика удаления ионов никеля из раствора сульфата никеля при разных
значениях рН при использовании полититаната калия
Необходимо
отметить,
что
концентрация
никеля
достигает
равновесного состояния через 24 часа и обратный процесс перехода ионов
металла из ПТК в раствор не наблюдается.
Обработка полититаната калия в водных растворах сульфата никеля
при различных значениях водородного показателя вызывает заметные
изменения его химического состава (таблица 1). Содержание металла в
модифицированном ПТК (в пересчете на оксид) увеличивается от 6,5 до
21,9 масс.% при возрастании рН суспензии в процессе модификации.
Однако содержание калия в конечных продуктах не уменьшается, что
указывает
на
возможность
протекания
нескольких
процессов
в
зависимости от кислотности среды.
Таблица 1
Влияние рН суспензии, в которой происходило взаимодействие
полититаната калия с раствором сульфата никеля NiSO4 с концентрацией
0,02 моль/л, на содержание никеля в полученном продукте
рН
3,5
Содержание оксидов в продукте, масс.%*
K2O
TiO2
NiO
SiO2
3,3
88,3
6,5
0,7
507
25-26 сентября 2013, Саратов
5,3
3,9
83,5
10,5
0,7
8
4,0
79,5
14,9
0,7
10
6,5
69,7
21,9
0,6
Таким образом, изучена способность полититаната калия удалять
ионы никеля из водных растворов, а также влияние различных факторов на
эффективность очистки. Показано, что варьируя значение рН в процессе
обработки ПТК раствором соли никеля, можно получать одно- и
двухфазные материалы-прекурсоры.
Литература
1. Influence of solution chemistry on the removal of Ni(II) from aqueous
solution to titanate nanotubes / G. Sheng et al. // Chemical Engineering Journal.
– 2011. – Vol. 168, № 1. – Р. 178–182.
2. Preparation and characterization of sodium iron titanate ion exchanger
and its application in heavy metal removal from waste waters / M. N. Akieh et
al. // Journal of Hazardous Materials. – 2008. – Vol. 152, № 2. – Р. 640–647.
3. Nunes, L. M. Layered titanates in alkaline, acidic and intercalated with
1,8-octyldiamine forms as ion-exchangers with divalent cobalt, nickel and
copper cations / L. M. Nunesa, V. A. Cardoso, C. Airoldi // Materials Research
Bulletin. – 2006. – Vol. 41. – Р. 1089–1096.
4. The ionic exchange process of cobalt, nickel and copper(II) in alkaline
and acid-layered titanates / V. A. Cardoso et al. // Colloids and Surfaces A:
Physicochemical and Engineering Aspects. – 2004. – Vol. 248, № 1–3. – Р.
145–149.
5. Gorokhovsky A.V., Escalante-Garcia J.I., Sanchez-Monjaras T.,
Gutierrez-Chavarria C.A. // J. Eur. Ceram. Soc. 2004. V.24, № 13, P. 35413546.
508
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
6. Третьяченко Е.В., Гороховский А.В., Юрков Г.Ю., Викулова
М.А.,
Ковалева
Д.С.,
Манцуров
А.А.
Адсорбционные
и
фотокаталитические свойства модифицированных полититанатов калия //
Нанотехника, 2012, №3, С. 56-59.
7. Гороховский А.В., Третьяченко Е.В., Викулова М.А., Ковалева
Д.С., Юрков Г.Ю.Влияние химического состава на фотокаталитическую
активность полититанатов калия, интеркалированных ионами никеля //
Журнал прикладной химии. 2013. Т. 86. №3. С. 343-350.
8. Sanchez-Monjaras, T. Molten salt synthesis and characterization of
polytitanate ceramic precursors with varied TiO2/K2O miolar ratio / T. SanchezMonjaras, A. V. Gorokhovsky, J. I. Escalante-Garcia // Journal American
Ceramic Society. – 2008. – Vol. 91, № 9. – P.3058–3065.
9. Adsorption behavior of Cu(II) onto titanate nanofibers prepared by
alkali treatment / N. Li et al. // Journal of Hazardous Materials. – 2011. – Vol.
189. – Р. 265–272.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ ПХА В ИНЕРТНОЙ СРЕДЕ
Е.И. Сыч
Научный руководитель: к.т.н., ассистент Э.Р. Ногачева
Самарский государственный технический университет, г. Самара
Использование
ультрадисперсных
материалов
в
специальных
химических технологиях поможет решить важные хозяйственные задачи.
В этой связи исследование взаимосвязи структуры и свойств материалов с
условиями и параметрами механического активирования имеет важное как
научное так и практическое значение.
509
25-26 сентября 2013, Саратов
Работы российских [1-3] и зарубежных ученых [4-5] в этом
направлении создают предпосылки к созданию новых материалов,
обладающих
необходимыми
свойствами.
Основоположником
отечественной научной школы и направления в науке, каковым является
механохимия, можно считать академика РАН В.В. Болдырева.
Ученые Самарского государственного технического университета
также имеют работы в области одного из направлений механохимии –
механохимии энергетических конденсированных систем [6-9].
Целью работы является – изучение свойств механоактивированного
перхлората
аммония
(ПХА)
в
среде
CCl4
с
использованием
рентгенофазового и дифференциально-термического методов анализа, ИКспектроскопии, растровой электронной микроскопии.
Эксперименты по измельчению, проведенные в инертной среде,
показывают, что наблюдаются нарушения кристаллической структуры.
Разупорядочение
кристаллографических
плоскостей
проявляется
в
изменении относительных интенсивностей дифракционных максимумов,
вершины которых у активированных образцов в некоторых случаях не
могут быть строго идентифицированы (рис. 1, 2). Изменяется форма и
площадь пиков в зависимости от условий активирования. Причиной
вышеперечисленных отклонений у механоактивированных образцов может
быть то, что отдельные кристаллографические плоскости в результате
активации меняют или теряют свою направленность, а с увеличением
продолжительности измельчения общее количество плоскостей отражений
уменьшается.
В результате проведенных исследований не было обнаружено
возникновения новых фаз, соответствующих другим веществам, а не ПХА.
Проведенные расчеты показали, что параметры кристаллической решетки
а, b, с и объем V не меняются с увеличением времени обработки в шаровой
мельнице.
510
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 1. Диаграмма рентгеноструктурного анализа NH4ClO4 до и после
обработки шаровой мельнице (2Θ
Θ = 48,60…50), агатовый корпус,
скорость 279 об/мин, продолжительность измельчения:
Èíòåíñèâíîñòü, I
1-без обработки, 2 - 1 час, 3 - 4 часа, 4 - 15 часов
1000
800
4
600
3
400
2
200
1
0
48,6
48,8
49
49,2
49,4
49,6
49,8
50
Óãîë ñúåìêè, 2Θ
Θ
Рис. 2. Диаграмма рентгеноструктурного анализа NH4ClO4 до и после
обработки в шаровой мельнице (2Θ
Θ = 48,60 -50), стальной корпус,
скорость 279 об/мин, продолжительность измельчения:
1-без обработки, 2 - 1 час, 3 - 4 часа, 4 - 6 часов
Еще одним фактором, влияющим на физическую компоненту
уширения, является искажение кристаллической решетки. Данные об
искажении решетки и величины первичных микроблоков могут служить
показателем
сохранения
целостности
структуры
материалов,
подвергаемых механическому воздействию в технологическом процессе.
Кривоглаз
М.А.
и
Рябошапка
К.П.
также
связывают
уширение
дифракционных рентгеновских линий с наличием дислокаций в кристалле
[10].
511
25-26 сентября 2013, Саратов
Искажение решетки в области, окружающей дислокацию, будет
приводить к уширению линии. При этом степень уширения линии, ее
форма зависят от концентрации дислокаций и характера их распределения
в кристалле. Возможно, на эти факторы будут оказывать влияние такие
явления,
как
окружающих
взаимодействие
дислокацию,
между
и
его
собой
полей
отсутствие
напряжений,
взаимодействия
дислокационных диполей, образованных полями сжатия и расширения,
или же касание искаженных областей решетки.
В эксперименте показано существенное отличие по интенсивности
воздействия для различных видов используемых корпусов мельниц. Через
20 минут обработки в стальной мельнице размер кристаллитов в 1,8 раза
меньше, чем в агатовой при тех же условиях. Размера 120,5 нм в стальном
корпусе частицы достигают уже после 60 мин измельчения, в то время как
в агатовом только после 900 мин – 112,2 нм и это в 2,6 раза меньше по
сравнению с исходным. Отмечен временной максимум, после которого
уменьшение
размера
кристаллов
прекращается.
Можно
высказать
предположение о том, что частицы становятся аморфными, следовательно,
перестают
разрушаться
как
твердое
тело
и
претерпевают
упругопластические деформации с изменением формы, но не объема.
Отмечено, что искажение решетки, равное 5,33% достигается в
агатовом корпусе лишь после 900 мин обработки, а в стальном уже в
результате измельчения в течение 60 мин этот параметр равен 5,1% и это в
51 раз больше по сравнению с исходным. После 60 мин обработки
искажения решетки пробы, измельченной в стальном корпусе, мало
изменяются. Это можно объяснить снижением дефектности в результате
того, что не происходит увеличения плотности дислокаций в кристалле, в
том числе из-за его малых размеров.
Кривые ДТГ и ДТА (рис. 3) свидетельствуют о повышении
термической активности измельченного ПХА. Максимальные значения
512
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Òåìïåðàòóðà ôàçîâîãî ïðåâðàùåíèÿ, Ê
Òåìïåðàòóðà ôàçîâîãî ïðåâðàùåíèÿ, Ê
∆Т/∆
∆τ и ∆m/∆
∆τ соответствуют начальному периоду активации.
249
522
248
0
2
247
240
246
20
10
518245
360
1
900
60
20
244
60
240
243
2
900
242
541241
0
100
200
300
400
500
600
700 800 900 1000
Âðåìÿ àêòèâàöèè, ìèí
Рис. 3. Зависимость температуры фазового превращения от продолжительности
измельчения в шаровой мельнице, скорость 279 об/мин: 1 – агатовый корпус, 2 –
стальной корпус
Температура фазового превращения в результате измельчения
смещается в сторону более низких значений на (2…3) К при
использовании корпуса мельницы из агата и на 5 К из стали. Началу
разложения неактивируемого материала соответствует температура 526 К,
активируемого – 517 К (агат) и 500 К (сталь).
Причиной понижения температур разложения и фазового перехода
механоактивированного ПХА может служить следующее объяснение. В
решетке NH4ClO4 существуют возможности отклонения от идеальной
структуры различных, а также одних и тех же атомов, соответственно
колебательные и вращательные движения элементов решетки. Переход
при нагревании из орторомбической структуры в кубическую означает:
вращение и беспорядочное движение в кристаллической решетке и, как
следствие; местный "беспорядок" и соответственно появление вакантных
мест. При нагревании возникает состояние с еще более неупорядоченной
структурой. Для перехода из кубической модификации в орторомбическую
при низких температурах также является характерным: замораживание
элементов в узлах решетки; "залечивание" дефектов; повышение степени
513
25-26 сентября 2013, Саратов
упорядоченности.
Согласно исследованиям, проведенным ДТА- методом, можно
констатировать,
что
полиморфные
переходы
из
орторомбической
структуры в кубическую и наоборот из кубической в орторомбическую
являются не идеально обратимыми процессами. Поэтому наблюдается
явление гистерезиса (∆
∆T) (рис. 4). Изменение ∆T в результате процесса
измельчения после обработки в агатовой мельнице составляет ∆T≈30 К.
Повышение реакционноспособности наблюдается при переходах из
упорядоченного состояния в неупорядоченное и в реакциях разложения
ПХА.
На основании результатов, полученных при измельчении ПХА в
инертной среде, установлено понижение термической и химической
стойкости. Проведенные анализы указывают на то, что основным
результатом механической обработки ПХА в мельнице является не только
диспергирование, но и образование структурно-физических дефектов.
∆T1
∆T2
Рис. 4. Явление гистерезиса:
∆T1 – гистерезис исходной пробы; ∆T2 –гистерезис обработанной пробы
Результирующий эффект влияния условий измельчения на физикохимические свойства, видимо связан с различием условий деформации, а
также электрофизических явлений, вследствие изолирования инертной
средой плоскостей разрушений. Несовпадение кривых нагрев-охлаждение
для ПХА следует связывать с изменением вида и концентрации дефектов
при переходе через температуру полиморфного превращения, а также
514
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
частичным
разложением
части
материала.
Структура
поверхности
кристаллов ПХА в результате его измельчения в инертной среде
свидетельствует о том, что в общей массе число агломерированных частиц
и частиц с трещинами невелико, а форма частиц округлая.
Явление
термического
гистерезиса
поликристаллов
ПХА
доказывает
предшествующей
обработки,
которая
у
механоактивированных
существование
зависит
от
"памяти"
энергетических,
временных, деформационных и других (технологических) условий и
характеристик проведения эксперимента.
Вывод: Условия деформации при измельчении ПХА в инертной
среде или атмосфере воздуха определяют форму, размер и дефектность
получаемых кристаллов.
Литература
1. Болдырев В.В. Механохимия твердых неорганических вещества /
В.В. Болдырев, Е.Г. Авакумов // Успехи химии. – 1971. – Т. 40, вып. 10. –
С. 1835 – 1856.
2. Авакумов Е.Г. Механохимическое разложение нитрата натрия /
Е.Г. Авакумов, В.В. Болдырев, Л.И. Стругова // Изв. СО АН СССР. Серия
химическая. – 1971. – Вып. 4, №9. – С. 130 – 137.
3.
Болдырев
В.В.
Измерение
скорости
механохимического
разложения нитрата натрия с помощью каталитических добавок / В.В.
Болдырев, Е.Г. Авакумов, Г.М. Гусев // Докл. АН СССР. – 1969. – Т. 184,
вы. 1. – С. 119 – 121.
4. Heinicke G. Tribochemistry / G. Heinicke. – Berlin: Akad. – Verl. –
1984. – 495 s.
5. Stephan Kipp, Vladimir Sepelak, Klaus Dieter Becker. Chemie mit dem
Hammer // Chem. Unserer Zeit. – 2005. - № 39. – P.384-392.
515
25-26 сентября 2013, Саратов
6. Логинов Н.П. Особенности химического разложения 2,4,6тринитротолуола при вибрации / Н.П. Логинов, В.Б. Епифанов, С.М.
Муратов // Физика горения и взрыва. – 1984. – Т. 20, вып. 6. – С. 97 – 100.
7. Логинов Н.П. Распад ПХА при вибрационных воздействиях / Н.П.
Логинов, С.М. Муратов, В.Б. Епифанов // Физика горения и взрыва. – 1989.
– Т. 25, вып. 1. – С. 76 – 79.
8. Логинов Н.П. О структурных и физико-химических изменениях
гексогена при вибрационной обработке / Н.П. Логинов // Физика горения
и взрыва. – 1997. №6. – С. 47.
9. Епифанов В.Б. Химическое разложение взрывчатых материалов –
нитроаренов при механических во0здействиях / В.Б. Епифанов, Т.А.
Чернова // Известия Самарского научного центра РАН. – Спецвыпуск
"Химия. Химическая технология",. - 2003. – С. 76 – 81.
10. Кривоглаз М.А. Теория
кристаллами,
содержащими
рассеяния
дислокации.
рентгеновских
Случай
лучей
хаотических
распределенных по кристаллу винтовых и краевых дислокаций / М.А.
Кривоглаз, К.П. Рябошапка // Физика металлов и металловедение. – 1963. –
Т. 15 (18). – С. 231.
516
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПЫЛЯЕМЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ЧАСТИЦ
В СТРУЕ И НА ОПЫЛЯЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ
В.Н. Лясников, С.Н. Барабанов, Т.Е. Карасева, М.С. Гавкина
Научный руководитель: д.т.н., профессор В.Н. Лясников
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
В
работе
предложена
математическая
модель
распределения
напыляемых частиц в струе и на определяемой поверхности.
Двумерное осесимметричное течение воздушной струи, вытекающей
из
порошкового
пистолета-распылителя,
может
быть
описано
в
приближении пограничного слоя системой уравнений неразрывности и
движения:
∂
∂
∂r ( pvr ) + ∂z ( pur ) = 0
ρν ∂u + ρu ∂u = − ∂ρ + 1 ⋅ ∂ (rη ∂u )
∂r
∂z
∂z r ∂r
∂r
(1)
где r и z – координаты осесимметричной цилиндрической системы
координат с центром в срезе сопла пистолета, ρ и η – плотность и
динамическая вязкость воздушной струи, u и υ – компоненты вектора
скорости воздушной струи V .
Если ввести понятие потенциала скорости φ согласно соотношениям:
517
25-26 сентября 2013, Саратов
V = gradϕ
∂ϕ
ν =
∂z
∂ϕ
u = ∂r
(2)
то при безвихревом (rot V = 0) и не вязком ( η = 0) струйном течении
уравнение Лапласа для потенциала скорости принимает вид:
ϕ
1 ∂ ∂ϕ
⋅ (r
)+ ∂ 2 =0
r ∂r ∂r
∂z
2
(3)
при граничных условиях:
∂ϕ
= V0
∂n Г 1
∂ϕ
=0
∂
n
Г2
∂ϕ
= α (ϕ − ϕ 0 ) Г
3
∂n
Г3
(4)
где ∂ϕ / ∂n – производная по нормали к границе Г, Г1 – граница выхода
струи из пистолета-распылителя, Г2 – непроницаемая граница, Г3 – скрытая
граница, V0 – скорость течения на выходе струи, α – коэффиент, численное
значение которого обратно пропорционально расстоянию, на котором φ =
φ0.
Из ограничений данной модели наиболее существенным является
предположение о невязкости течения воздушной струи. Однако вязкость
играет существенную роль лишь в тонком пристенном слое на
поверхности твердого тела (слое Прандтля) и в аэродинамическом следе за
обтекаемым телом. Поэтому при моделировании свободных струйных
течений потенциальная модель достаточно адекватна.
518
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таким образом, для расчета распределения скорости роста в
воздушной струе необходимо решить уравнение Лапласа (3) с граничными
условиями (4).
Вычислив распределение υ (r,z) и u (r,z) для течения воздушной
струи в рамках потенциальной модели можно приступить к определению и
распределения
частиц
порошка
в
струе,
воспользовавшись
дифференциальным уравнением конвективной диффузии (4):
ν
∂С
∂C 1 ∂
∂C
∂
∂C
+u
= ⋅ (D ⋅ r
) + (D
)
∂r
∂z r ∂r
∂r
∂z
∂z
(5)
с граничными условиями:
C Г1 = С 0
∂С
=0
∂n Г 2
∂С
= βС
∂n Г3
(6)
Г3
где С = С (r,z) – концентрация частиц порошка в струе, ∂C / ∂n производная по нормали к границам Г1 - Г3, D – коэффициент диффузии
частиц порошка в струе, β – коэффициент, значение которого обратно
пропорционально расстоянию от границы, на котором С = 0, С0 –
концентрация частиц порошка на срезе сопла распылителя, определяемая
давлением воздуха и условиями образования псевдожиженного слоя в
питателе.
При расчетах С (r,z) коэффициент диффузии можно считать
постоянным.
519
25-26 сентября 2013, Саратов
Начальную скорость воздушной струи на срезе сопла распылителя
можно вычислить из закона Бернулли:
V0 =
2( P − P0 )
ρ
(7)
где Р – давление воздушной струи, развиваемое компрессором, и P0 = 0,101
МПа – атмосферное давление.
Результаты расчетов по моделям удовлетворительно совпали с
проведенными экспериментальными исследованиями.
ПИРОФОСФАТ МАГНИЯ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ
А.Г. Авакян, В.С. Гринев*, Е.Е. Федоров*, С.Я. Пичхидзе
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
*
Институт биохимии и физиологии
растений и микроорганизмов РАН, г. Саратов
Материалы для костных имплантатов в настоящее время вызывают
большой интерес вследствие растущих запросов ортопедии [1]. Наиболее
известным и востребованным представителем этого класса материалов
является гидроксилапатит Са10(РО4)6(ОН)2. В костной ткани имеет место
также присутствие небольших количеств солей магния.
Целью настоящей работы является изучение метода осаждения
пирофосфата магния (ПФМ) из водных растворов хлорида магния и 2-х
замещенного аммонийфосфата, стехиометрическое отношение Mg/P равно
520
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
1:1. Нами был использован мокрый метод, в котором ПФМ получали по
реакциям:
Mg++ + (NH4)2HPO4 + NH3 + 6H2O → ↓MgNН4РО4*6H2O + 2NH4+
MgNН4РО4 + H2O → MgНРО4 + 2NH4OH
2 MgНРО4 t→ Mg2Р2О7 + H2О↑
2MgNН4РО4*6H2O t→ Mg2Р2О7 + 7H2О↑ + 2NH3↑
Полученный в результате синтеза осадок оставляли на созревание на
24 часа в стакане. После отстаивания осадок MgNН4РО4 пятикратно
промывали декантацией до рН 7 для его частичного гидролиза,
фильтровали на воронке Бюхнера. Осадок сушили при температуре 95 ºС
в течение суток, а затем в течение 2 часов при температуре 200 ºС и далее в
течение 3 часов прокаливали порошок при температуре 600 ºС для
придания ему более кристалличной структуры. Структура синтетического
ПФМ доказана методами РФА и ИКС, рис.1, 2. Рентгенофазовый анализ
образца ПФМ проводился на дифрактометре ДРОН-4 с использованием
рентгеновской трубки с медным анодом (Сu-K α излучение). Для анализа
дифрактограммы использовалась база данных PCPDFWIN, v. 2.02, 1999,
объединенный
центр
по
порошковым
дифракционным
стандартам
2Θ , град.
D, Å
HKL
4,1143664
020
3,43446465
3,13237674 200
2,97892813 021
2,59379894
2,50875802 220
2,39748484 -221
2,27830031
2,08868006 131
2,04643655 -311
1,84293987 -222
1,68451545 -241
1,61320557 202
1,57196716 132
1,50097395 421
402
1,4637583
060
1,3752972
(JCPDS).
В таблице все расшифрованные линии принадлежат
Mg2P2O7, карточка № 72-2042.
521
21,58
25,92
28,47
29,97
34,55
35,76
37,48
39,52
43,28
44,22
49,41
54,42
57,04
58,68
61,75
63,50
68,12
25-26 сентября 2013, Саратов
71,43
76,33
79,28
86,17
87,73
94,76
100,33
1,3194775
1,24650399
1,20736078
1,12760888
1,11153355
1,04673334
1,00307027
133
-261
133
511
-114
Рис. 1. Дифрактограмма образца кристаллического ПФМ
ИК спектр нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО)
был записан на ИК-фурье спектрометре Nicolet 6700 (Thermo Scientific,
США). В спектре наблюдается интенсивная полоса валентных колебаний
групп PO3 при 1100 см-1. Полосы антисимметричных и симметричных
валентных колебаний группы P-O-P проявляются при 975,46 и 738,88 см-1,
соответственно. ИК спектр образца ПФМ полностью соответствует
структуре данного соединения в форме Mg2P2O7 [2].
Рис. 2. ИК спектр образца кристаллического ПФМ
Литература
1.
С. М. Баринов, В. С. Комлев. Биокерамика на основе фосфатов
кальция. М.: Наука, 2005.
2.
Ю.Я. Харитонов. Аналитическая химия. Аналитика. Кн. 1. М.:
Высшая школа, 2003.
522
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ МДМ-СТРУКТУР С ПЛЁНКОЙ ALQ3 В ПОЛИМЕРНОЙ
МАТРИЦЕ
Н.А. Пенькевич, Д.А. Заярский
Научный руководитель: к.т.н., доцент А.А. Невешкин
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А.
Введение
В настоящее время технологии с сфере OLED мониторов, за счет
ряда своих плюсов, в том числе с точки зрения экономичности
производства малогабаритных индикаторов, развиваются все так же
интенсивно [1, 2].
Отсутствие жестких условий для эксплуатации и возможность
использования безвакуумных методов при создании структур для три–8–
оксихинолинат алюминия (Alq3) [3], делает его популярным объектом для
исследования с сфере органических люминофоров с последующим
применением в OLED индикаторах и диодных структурах в целом[4,5,6].
В связи с этим актуальной становится задача создания и изучения
структуры металл-наноразмерная органическая пленка-металл на основе
AlQ3 в полимерной матрице.
Экспериментальная часть
При решении поставленной задачи выполнялись следующие этапы:
получение и исследование монослоев на основе три–8–оксихинолинат
алюминия (AlQ3) в матрице соли полиамидокислоты (сПАК) методом
Ленгмюра-Блоджетт, для дальнейшего переноса на твердые подложки и
исследование
морфологии
структур
523
методом
АСМ;
создание
25-26 сентября 2013, Саратов
многослойных
структур
на
твердой
токопроводящей
подложке
и
исследование вольт-амперных характеристик. В процессе создания
структур использовались следующие вещества: полиамидная кислота
(ПАК) (C18H33O7N2) и хинолин AlQ3 (C27H18AlN3O3) производства SigmaAldrich, и октадецилдиметиламин (ОДА) (C18H39N) производства Fluka.В
качестве исследуемого раствора выступал раствор смеси сПАК и AlQ3 в
отношении 1:1. Формирование монослоев на поверхности жидкой субфазы
(деионизованная вода) проводилось методом Ленгмюра-Блоджетт [7]. В
качестве подложек использовались стекла с напыленным слоем индий
оловянного оксида (ITO) размерами 30x10x1 мм. Перенос смешанных
монослоев с поверхности жидкой субфазы осуществлялся методом
вертикального лифт - методом Ленгмюра-Блоджетт [8], давление
нанесения - 30 мН/м2. Были получены структуры, содержащие 10, 20, 30,
36, 40 и 46 слоев AlQ3 в полимерной матрице.
Исследование
морфологии
поверхности
полученных
проводили на установке Ntegra Spectra NTMDT,
структур
Для получения
изображения методом АСМ-изображения приведены на рис. 1. На
изображениях различимы молекулы-агрегаты, являющиеся агрегатами
гидроксихинолина. Также были определены толщины полученных
покрытий - для образцов в 10, 30 и 40 слоями толщины составили 180, 230
и 260 нм соответственно.
524
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 1. АСМ изображение образцов
Контакты были нанесены точечным нанесением проводящим клеем
на основе серебра «Контактол» фирмы Keller. Данные структуры
приобрели вид Ме-пленочный слой органики-Ме, и стало возможным их
исследование на зондовой станции для получения представления о
электрофизических свойствах материала. Схематическое изображение
образца на подложке приведено на рис. 2. Измерение статических вольтамперных характеристик (ВАХ) проводилось на зондовой станции.
525
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 2. Схема структуры с подведенными контактами установки
Вольт-амперные характеристики структур представлены на рис. 3.
Заметно, что с повышением количества слоев ВАХ располагаются ниже
ВАХ чистого ITO. Так же стоит отметить, что при превышении значения
тока в 150 мА температура образцов начинала заметно подниматься,
превышение силы тока в 360 мА приводило к
механическому
повреждению стекла поперек проводящей части образца и контакта.
I, A
0,4
36
ITO
0,3
10
30
20
0,2
40
0,1
46
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
U, v
-0,1
-0,2
-0,3
Рис. 3. ВАХ исследуемых стуктур в зависимости от числа слоев
526
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Были рассчитаны сопротивления прямой и обратной ветви,
полученные значения сведены в таблице 1.
Таблица 1
Число слоев
Iпр, А
Iобр, А
Rпр, Ом
Rобр, Ом
10
0,22
0,21
36,36
38,09
20
0,131
0,132
61,06
60,6
30
0,21
0,22
38,09
36,36
36
0,17
0,157
47,05
50,95
40
0,123
0,109
65,04
73,39
46
0,094
0,103
85,10
77,66
Сопротивление структур гораздо меньше, чем сопротивление
структур МДМ на основе не модифицированного сПАК [9].
Заключение
Показана возможность формирования и переноса на твердую
подложку
монослоя,
содержащего
молекулы
три–8–оксихинолинат
алюминия (AlQ3) в полимерной матрице на основе соли полиамидной
кислоты, где молекулы хинолина располагаются в виде агрегатов.
Исследование электрофизических свойств созданных структур
показало, что с увеличением числа слоев в пленке происходит рост
сопротивления пленки, характер роста не линейный – чем меньше средняя
толщина одного слоя в структуре, тем выше значение сопротивления, что
характерно для проводников.
Токи вольт-амперных характеристик структур достигали значений в
диапазоне от 100 до 360 миллиампер, что является хорошим показателем
для органики. Таким образом модифицированный сПАКом AlQ3 обладает
меньшим сопротивлением, что уменьшает уход энергии на нагрев слоя и
является путем повышения времени срока его работы.
527
25-26 сентября 2013, Саратов
Литература
1. Montes V.A. Ultrafast Dynamics of Triplet Excitons in AlQ3-BridgePt(II)porphyrin Electroluminescent Materials / A.V. Montes, C. Pérez-Bolívar, //
J. Am. Chem. Soc. – 2007. No. 129 (42) - P. 12598–12599;
2. Pérez-Bolívar C. High-Efficiency Tris(8-hydroxyquinoline)aluminum
(AlQ3) Complexes for Organic White-Light-Emitting Diodes and Solid-State
Lighting / C. Pérez-Bolívar. S. Takizawa // Chem. - A Europ. Jour. – 2011. –
V. 17. - No 33. - P. 9076–9082;
3. Chunxiang X. Photoluminescent blue-shift of organic molecules in
nanometre pores / X. Chunxiang, X. Qinghua, Y. Zhong // Nanotechnology. 2002. - V. 13. - P. 47-50;
4. Fujiki A. Enhanced fluorescence by surface plasmon coupling of Au
nanoparticles in an organic electroluminescence diode / A. Fujiki, T. Uemura, N.
Zettsu // Applied physics letters. - 2010. - V.96. – P. 118-123;
5. Liin M.Y. Effect of Thickness of Tris (8-Hydroxyquinolinato)
Aluminum on the Photoluminescence and I-V Characteristic of Organic Light
Emitting Structure / M.Y. Liin, W.M. Yunus, Z. Abidin // American Journal of
Applied Sciences. - 2010. - V.7. - No 9. - P. 1215-1218;
6. Pope M. Electroluminescence in Organic Crystals / M. Pope, H. P.
Kallmann, P. J. Magnante // J. Chem. Phys. – 1962. – V.38. – P. - 2042-2043;
7. Арсланов В.В. Полимерные монослои и пленки Ленгмюра Блоджетт. Влияние химической структуры полимера и внешних условий
на формирование и свойства организованных молекулярных ансамблей /
В.В. Арсланов // Усп. химии. - 1994. -Т.63. - No 1. - С. 3-42;
8. Блинов Л.М. Ленгмюровские пленки / Л.М. Блинов // Усп. Физ.
наук.- 1988. –Т.155, вып. 3. – С. 443-475;
9. Горин Д.А. Влияние модификации пленок Ленгмюра-Блоджетт
диметилоктадециламмониевой
соли
528
полиамиднокислоты
на
их
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
электрофизические и оптические свойства / Д.А. Горин // Саратов: 2000. –
с. 97
К ВОПРОСУ О РАСПРЕДЕЛЕНИИ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ
МЕЖДУ ТЕЛАМИ КАЧЕНИЯ В ШАРИКОВЫХ УПОРНЫХ
ПОДШИПНИКАХ
Г.А. Семочкин, О.П. Решетникова
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.В. Королев
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Известно, что распределение нагрузки между телами качения в
шариковых
подшипниках
грузоподъемность
и
оказывает
существенное
долговечность
влияние
подшипника.
на
Поэтому
предпринимались многочисленные попытки решить эту задачу, однако
строгое решение этой специфической контактной задачи пока не
удавалось.
В работе Р. Штрибека [1] впервые было изучено распределение
внешней радиальной нагрузки между телами качения радиального
шарикоподшипника при угле контакта равном нулю. Автор принял
следующие допущения:
а) изменение сближения тел качения и колец подшипника
подчинено косинусоидальному закону;
б)
деформация
колец
под
действием
радиальной
нагрузки
пренебрежимо мала по сравнению с деформацией зоны контакта;
в) радиальный зазор в подшипнике равен нулю;
г) геометрия подшипника идеальная.
Используя
формулы
Герца
Штрибек
получил
распределение
нагрузки между шариками, расположенными в нагруженной зоне
529
25-26 сентября 2013, Саратов
подшипника.
Приближенное решение данной задачи для случая, когда угол
контакта в подшипнике не равен нулю, впервые получил Д.Н. Решетов [2].
Автор принял, что угол контакта для всех шариков одинаков и не
изменяется под нагрузкой. Исходя из
условия равновесия всех
действующих сил в их проекции на ось подшипника и на ось,
перпендикулярную ей, автор получил формулу для расчета нагрузки,
действующей на самый нагруженный шарик:
po =
где
R
cos β ⋅ ∑ 0,5(1 + cos ϕ + (δ π δ o )(1 − cos ϕ ))
3
,
2
(1)
cos ϕ
R - радиальная нагрузка;
β - угол контакта в подшипнике;
ϕ - центральный угол расположения шарика, отсчитываемый от
направления радиальной нагрузки;
δ ϕ и δ o - минимальная и максимальная деформация контактной зоны
тел и дорожек качения.
Знак суммы в выражении (1) означает, что суммирование
осуществляется по всем несущим радиальную нагрузку шарикам. Однако,
формула Д.Н. Решетова не учитывает действие осевой нагрузки. Кроме
того в формуле (1) не известны значения деформации δ ϕ и δ o . Поэтому
формула Д.Н. Решетова не имеет практического значения.
М.П. Белянчиков [3] получил формулу для расчета нагрузки на
шарики под действием радиальной нагрузки с учетом действия осевой
нагрузки:
p o = kε
R
,
z ⋅ cos β
где
530
(2)
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
kε =
z
1
∑ cosϕ ⋅ 1 − cosγ ⋅ (ε − cosγ + (1 − ε ) cosϕ )
;
(3)
ε = δϕ / δ o ;
γ - угол нагружения, т.е. угол между осевой A и радиальной R
нагрузками.
Недостатком предложенных зависимостей (2) и (3) является то, что
по ней невозможно рассчитать нагрузку на шарики, и так и осталась не
определенной деформация тел и дорожек качения δ ϕ и δ o .
Позднее М.П. Белянчиков предложил другую формулу:
po =
A
R
+ 2,2
,
z ⋅ sin β
z ⋅ cos β
(4)
а также формулу для расчета нагрузки на произвольный шарик,
расположенный под углом ϕ к направлению действия радиальной
нагрузки:
3
2
1
pϕ = po ⋅
⋅ (ε − cos γ + (1 − ε ) ⋅ cosϕ ) .
1 − cos γ
(5)
Но равенства (4) и (5) имеют тот же недостаток, что и предыдущие
равенства.
Проблему распределения нагрузки между телами качения пытался
решить Е. Мелдау [4]. В своих работах автор отказывается от допущения о
равенстве углов контакта, но, к сожалению, он не доводит свои
теоретические исследования до вида, удобного для практического
использования.
Современная методика расчета работоспособности подшипников
базируется на определении эквивалентной нагрузки по формуле [5]:
Q = XR + YA ,
где A и R - соответственно осевая и радиальная нагрузки;
531
(6)
25-26 сентября 2013, Саратов
Q
-
эквивалентная
нагрузка,
определяющая
нагрузочную
способность подшипника и его работоспособность;
X и Y - коэффициенты, показывающие степень влияния осевой и
радиальной нагрузок на эквивалентную нагрузку в зависимости от вида
подшипника.
Для радиально-упорных однорядных шариковых подшипников
обычно рекомендуются следующие значения коэффициентов:
- при расчета динамической грузоподъемности подшипника
X = 0 , Y = 1 при A R ≤ 1,14 ;
X = 0,35 , Y = 0,57 при A R > 1,14 ;
- при расчете статической грузоподъемности
X = 0,5 , Y = 0,26 при A R > 1,14 .
Как видно, в этих выражениях не учитывается угол контакта в
подшипнике, хотя на практике он оказывает решающее влияние на
работоспособность подшипника.
В
работе
А.И.
Спришевского
[6]
эквивалентную
нагрузку
предлагается рассчитывать по формуле:
Q=R+
1
⋅A
2,6 ⋅ tgβ
(7)
Это выражение учитывает угол контакта в подшипнике β , но на
практике оно не применяется, так как не обеспечивает требуемую
точность.
Таким образом, распределение нагрузки между телами качения в
шариковых подшипниках является важной задачей, так как позволит
оптимизировать геометрические параметры подшипника и существенно
повысить несущую способность и долговечность подшипников. Однако
решение данной проблемы осуществлялось только для радиально-упорных
подшипников и не доведено до логического завершения и возможности
532
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
практического применения. Для упорно - радиальных подшипников
подобные исследования не проводились. Впрочем, отсутствует даже
стандарт на практическое применение этих подшипников, хотя некоторые
фирмы в своих автомобилях успешно используют упорно-радиальные
подшипники. Поэтому решение данной задачи является актуальной темой
для дальнейших исследований.
Литература
1. Stribeck, R. Kugellager fur beliebige Belastungen / R. Stribeck//
Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure VDI Zeitschrift. Berlin, 1901. Vol. 45, №3.-P. 73-79, 118-125.
2. Решетов, Д.Н. Совместное действие на шариковые подшипники
радиальной и осевой нагрузок / Д.Н. Решетов // Подшипник. 1939 №11.
3. Белянчиков М.П. Исследование основных силовых зависимостей
в радиально-упорных шарикоподшипниках: Канд.дис.М.: 1961.
4. Meldau E. Druckverteilung in Radial-Rillenkugelager Werkst u
Betrieb/ №87 (1954) Heft 2.
5. SKF. Главный каталог. В/о Станкоимпорт, Станкоподшипник,
2010г, С 509.
6. Спришевский, А. И. Подшипники качения / А. И. Спришевский. М.: Машиностроение, 1969. 632 с.
533
25-26 сентября 2013, Саратов
МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ РЕЗИНЫ
А.А. Шихдурдыева, А.И. Шумилин, А.М. Захаревич*,
А.А. Скапцов*, С.Я. Пичхидзе
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
*
Саратовский государственный университет
имени Чернышевского Н.Г., г. Саратов
Одной из актуальных задач сборки композиционных материалов на
основе фторполимеров является повышение адгезионной прочности при их
склеивании. В решении этой задачи существенную роль может сыграть
направленный
синтез
на
поверхности
фторсодержащей
резины
ненасыщенных структур.
В
литературе
описаны
различные
методы
формирования
и
направленного модифицированного слоя органического и неорганического
происхождения под воздействием градиентов электрического поля,
различных
значениях
pH,
температуры
и
др.
[1].
Несмотря
на
значительные успехи в области изучения модификации поверхности
фторполимеров, механизмы формирования и роста отдельных видов
кристаллов, в частности кристаллов фтористого алюминия, нуждаются в
дальнейшем изучении.
Целью
данного
исследования
является
механизмов самопроизвольного формирования
описание
физических
и роста
кристаллов
фтористого алюминия на поверхности фторсодержащей резины.
В качестве объектов исследования использовались фторсодержащая
резина 420-264В/5 на основе СКФ-264В/5 перекисной вулканизации и
алюминий.
534
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Термическое нанесение алюминия осуществлялось на установке
вакуумного напыления УРМ 3.279.028. Данная установка оснащена
системой нагрева испаряемого материала за счет бомбардировки тигля с
веществом электронами эмитируемым вольфрамовым катодом. Такая
схема
нагрева
обеспечивает
высокую
равномерность
температуры
расплава металла и плавность регулировки скорости распыления. В
механической части камеры для распыления металлов предусмотрена
заслонка. В момент нагрева тигля до температуры плавления металла
заслонка находится в закрытом состоянии, что предотвращает попадание
легкоплавких примесей, загрязнении и окислов, содержащихся на
поверхности
металла, на подложку. Толщина металлического слоя
нанесенного на резиновую основу составляет порядка 0,35 мкм. Рост слоя
металла на подложке происходит при осаждении отдельных атомов
металла, что способствует хорошей заполняемости пористой поверхности
резинового основания. Кроме этого атомы металла, испаряемые из тигля,
обладают существенной кинетической энергией, обусловленной высокой
температурой расплава и разрежением в рабочем объеме установки,
обеспечивающем большую длину свободного пробега. Остаточное
давление газов в рабочем объеме установки при напылении порядка 5×10-3
Па. Высокая энергия частиц металла осаждаемого на резиновую основу
может способствовать процессам адсорбции и активации химических
взаимодействий основы и напыляемого покрытия.
Исследования
проводили
с
использованием
аналитического
комплекса на базе растрового электронного микроскопа (РЭМ) высокого
разрешения SEM Mira II LMU (Tescan) с системой энергодисперсионного
анализа EDX INCA ENERGY 350 (Oxford Instruments), используемого нами
для локального химического элементного анализа и изучения морфологии.
Изучение морфологии, рис.1, проводилось в режиме детектирования
вторичных электронов, которые наиболее чувствительны к рельефу
535
25-26 сентября 2013, Саратов
поверхности. Информация о рельефе собирается на основе анализа
состояния приповерхностной зоны генерации вторичных электронов.
Химический элементный состав кристаллов на поверхности резины
определялся с помощью энергодисперсионной системы микроанализа,
таблица1.
Рис. 1. РЭМ изображение морфологии поверхности образцов фторсодержащей резины,
полученные при ускоряющем напряжении HV = 15 кВ, увеличение 1000х
Анализируя характер распределения химических элементов, можно
сделать вывод, что поверхность фторсодержащей резины после напыления
алюминия формируют, в основном, углерод, алюминий, фтор и кислород.
Необходимо указать, что используемый в экспериментах растровый
электронный микроскоп не позволяет детектировать водород, входящий в
структуру фторсодержащей резины.
Методом ИК-спектроскопии нами показано, что при обработке
фторсодержащей
резины
происходит
дефторирование
и
дегидрофторирование полимерной цепи с образованием двойных связей в
макромолекуле каучука. Образование AlF3 при термонанесении алюминия
на поверхность фторсодержащей резины подтверждается методами ИКспектроскопии и рентгенофазового анализа.
536
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таблица 1
Результаты элементного анализа
Литература
1. Галил-Оглы Ф.А, Новиков А.С, Нудельман З.Н. Фторкаучуки и
резины на их основе. М.: Химия, 1966, с.91-105.
СУБМИКРОННЫЙ ПОРИСТЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
С ДОБАВЛЕНИЕМ УПРОЧНЯЮЩИХ ДОБАВОК
ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ
Е.С. Семанцова, М.Н. Медведева
Научный руководитель: к.х.н. И.В. Шемякина
ХК ОАО «НЭВЗ-Союз», г. Новосибирск
Одна из активно развиваемых в последнее время областей
537
25-26 сентября 2013, Саратов
применения керамических материалов – медицина. Протезирование –
особая область применения
керамики. Неорганические
материалы,
предназначенные для реконструкции и замещения костной ткани, наряду с
приемлемыми прочностными характеристиками, должны сочетать в себе
ещё и свойства, определяющие их медико-биологическую, химическую,
механическую совместимость с организмом.
Безусловно,
что
больший
интерес
среди
материалов,
предназначенных для реконструкции и замещения костной ткани,
вызывают
биоактивные
и
резорбируемые
материалы.
Они
не
воспринимаются организмом как чужеродные, биохимические реакции на
границе с костью приводят к интенсивному прорастанию тканей в
имплантат и активному остеогенезу. Однако на сегодняшний день не
удалось реализовать в материале одновременно высокую биологическую
активность и приемлемые прочностные характеристики. Пористые
материалы на основе кальций-фосфатных соединений обладают крайне
низкими прочностными свойствами, что делает не возможным их
использование для замещения нагруженных участков костей. Именно это
обстоятельство
заставляет исследователей
в области медицинского
материаловедения обращаться к биоинертным материалам. Строение
пористой керамики оказывает наряду с пористостью решающее влияние на
все рабочие характеристики пористых изделий в значительно большей
мере, чем это имеет место у плотных керамических материалов.
Актуальность проблемы
Костная ткань имеет сложное строение, органический костный
матрикс
и
неорганическая
составляющая
образуют
своеобразный
многоуровневый композиционный материал, способный к длительному
функционированию в условиях знакопеременной нагрузки. Прочностные
характеристики костной ткани в сравнении с большинством металлов и
керамических материалов не высоки - прочность на сдвиг составляет от 50
538
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
до 120 МПа, предел прочности при сжатии от 90 до 150 МПа, при изгибе
от 100 до 300 МПа, модуль Юнга колеблется от 13 до 20 ГПа.
Помимо
близости
значений
механических
характеристик
эндопротезов и костной ткани, способность к функционированию
биомеханической системы имплантат – кость в значительной мере зависит
от границы раздела. Жесткое закрепление имплантата с костью
реализуется только при прорастании костной ткани внутрь эндопротеза,
для чего в последнем необходимо наличие развитой пористой структуры.
По данным различных источников оптимальный размер пор в имплантате,
благоприятный для прорастания биологических тканей, колеблется от 100
до 500 мкм.
Таким
образом,
синтез
пористого
керамического
материала
замещающего костную ткань является одной из существенных задач, в
которой ведущая роль принадлежит выбору биологически безопасных
материалов для образования пор, а также их способности поддерживать
процесс образования «сквозной пористости».
Материалы и методы
Исходными
веществами
при
синтезе
металлоксидных
индивидуальных или сложных оксидов обычно являются оксиды или
карбонаты металлов. Гранулометрический состав реагирующих веществ
при синтезе играет важную роль. Поэтому целесообразно использовать
исходные реагенты в виде тонких порошков с максимально возможной
общей
поверхностью.
Наиболее
распространенным
матричным
материалом, обладающим высокой твердостью и трибологическими
характеристиками,
является
оксид
алюминия
в
ромбоэдрической
кристаллической решетке (α – Al2O3). Перспективным материалом,
используемым в качестве дисперсных включений в матрице, является
диоксид циркония. Введение данного компонента позволяет повысить
сопротивление композиционного материала распространению трещин и
539
25-26 сентября 2013, Саратов
тем самым улучшить механопрочностные показатели.
Пористый
керамический
материал
изготавливают
методом
выгорающих добавок. Метод основан на том, что после термического
удаления выгорающей добавки остаются поры. Выбор выгорающих
добавок зависит от метода формования и требуемой чистоты материала.
Для получения керамики, используемой в медицине необходимы чистые
выгорающие добавки без остатка микропримесей.
Для проведения твердофазного синтеза использовали следующие
материалы: основа - оксид алюминия; упрочняющие добавки оксид
циркония (IV), нанопорошки выше перечисленных оксидов; в качестве
порообразователя использованы следующие материалы не ниже марки ч
гидрооксида алюминия, карбонат аммония, поливиниловый спирт, желатин
и другие.
Для достижения пористости выше 30 % (согласно МТТ), были
проведены исследования по выбору величины зерна исходных материалов,
порообразователя, связки, величины нагрузки при прессовании и подбору
температуры спекания имплантата. В частности, учтен опыт предыдущих
исследований, а именно, влияния размера частиц исходного материала на
значение пористости. Имеющиеся данные об этом приведены в таблице 1.
Таблица 1
Влияние пористости от величины зерна исходных материалов
Давление прессования, кгс Размер частиц материала,
Пористость, %
мкм
1350
1,2-1,5
11-16
1350
2,0-2,3
25-30
Помимо величины зерна исходных компонентов на показатель
пористости
и
размер
пор
керамического
материала
влияет
гранулометрический состав используемых порообразователей, таких как
гидроксид алюминия (40-100 мкм), карбонат аммония (200-400 мкм),
540
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
желатин (300-500 мкм), поливиниловый спирт (100-400). Для получения
готового
изделия
большое
значение
имеет
влажность
исходных
компонентов, скорость подъема температуры и конечная температура при
термическом воздействии.
Результаты и обсуждение
В качестве основного материала использовали глинозем «Almatis»СТ 800FG (поставщик – Германия). Глинозем загружали в керамическую
мельницу, добавляли 0,3 % оксида магния – этот материал получил
название ВК-100. Массу ВК-100 спекли при температуре 1500±50 с целью
получения микродобавки алюмомагниевой шпинели, которая снижает
температуру спекания и рост кристалла. Спеченную массу измельчали в
шаровой мельнице до получения необходимой фракции зерна порошка
(2,0-2,3) в течение 20 часов ± 2 часа в зависимости от исходного размера
зерна. Соотношение шаров к перемалываемой массе 3:1.
Требования к имплантату предусматривают дифференциальное
распределение пор, величина которых должна достигать 300-400 мкм.
Поэтому по результатам исследований для обеспечения требуемых
прочностных характеристик при высокой пористости вводилась добавка
оксида циркония (IV), стабилизированного оксидом иттрия со средним
размером частиц 1,9 – 2,3 мкм. Оксид циркония (IV) перемалывают в
шаровой мельнице аналогично процессу помола и перемешивания
глинозема. Соотношение шаров к перемалываемой массе 4:1.
В подготовленные материалы вводили различное
количество
порообразующих компонентов и упрочняющих добавок нанопорошка.
Приготовленную
смесь
перемешивали
на
валковой
мельнице
в
фарфоровом барабане с добавлением керамических шаров диаметром не
более 5 мм. Соотношение шаров к смеси 0,5:1. В таблице 2 приведены
результаты исследования влияния различных добавок порообразователя на
плотность,
пористость
и
прочность
541
синтезируемых
пористых
25-26 сентября 2013, Саратов
керамических материалов.
Таблица 2
Сводная таблица результатов синтеза пористого керамического материала
Номер и состав образца
Кажущаяся
Открытая
Прочность на
плотность,
пористость, %
изгиб, МПа
г/см3
1. ВК-100 без добавки
3,32
13,45
180
2. ВК-100+Al(ОН)3 -х %
2,48
37,4
менее 90
3. ВК-100 +Al(ОН)3 -y %
2,81
28,71
100-150
4. ВК-100 +Al PO4
2,52
26,96
менее 90
5. ВК-100 +ПВС
1,76
55
менее 90
6. ВК-100 +Al(OH)3 -z +ПВС
2,58
35,1
менее 90
7. ВК-100 +(NH4)2 CO3
1,56
59,5
менее 90
8. ВК-100+Al(OH)3 + (NH4)2 CO3
2,26
42,1
менее 90
9. ВК-100 +Ж* + НК +ZrO2
3,13
25,2
100
10. ВК-100+(NH4)2CO3+ZrO2 +ПВС
2,74
36,15
менее 90
11. ВК-100+(NH4)2CO3+ZrO2 +ПВС+
2,70
34,0%
менее 90
2,74
34,22
100-120
Al2O3(нанопорошок)
12. ВК-100+(NH4)2CO3+ZrO2 +Ж* +
Al2O3(нанопорошок)+ Al(ОН)3
Ж* - желатин. Обозначения «х», «у» и «z» показывает, что содержание добавок
менялось. ПВС -поливиниловый спирт сухой. НК – нанопорошок оксида алюминия.
Образцы 2 и 3 выполнены с добавлением бемита различной
процентной концентрацией. Результаты исследования на пористость и
величину пор, показали, что величина пористости увеличивается. Но
величина размера пор достигает 1-50 мкм. Добавка фосфата алюминия в
количестве 30 % позволила получить материал с пористостью выше 20 %,
но размер пор не превышал 100 мкм. Получение пористого керамического
материала
с
добавкой
сухого
порошка
ПВС
позволил
получить
высокопористый материал с крупными порами, но прочность материала
была очень низкой – материал рассыпался при сдавливании пальцами рук.
542
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
В эксперименте 6, где добавка была в виде гидроксида алюминия и
порошка ПВС, материал показал хорошую пористость, но прочностные
характеристики получены низкие. Добавка карбоната аммония позволила
получить высокопористый материал, но очень хрупкий. В эксперименте 8
был получен керамический материал с добавкой гидроксида алюминия и
карбоната аммония, пористость керамического материала высокая, но
прочность низкая. Образцы с 9 по 12 проводили с целью подбора
оптимального соотношения порообразующих добавок, чтобы получить
дифференциальное распределение пор по их величине и количеству. В
эксперименте 10 был введен желатин для получения крупных пор до 300
мкм и выше. В экспериментах 11 и 12 были получены удовлетворительные
результаты по пористости и распределению пор по величине, но образец 11
имеет низкие прочностные характеристики.
Результаты всех экспериментов показали, что кажущаяся плотность
и пористость образцов зависит от добавок. Прочность пористой керамики с
ростом пористости, увеличением размера пор, разрыхлением структуры
при введении выгорающих добавок, уменьшается. На рис. 1 представлен
вид синтезированного пористого керамического материала под номером
12.
а
б
Рис.1. Синтезированный керамический материал
(а - результаты испытаний наличия пористо-проницаемой структуры,
б - результаты микроскопических исследований)
543
25-26 сентября 2013, Саратов
Образцы
проверены
на
синтезированного
цито
керамического
токсичность.
По
материала
результатам
были
исслдований,
синтезированный пористый керамический материал цито токсического
действия не проявил.
Литература
1. Белецкий Б.И., Мастрюкова Д.Ш., Власова Е.Б. Разработка
имплантационного материала с градиентной поровой структурой для
нейрохирургии // Стекло и керамика. – 2003. - № 9. – С. 18-20.
2.Буякова С.П., Хлусов И.А., Кульков С.Н. Пористая циркониевая
керамика
для
эндопротезирования
костной
ткани
//
Физическая
мезомеханика. - № 7. 2004. Спец. Выпуск ч. 1. с 127-130.
3. Кульков С.Н., Буякова С.П. Фазовый состав и особенности
формирования структуры в нанокристаллическом ZrO2 // Российские
нанотехнологии. 2007 г. № 1-2. С. 119-132.
4. А. И. Смирнов, В. А. Батаев, А. Ю. Ерошенко, В. С. Козырева, Е.
В. Легостаева, Г. В. Лямина, Ю. П. Шаркеев Влияние структурного
состояния титана и циркония и кальций-фосфатных покрытий на их
поверхности на коррозионное поведение в агрессивной среде // Обработка
металлов. – 2012. – № 3 (56). – С. 75–79.
544
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ПОЛИМЕРНЫХ
ПОРОШКОВЫХ КРАСОК
В.Н. Лясников, С.Н. Барабанов, Т.Е. Карасева, М.С. Гавкина
Научный руководитель: д.т.н., профессор В.Н. Лясников
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Электрические характеристики полимерных порошковых красок
влияют на работу оборудования и качество полученных покрытий.
Внешняя зарядка частиц порошка происходит путем осаждения на их
поверхности газовых ионов вне распылителя, в пространстве между
коронирующим электродом, на который подается высокое напряжение и
заземленным изделием.
Внутренняя зарядка частиц порошка происходит в поле коронного
разряда внутри распылителя, между коронирующим электродом на
который подается высокое напряжение и заземленным электродом. Таким
образом, в факеле распыленного порошка между распылителем и изделием
газовые ионы практически отсутствуют. Перенос частиц порошка к
изделию происходит под действием воздушных потоков, а осаждение на
поверхности изделия – под действием сил электрического поля,
создаваемого объемным зарядом частиц порошка в факеле. Отсутствие
газовых ионов в зоне осаждения существенно облегчает задачу получения
качественных равномерных покрытий на изделиях большой толщины по
сравнению с предыдущим случаем.
Удельный
заряд
является
одним из важнейших
параметров
технологии напыления. Эта величина определяет все основные показатели
процесса, роль большинства технологических параметров (напряжение,
545
25-26 сентября 2013, Саратов
расход и дисперсность порошка и т.д. в значительной степени проявляется
через их влияние на удельный заряд порошка.
Эффективность напыления определяется в основном плотностью
потока массы и коэффициентом осаждения порошка. Подойти к
эффективности напыления можно и более качественно: удельный заряд и
его увеличение способствует более прочному удержанию слоя порошка на
изделии силами зеркального отображения, но опять же здесь присутствует
и отрицательный момент: с ростом удельного заряда облегчается
возникновения обратной короны.
Осаждение заряженных частиц на электродах в электрическом поле
приводит к формированию порошкового слоя, напряженность в котором
растет с ростом толщины слоя и заряда частиц, накопление заряда в слое
усиливается при наличии потока ионов на слой. Эти процессы приводят к
пробою слоя, если напряженность в нем превысит значение пробивной
напряженности, возникает обратная корона.
Основные технологические параметры, как G - расход порошка,
Q - расход воздуха, расстояние между распылителем и изделием,
напряжение,
безусловно,
влияют
на
эффективность
напыления
и
происходит это именно через удельный заряд. Но диапазон изменения
значений этих параметров также имеет свой предел.
Напряжение
распылителей
определяет
напряженность
электрического поля, степень влияния которого для распылителей
внутренней и внешней зарядкой различна.
546
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА И ФАРМАКОКИНЕТИКА
МИКРОКАПСУЛ НА ОСНОВЕ БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ
ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ
И.В. Марченко*, О.Д. Смирнова
Научные руководители: к.х.н. М.А. Ванцян*,
д.т.н. Д.А. Рогаткин
*
НИЦ «Курчатовский институт», г. Москва
Московский областной научно-исследовательский
институт имени М.Ф. Владимирского, г. Москва
Микрокапсулы на основе биодеградируемых полиэлектролитов
активно исследуются в качестве средств доставки различных соединений
[1-4], при этом существенное значение имеет поведение микрокапсул в
живых организмах.
В
большинстве
работ
[1-6]
поведение
полиэлектролитных
микрокапсул исследовали in vitro, число работ, посвященных in vivo
исследованиям
невелико.
Значительный
прижизненное
исследование
динамики
интерес
и
путей
представляет
резорбции
биосовместимых микрокапсул в организме лабораторных животных
методом неповреждающей (неинвазивной) лазерной флуоресцентной
спектроскопии
(ЛФС)
оптимальным для
in vivo и ex vivo. Данный метод является
диагностики состояния живых тканей на предмет
содержания в них как экзогенно привнесённых флюорофоров, так и
эндогенных,
отражающих
физиологическое
состояние
тканей,
их
окислительно-восстановительный баланс и содержание структурных
белков (коллагена, кератина, эластина [7]).
547
25-26 сентября 2013, Саратов
В
настоящем
полученные
сообщении
методом
мы
рассматриваем
послойной
микрокапсулы,
(layer-by-layer)
адсорбции
биодеградируемых полимеров – хитозана и декстран сульфата на ядрах
карбоната кальция. При этом целью работы явилось исследование
аспектов фармакокинетики и динамики полиэлектролитных капсул in vivo
методом ЛФС. Для флуоресцентной визуализации поведения капсул и ядер
использовали фотосенс – смесь фталоцианиновых красителей, часто
применяемый для флуоресцентной диагностики и фотодинамической
терапии производства ФГУП ГНЦ «НИОПИК». В данном случае на ядра
карбоната кальция наносили сначала фотосенс, затем - декстран сульфат и
хитозан. Капсулы содержали 3 полимерных слоя, размеры капсул – 4-10
мкм.
Методом
абсорбционной
спектроскопии
установлено,
что
содержание красителя в микрокапсулах составляет порядка 5•10-4 г
красителя/г ядер.
Изучение фармакокинетики и динамики полиэлектролитных капсул
in vivo проводили на группе самцов мышей SHK, возраста от 4 до 6
месяцев, массой 28÷32 г, содержащихся в условиях вивария МОНИКИ.
Для доставки исследуемых препаратов использовались внутримышечные
инъекции (в мышцу задней лапы) в количестве 0,25 мл раствора на
животное. Методика флюоресцентной визуализации как in vivo, так и ex
vivo осуществлялась при помощи диагностическго комплекса ЛАКК-М,
обладающего
гибким
оптоволоконным
зондом,
по
которому
на
исследуемые ткани подавалось возбуждающее лазерное излучение и
принималось
обратно
рассеянное
флуоресцентное
излучение.
Полиэлектролитные микрокапсулы из декстран сульфата с хитозаном
показали отсутствие сильной токсичности. Всё время нахождения в
организме микрокапсулы давали локализованный флуоресцентный сигнал
в области введения, с уровнем проникновения в кровоток ниже
детектируемого, и оценкой гипоксического состояния как умеренного (по
548
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
показателю флюоресценции эндогенных порфиринов). Препарат после
введения в виде суспензии локализовался в мышечной ткани комком
вплоть до 3 недель как в случае свободных, так и заключенных в
микрокапсулы ядер, с полной резорбцией и растворением ядер спустя 5
недель после введения. Среднее время резорбции (выведения) свободных,
неиммобилизированных ядер
СаСО3 с фотосенсом
составляет 20-22
суток, а заключенных в 3-слойные полиэлектролитные микрокапсулы –
порядка 15-25 суток.
а)
б)
Рис.1. Динамика сигнала флюоресценции фотосенса, связанного со свободными – (а)
и заключёнными в 3-слойные полиэлектролитных микрокапсулы (б) ядрами из СаСО3,
после внутримышечной инъекции
549
25-26 сентября 2013, Саратов
Вскрытие подопытных животных на разных сроках после введения
препаратов для исследования внутренних органов ex vivo показало, что
наибольшая локализация фотосенса достигается в печени, в меньшей
степени в селезёнке и почках (рис. 2), в слабо детектируемом количестве –
в лёгких и тестикулах. Поэтому для дальнейшего сравнения и
показательного критерия распространения фотосенса по организму была
выбрана печень.
Рис.2. Динамика сигнала флюоресценции фотосенса в печени, почках и селезёнке
животных после введения свободных ядер из СаСО3 с фотосенсом
Показано, что иммобилизация в микрокапсулы локализует препарат
и
способствует
его
более
медленному
и
пролонгированному
высвобождению. На начальных этапах после введения высвобождается
препарат из краевых для участка введения капсул, а также повреждённых
капсул. Спустя 3-4 недели высвобождается препарат из центральных
капсул, что отражается в возрастании сигнала препарата во внутренних
органах (рис 3).
550
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис.3. Динамика сигнала флюоресценции фотосенса в печени животных
после введения свободных и иммобилизированных ядер из СаСО3 с фотосенсом
Таким образом, можно заключить, что способ неповреждающей
лазерной флюоресцентной визуализации может использоваться как
прижизненный метод контроля за резорбцией препаратов. Контролируемое
удлинение времени высвобождения
препаратов из микрокапсул с
приблизительно постоянным уровнем локальной концентрации может
быть достигнуто использованием микрокапсул с варьируемым числом
полиэлектролитных
оболочек.
Наличие
твердофазного
ядра
в
микрокапсулах может обеспечить локализованное пролонгированное
действие
препаратов, с
последующим их
остаточным системным
распространением после высвобождения из полиэлектролитных оболочек.
Финансовая поддержка РФФИ, Проект № 13-03-00913.
Литература
1. Selina O.E., Markvicheva E.A., Belov S.Y., Vlasova N.N., Balysheva
V.I., Churin A.I., Bartkoviak A., Sukhorukov G.B., Russ. J. Bioorg. Chem.,
2009, 35 (1), 103–111.
551
25-26 сентября 2013, Саратов
2. Borodina T.N., Rumsh L.D., Kunizhev S.M., Sukhorukov G.B.,
Vorozhtsov G.N., Feldman B.M., Rusanova A.V., Vasileva T.V., Strukova
S.M., Markvicheva E.A., Biochemistry (Moscow) Supplemental Series B:
Biomedical Chemistry, 2008, 2 (2), 176–182.
3. Pechenkin M.A., Balabushevich N.G., Zorov B.N., Staroseltseva L.K.,
Mikhalchik E., Izumrudov V.A., Larionova N.I., J.
Bioequivalence &
Bioavailability, 2011, 3, 10, 244-250.
4. Liu X.Y., Gao C.Y., Shen J.C., Moehwald H. // Macromolecular
Bioscience.- 2005.-Vol. 5, P. 1209-1219.
5. Sukhorukov G.B., Rogach A.L., Zebli B., Liedl T., Skirtach A.G.,
Kohler K., Antipov A.A., Gaponik N., Susha A.S., Winterhalter M., Parak W.J.,
Small, 2005, 1, 194-200.
6.
Балабушевич
Н.Г.,
Изумрудов
В.А.,
Ларионова
Н.И.,
Высокомолекулярные соединения, 2012, 54, 7, 1116-1130.
7. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских
исследованиях, Саратов, Изд-во Сарат. Ун-та, 1998.
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ИНДИКАТОРОВ, ПОЗВОЛЯЮЩИХ
ОЦЕНИТЬ УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ НАНОИНДУСТРИИ В РОССИИ
В.Р. Медведева
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, г. Казань
В настоящее время разработки в НТ-области ведутся по всему миру
практически во всех отраслях промышленности. Это мотивируется тем,
что в условиях рыночной экономики применение наноматериалов уже на
первом
этапе
их
появления
способно
552
резко
изменить
свойства
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
традиционных продуктов, а значит – сделать более конкурентоспособными
даже хорошо известные товары, не говоря уже о той продукции, которая
обязана своим появлениям исключительно НТ [8]. Именно перспективы
дальнейшего развития НТ-индустрии и те широкие возможности, которые
открывают перед обществом НТ сделали их объектом инвестиционных
вливаний таких крупных корпораций, как IBM, Motorola, HP, Hitachi USA,
которые вкладывают значительные средства в развитие НТ-индустрии, что
связано с улучшением потребительских свойств продукции посредством
использования НТ и возможностью вывода компании на новый уровень
развития, позволяющий занимать лидирующее положение на рынке [5].
Однако появление новых товаров и технологий в НТ-области требует
проведения Н, позволяющих выявить перспективы дальнейшего развития
НТ-индустрии. В связи с этим изучим два основных индикатора научнотехнологического превосходства: патенты и публикации. Необходимость
изучения получения патентов, на наш взгляд, значимо, т.к. они отражают
способность преобразования научных результатов в технологические
приложения
и
являются
необходимым
условием
экономической
эксплуатации результатов исследований [9], а также данные патентной
статистики дают возможность судить о развитии НТ-индустрии в мире.
Анализ, проведенный нами в области выдачи патентов и числа публикаций
научных статей приводит к следующему интересному выводу. Мировым
лидером по получению патентов на НТ являются США, лидером же по
научным публикациям являются страны ЕС, что наглядно демонстрирует,
что США в большей степени ориентированы на коммерческий успех в НТсфере, а Европа – на новое знание, являющееся общим благом для всех.
Причина таких различий состоит в том, что НТ-исследования в Европе в
основном финансируются государством, а в США – частным бизнесом [8].
Исходя из этого мы считаем, что государство, стремясь к развитию НТ,
может и подорвать стимулы к коммерциализации изобретений. Избежать
553
25-26 сентября 2013, Саратов
этого возможно путем разделения сфер применения НТ, финансируемых
бизнесом и государством. При этом государство должно воздерживаться
от финансирования разработок гражданского назначения, поскольку они в
наибольшей степени интересны для частного бизнеса. При этом
государственное финансирование необходимо при разработке НТ для
использования
в
общественном
секторе
экономики,
например,
в
национальной обороне [1].
Что касается более позднего периода выдачи патентов и активности
стран в сфере НТ-разработок, то здесь тенденция бурного развития НИР в
НТ-области отражена в огромном потоке публикаций (ежегодно около 800
тыс. статей) и в росте числа патентов на изобретения. Наибольшее число
патентов, полученных к настоящему времени, соответствуют открытиям в
области обработки и обнаружения НТ-структур, т.е. являются не
коммерческими,
а
научными
разработками.
В
течение
2009
г.
правительства разных стран наращивали объем инвестиций в НТ-проекты,
в то время как частные компании, по крайней мере, не сокращали
финансирования. Сократился только поток венчурного капитала – падение
в 2009 г. составило 43%. Следует отметить, что большая часть патентов в
НТ-области приходится на наноматериалы (38%) и наноэлектронику
(~25%) и нанобиотехнологию (~13%). При этом следует отметить
доминирующую роль США, которой в разы уступают другие развитые
страны – на долю американских компаний, университетов и частных лиц
приходится более 50% всех выданных в мире патентов. По официальной
статистике, количество НТ-изобретений в США превышает 3 тыс.
Например, Патентным ведомством США только на 31 июля 2007 г. было
выдано 569 патентов, содержащих термин «carbon nanotube(s)» в реферате
и 2499 – в патентной спецификации или описании. По состоянию на 2008
г. из 1259 выданных патентов США и зарегистрированных патентных
заявок 28% связаны с получением углеродных нанотрубок (УНТ), 72% – с
554
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
их различными применениями. Для сравнения: из 1093 УНТ-патентов,
выданных Патентным ведомством Японии за тот же период, 37% связаны с
получением нанотрубок; из патентов, связанных с их применениями, 44%
относятся к электронным устройствам, а 30% – к нанокомпозитам [12].
Обладателями ключевых патентов в этой области являются такие
компании, как IBM, NEC, Hyperion, Intel, GE, Nantero, Unidym, а также
Rice University и Stanford University. Коммерческий потенциал УНТ
чрезвычайно
высок,
поэтому
университеты,
правительственные
лаборатории, исследовательские подразделения корпораций стремятся
установить широкую патентную защиту [10].
В России иная ситуация и проблемы. В базе данных Роспатента
найдено всего 32 патента на изобретения, содержащих в названиях или
рефератах ключевое слово «нанотрубки». За этот же период патентов,
связанных с фуллеренами, было выдано почти в 5 раз больше. Применения
УНТ
в
патентуемых
изобретениях
связаны
с
электроникой
(4),
биомедициной (4), нанотехнологическим оборудованием (1), экологией (1),
химическим
производством
(1)
и
др.
Символично,
что
среди
патентообладателей 2 японские корпорации (SONY и Simadzu) и 2
американские компании, одна из которых – Hyperion Catalysis International
– относится к ведущим мировым производителям УНТ. Одна заявка и
патент на способ получения фуллеренов принадлежат Frontier Carbon
Corporation (Япония) – ведущему мировому производителю фуллеренов, а
также ее партнеру в США – TDA Research Inc. [7]
В процессе анализа данных по патентованию НТ-разработок в
Финляндии
выявлено
следующее.
Наряду
с
разносторонностью
деятельности как небольших компаний, академических институтов, так и
крупных промышленных фирм, направления инновационной деятельности
очень близки. И крупные компании, на наш взгляд, смогут оказать помощь
в практической реализации и коммерциализации достижений в НТ555
25-26 сентября 2013, Саратов
индустрии и способствовать их внедрению в производство. Таким образом,
будет достигнута высокая степень внутренней интеграции экономики в
НТ-области. Данный вывод позволяет предположить укрепление позиций
Финляндии в НТ-области на мировом рынке, что позволяет рассматривать
страну,
как
перспективного
партнера
России
по
реализации
международных проектов в НТ-сфере. Следует отметить, что за
прошедшие 10 лет и I полугодие 2009 г. в НТ-области был выдан 4231
патент РФ на изобретения и полезные модели российским и иностранным
заявителям. В том числе 168 патентов на полезные модели, из которых 4
патента принадлежат иностранным фирмам. На 1 июля 2009 г. действует
3082 патента, в том числе 1854 патента российских патентообладателей и
1228 – иностранных. Из этого количества патентов действуют 127
патентов на полезные модели, в том числе 4 патента иностранных
заявителей. В первом полугодии 2009 г. выдано 112 патентов, из них шесть
патентов – на полезные модели (все российским заявителям). Из 106
патентов на изобретения 22 принадлежат иностранным заявителям.
Несовершенство МПК с точки зрения недостаточности упорядоченности
классификационных рубрик именно для нанотехнологий затрудняет
патентный поиск документов и снижает достоверность анализа данной
области техники. В настоящее время ВОИС рассматривает варианты
исправления существующей ситуации.
Все вышеуказанные примеры патентования в НТ-области приводят
нас к выводу о том, что развитие данного направления играет
значительную роль в повышении уровня конкурентоспособности любой
страны в мировом масштабе. На основании чего мы считаем, что высокая
активность патентования в НТ-области имеет несколько причин. Вопервых, по сравнению с другими областями наблюдается упреждающее
патентование базовых идей, реализованных в основном в лабораторных
условиях. Особенно это характерно для применения наноматериалов. Во556
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
вторых, особенности патентования в НТ-области связаны с их ярко
выраженным межотраслевым характером. В отличие от других новых
областей
техники,
в
которых
патентование
осуществлялось
производителями преимущественно в своей области, патентообладатели
НТ часто получают исключительные права не только в отношении своей
основной отрасли промышленности, но также и многих других, исходя из
потенциальных
или
предполагаемых
сфер
применения.
Например,
возможна выдача патента на базовое изобретение, касающееся НТструктуры полупроводника, которое может применяться в биотехнологии,
телекоммуникации, текстильной промышленности и т.д. В-третьих, так как
ряд стран, осуществляющих государственное финансирование исследований в НТ-области, проводимых университетами или другими государственными учреждениями, предоставляет им право получать патенты
на свое имя и заключать лицензионные соглашения (например, в США в
соответствии с законом Бэя-Доуля), у них появился коммерческий интерес
активно заниматься патентованием и лицензированием. С другой стороны,
есть основания предполагать, что имеет место и обратная тенденция, когда
частные фирмы, учитывая специфический характер НТ-изобретений,
сохраняют их в качестве коммерческих или производственных секретов.
Дело в том, что большинство НТ-продуктов практически не поддается
обратному реинжинирингу (т.е. декомпиляции или разложению на составляющие компоненты и последующему воссозданию объекта).
Сдерживающим же фактором патентования в НТ-области являются
патенты на пионерские изобретения или патенты с широкими притязаниями, препятствующими разработке изобретений на усовершенствования.
Известно, что отрасль развивается бурно, если есть возможность
патентовать
изобретения
на
усовершенствования.
В
этой
связи
показательна жалоба исполнительного директора альянса «Нано-бизнес»,
который заявил, что блок первых патентов по НТ был выдан с такими
557
25-26 сентября 2013, Саратов
широкими притязаниями, что НТ-индустрии грозит замедление развития
из-за правовых барьеров. Препятствием для дальнейшего развития отрасли
может быть и наличие большого числа частных решений, запатентованных
на имя различных фирм из разных стран. Компаниям, желающим создать
или использовать более сложные НТ-устройства, приходится получать
лицензии на множество частных решений. Преодоление указанных проблем возможно на основе предоставления открытых или принудительных
лицензий, а также перекрестных лицензий (когда базовые патенты
распределяются
между
заинтересованными
фирмами,
которые
обмениваются перекрестными лицензиями, не являясь прямыми конкурентами). В связи с вышеизложенным мы считаем, поскольку НТ в
большой степени еще нанонаука, это подразумевает серьезное внимание к
формированию
и
управлению
исследовательским
портфелем
национальной нанотехнологической программы. В силу того, что НТ –
типичный
пример
ориентированных
фундаментальных
научных
исследований, необходимо не только поддерживать и развивать сами эти
исследования,
но
интеллектуальную
и
процесс
превращения
собственность.
И,
наконец,
их
результатов
без
в
масштабной
коммерциализации научных достижений невозможно добиться успеха в
развернувшейся международной нанотехнологической борьбе.
Литература
1. Воробьев, П.В. Экономические аспекты развития нанотехнологий
в условиях глобализации / В.В. Воробьев // Проблемы современной
экономики. – 2008. – № 1 (25). – С. 12-14.
2. Исследование российского рынка нанотехнологий. – URL:
http://www.rsci.ru/nanotech/news/208448.php.
558
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ДЕФЕКТНОЙ
МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАСТАБИЛЬНОЙ АУСТЕНИТНОЙ
СТАЛИ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ
ДЕФОРМАЦИИ НА НАКОВАЛЬНЯХ БРИДЖМЕНА
С.А. Аккузин
Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент И.Ю. Литовченко
Томский государственный университет, г. Томск
В
настоящее
время
разрабатываются
новые
субмикрокристаллические (СМК) и нанокристаллические (НК) материалы,
обладающие высокими прочностными и пластическими свойствами.
Исследования микроструктуры указанных материалов позволяют выявить
связь между уникальными свойствами и особенностями их структурного
состояния. Одним из способов получения объемных
СМК и НК
материалов являются использование методов интенсивной пластической
деформации (ИПД): кручения под давлением на наковальнях Бриджмена,
равноканального углового прессования (РКУ), прокатки до больших
степеней деформации.
Особый интерес представляет формирование СМК/НК структурных
состояний
в сталях как наиболее распространенных конструкционных
материалов. Известно, что в метастабильных аустенитных сталях
пластическая
деформация
приводит к
(γ → α΄),
(γ → ε),
а
также
(γ → ε → α΄) фазовым превращениям [1,2]. При этом мартенситные
превращения во многом определяют особенности дефектной структуры
сталей. В [3, 4] показано, что метастабильные аустенитные стали в
условиях ИПД кручением под давлением испытывают прямые (γ → α΄) и
обратные (α΄ → γ) мартенситные превращения. При этом реализация
559
25-26 сентября 2013, Саратов
прямых и обратных мартенситных превращений существенно зависит от
скорости кручения [5].
В
настоящей
работе
исследована
эволюция
дефектной
микроструктуры метастабильной аустенитной стали в процессе кручения
на наковальнях Бриджмена при различных скоростях кручения. Изучено
изменение объемной доли α΄ – мартенсита от степени деформации
кручением. Исследованы особенности дефектной микроструктуры и
разориентации кристаллической решетки при формировании двухфазных
СМК и НК структурных состояний.
Кручению подвергали метастабильную аустенитную сталь Fe–
18%Cr–8%Ni-Ti, в полностью аустенитном состоянии, полученном после
закалки. Деформацию осуществляли под давлением 8 ГПа при числе
оборотов наковальни от 1 до 8 (e = 2.5 – 6.9, где e - истинная
логарифмическая деформация) при двух различных скоростях кручения:
200 град/мин и 915 град/мин.
Электронно-микроскопические
исследования
проведены
на
микроскопе Philips CM-12 при ускоряющем напряжении 120 кВ.
Изменение фазового состава исследовали методом рентгеноструктурного
фазового
анализа
на
дифрактометре
Shimadzu
XRD
–6000
с
использованием Cu Kα излучения в геометрии Брегга-Брентано с
фокусирующим монохроматором на вторичном пучке. Расчет объемной
доли фаз проводили в программе POWDER CELL 2.4 с учетом текстуры
фаз, формирующейся в процессе деформации. Для определения объемного
содержания
магнитной
(мартенситной)
фазы
использовали
метод
измерения удельной намагниченности в зависимости от напряженности
магнитного поля.
Результаты
структурных
исследований
свидетельствуют
о
реализации (γ →α΄) фазовых превращений и формировании структурнофазовых неоднородностей на мезо- и микромасштабных уровнях.
560
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Наблюдаются преимущественно аустенитные, мартенситные и двухфазные
области. При этом различия в структурно-фазовом состоянии связаны с
локальными
вариациями
в
объемном
содержании
α΄- мартенсита.
Рентгеноструктурный анализ не обнаруживает ε- мартенсита, однако
электронно-микроскопические
исследования
показали
наличие
небольшого количество этой фазы в виде тонких пластинок. Таким
образом, ε- мартенсит принимает участие в формирование дефектной
микроструктуры в том числе процессе (γ → ε → α΄) мартенситных
превращений.
Объемное содержание α΄- мартенсита изменяется с увеличением
степени деформации, а также существенно зависит от скорости кручения.
На рис. 1 представлена зависимость объемного содержания α΄- мартенсита
от
степени
деформации
рентгеноструктурного
кручением,
анализа
(РСА)
и
полученная
методом
измерений
удельной
намагниченности от напряженности магнитного поля. При скорости
кручения 200 град/мин объемное содержание α΄- мартенсита монотонно
возрастает с увеличением степени деформации и достигает ~ 80% при N =
8. В случае повышенной скорости кручения (915 град/мин) содержание
мартенсита сначала возрастает до ~ 50%, а затем снижается до ~ 20-25%.
Снижение объемного содержания мартенсита предполагает, что в процессе
деформации реализуются не только прямые (γ → α΄), но и обратные
(α΄ → γ) мартенситные превращения.
Электронно-микроскопические исследования показали, что при
скорости 200 град/мин после 1 оборота деформации кручением в
аустенитной
структуре
развивается
интенсивное
механическое
двойникование с формированием ламельных микродвойниковых структур.
В этих структурах зарождаются и растут кристаллы α΄- мартенсита (рис.
2а). С увеличением степени деформации формируется двухфазная
структура, состоящая из аустенита и мартенсита СМК и НК масштаба.
561
25-26 сентября 2013, Саратов
После 8 оборотов деформации кручением обнаружена структура,
состоящая преимущественно из
α΄- мартенсита, внутри которого были
обнаружены тонкие пластинки деформационного ε- мартенсита шириной
в несколько нм (рис. 2б).
Рис. 1. Зависимость объемного содержания α΄- мартенсита от числа
оборотов наковальни в процессе кручения под давлением
а
)
б
)
200 нм
50 нм
Рис. 2. Микроструктура стали после деформации кручением
со скоростью 200 град/мин: (а) – при N=1; (б) – при N=8
После кручения со скоростью 915 град/мин
N=1также
формируется
ламельная
при числе оборотов
микродвойниковая
структура
с
зародышами α'- мартенсита. При увеличении степени деформации до N=3
оборотов
в структуре стали наблюдается приблизительно одинаковое
562
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
содержание аустенита и α'- мартенсита. На рис. 3 (а) представлена область
пакетного мартенсита, содержащая отдельные аустенитные ламели. В
мартенситных областях наблюдается высокая плотность дислокаций,
области
с
повышенной
кривизной
кристаллической
решетки,
и,
соответственно, локальными внутренними напряжениями.
С увеличением степени деформации до N=8 оборотов наблюдается
преимущественно аустенитная ламельная структура, внутри которой
обнаруживается высокая плотность дислокаций (рис.3 б).
б
)
а
)
200 нм
100 нм
Рис. 3. Микроструктура стали после деформации кручением
со скоростью 915 град/мин: (а) – при N=3; (б) – при N=8
Помимо ламельной структуры наблюдаются области, содержащие
нанодвойники деформации и области аустенита, сформированные с
участием динамической рекристаллизации (рис. 4). Из рис. 4 (а) видно,
что аустенитное зерно (размерами ~ 150 нм) полностью состоит из
нанодвойников толщиной несколько нм, а на рис. 4 (б) представлено зерно
с малым содержанием дефектов (размерами ~ 70 нм). В соседних участках
внутри СМК и НК зерен аустенита наблюдается внутренняя дефектная
субструктура с повышенной плотностью дислокаций. Наличие зерен с
малым количеством дефектов свидетельствуют об участии динамической
рекристаллизации в процессе деформации.
563
25-26 сентября 2013, Саратов
а
)
б
)
50 нм
100 нм
Рис. 4. Микроструктура стали после деформации кручением
со скоростью 915 град/мин при N=8
В процессе ИПД в метастабильной аустенитной стали формируется
двухфазные (γ + α') СМК/НК структурные состояния. Результаты РСА,
магнитных измерений и просвечивающей электронной микроскопии
свидетельствуют о реализации не только прямых (γ → α'), но и обратных
(α'→γ) деформационных мартенситных превращений при скорости
кручения 915 град/мин.
микродвойниковой
Зарождение α'- мартенсита происходит в
структуре
аустенита.
Обнаружены
тонкие
нанопластинки ε- фазы в α'- мартенсите. Предполагается, что ε- мартенсит
может участвовать как в прямых (γ → ε → α΄), так и обратных (α΄ → ε →
γ), мартенситных превращениях. СМК и НК области аустенита, с малой
плотностью
дефектов
рекристаллизации
в
могут
быть
результатом
высокодефектном
динамической
мартенсите,
которая
сопровождается обратным α'→γ превращением.
Таким образом, прямые и обратные (γ → α' → γ) мартенситные
превращения являются одним из механизмов формирования СМК и НК
структурных состояний в исследованной стали.
564
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Литература
1. Lecroisey F., Pineau A. Martensitic transformations induced by plastic
deformation in the Fe-Ni-Cr-C system // Metall. Trans. 1972. V. 3. P. 387-396.
2. Xue Q., Liao X.Z., Zhu Y.T., etc. Formation mechanisms of
nanostructures in stainless steel during high-strain-rate severe plastic
deformation // Mater. Science and Engineering A 2005. V. 410-411. P. 252-256.
3. Li J.G., Umemoto M., Todaka Y., Fujisaku K. and Tsuchiya K. The
dynamic phase transformation and formation of nanocrystalline structure in
SUS304 austenitic stainless steel subjected to high pressure torsion // Rev. Adv.
Mater. Sci. 2008. V. 18. P. 577-582.
4. Litovchenko I.Yu., Tyumentsev A.N., Zahozheva M.I. and Korznikov
A.V. Direct and reverse martensitic transformation and formation of
nanostructured states during severe plastic deformation of metastable austenitic
stainless steel // Rev. Adv. Mater. Sci. 2012. V. 31. P. 47-53.
5. Литовченко И.Ю., Тюменцев А.Н., Корзников А.В., Аккузин С.А.
Влияние скорости кручения в условиях интенсивной
деформации
на
наковальнях
Бриджмена
на
пластической
структурно-фазовые
превращения в метастабильной аустенитной стали // Вестник ТГУ 2013. Т.
18. № 4. С. 1970-1971.
565
25-26 сентября 2013, Саратов
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНА С ВНЕШНЕЙ
ИКОСАЭДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКОЙ НА ОСНОВЕ
ЕГО ТОПОЛОГИИ
А.С. Колесникова, М.М. Слепченков, В.В. Шунаев
Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор О.Е. Глухова
Саратовский государственный университет
имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов
Многообразие форм углеродных наноструктур и широкий диапазон
их
уникальных
свойств
предопределили
развитие
наукоемкой
и
перспективной отрасли – углеродной наноэлектроники. Элементную базу
электроники нового поколения составляют такие наноструктурированные
материалы, как углеродные нанотрубки, графен и его производные,
фуллереновые наночастицы. Как известно, фуллереновые нанообъекты
широко используются в качестве полупроводникового материала n-типа в
органических
полевых
транзисторах
[1]
и
органических
фотогальванических элементах [2]. Способность фуллеренов служить
акцептором электронов в молекулярных ансамблях привело к разработке
многочисленных систем, в которых поверхностно-связанные донорноакцепторные
фуллереновые
комплексы
действуют
как
активные
компоненты фотоэлектрохимических устройств [3]. В последнее время
большое внимание уделяется исследованию новых материалов на основе
фуллеренов – углеродных онионов, представляющих собой вложенные
друг в друга концетрические оболочки фуллеренов.
Наименьший представитель семейства фуллеренов, молекула С20,
также является перспективным объектом многих исследований. Как
известно, этот маленький фуллерен не существует в свободном состоянии
566
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
и стремится полимеризоваться. Однако, в полости других наноструктур он
существует, находясь в одной из потенциальных ям. Например, фуллерены
С20, находящиеся в одной из приконцевых потенциальных ям нанотрубки
(10,
10),
образуют
стабильный
димер
под
действием
давления,
оказываемого на них движущимся внутри трубки фуллереном С60 [4]. Это
свидетельствует о том, что фуллерен С20 не присоединяется к стенкам
внешней оболочки и в структурах большого объема позиционируется не в
центре.
Несмотря на большое количество работ в области исследования
многооболочечных
фуллеренов,
большинство
из
них
посвящено
исследованию топологии объектов. В то же время, мало внимания
уделяется закономерностям поведения внутреннего фуллерена при
различных внешних условиях. В данной работе проведено исследование
закономерностей поведения фуллерена внутри внешней икосаэдрической
оболочки на примере углеродных нанокластеров C20@С240 и C60@С540.
Метод исследования
Компьютерное моделирование поведения внутреннего фуллерена в
углеродных
нанокластерах
с
икосаэдрической
внешней
оболочкой
осуществлялось молекулярной динамикой с использованием метода на
основе потенциала Бреннера для расчета полной энергии. В рамках
данного подхода полная энергия Etot системы представляется суммой трех
термов [5]:
Etot = Eb + Etors + EvdW .
Использование
термостата
особенно
(1)
необходимо
на
этапе
релаксации системы. Мы использовали термостат, масштабирующий
скорость
[6].
Масштабирование
проводится
на
каждом
шаге
интегрирования. В данной работе использовались следующие параметры:
время шага – 1 фс, смещение атома – 0.0001 Å, максимальная сила – 5
567
25-26 сентября 2013, Саратов
meV/Å, квадратный корень производной – 0.05 meV/Å, разница энергий –
0.0005 eV.
Результаты и дискуссия
Многослойные фуллереновые структуры Сm@Cn
Атомная структура компонентов наночастицы C20@С240 была
оптимизирована квантовым методом сильной связи. Для дальнейшего
анализа важно установить группу симметрии фуллеренов С240 и С20.
Известно, что фуллерен С240 имеет икосаэдрическую симметриию Ih.
Что касается молекулы С20, то к настоящему времени
в литературе
отсутствует устойчивое мнение о симметрии этого объекта. Поэтому,
основываясь на работе [7], будем считать, что С20 принадлежит к группе
симметрии D3d.
Исходя из этих предположений, были рассчитаны необходимые для
дальнейшего
анализа
численные
значения
энергетических параметров фуллеренов
геометрических
и
C20 и С240, находящихся в
основном состоянии. Полученные значения представлены в таблице 1.
Энергетическая щель Eg находилась как интервал между последним
заполненным и первым незаполненным уровнями; потенциал ионизации
Pioniz определялся разницей между нулевым и последним заполненным
уровнями; под радиусом R фуллерена понимался радиус сферы, в которую
он может быть заключен; энергия связи вычислялась как Еb =
E (C1 ) − E (Cn ) / n , где n – число атомов в системе, E (C1 ) – энергия атома
углерода
в
свободном
состоянии,
конфигурации; ∆H – теплота образования.
568
E (Cn )
–
энергия
n-атомной
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таблица 1
Геометрические и энергетические параметры
фуллеренов наночастицы C20@С240
Cn
Eg, eV
Pioniz, eV
∆H ,
Eb, эВ
R, Ǻ
Мин./мак
с.
ккал
моль ⋅ атом
Длина
связи, Ǻ
C20 (D3d)
2,88
6,71
6,34
25,10
2,06
1,43/1,51
C240 (Ih)
1,29
7,06
7,17
5,99
7,20
1,39/1,44
Топология энергетической поверхности взаимодействия
слоев наночастицы
Основному состоянию нанокластера Сm@Cn с икосаэдрической
внешней оболочкой отвечает позиционирование фуллерена Сm вблизи
одной из двенадцати вершин базового икосаэдра, составляющего основу
каркаса фуллерена. Этой ориентации Сm соответствует энергия Е1
взаимодействия фуллереновых слоев нанокластера. Потенциальные ямы с
энергией Е1 образуют икосаэдр, в любой из вершин которого с равной
вероятностью может находиться фуллерен Сm. Тридцать потенциальных
ям с большей энергией Е2, расположенные вблизи середин ребер базового
икосаэдра клетки фуллерена, образуют в пространстве роклар. Двадцать
идентичных
потенциальных
расположенных
у
центра
ям
с
грани
еще
большей
базового
энергией
икосаэдра,
Е3,
образуют
пентагональный додекаэдр.
В основном состоянии наночастицы C20@С240 (при температуре
Т=0К) фуллерен С20 позиционируется вблизи центра одного из двенадцати
правильных пентагонов клетки фуллерена С240, то есть фуллерен С20
смещен от центра в направлении оси симметрии пятого порядка внешней
оболочки (рис. 1а). Е1 – энергия взаимодействия фуллереновых слоев
наночастицы, соответствующая этому состоянию. Фуллерен С20 может
569
25-26 сентября 2013, Саратов
находиться с равной вероятностью в любой из вершин икосаэдра,
формируемого совокупностью потенциальным ям с энергией Е1.
Помимо двенадцати глубоких потенциальных ям с энергией Е1
существуют также тридцать идентичных потенциальных ям с большей
энергией Е2, расположенных направлении оси второго порядка (рис. 1б), и
двадцать идентичных потенциальных ям с еще большей энергией Е3 (Е3 >
Е2 > Е1), расположенных в направлении оси третьего порядка (рис. 1в).
Энергии потенциальных ям Ek (k=1, 2, 3) могут быть определены в
результате анализа рельефа поверхности энергии взаимодействия слоев
наночастицы. Эта энергия вычисляется с помощью третьего терма,
входящего в формулу (1). Рельеф поверхности энергии взаимодействия
представлен на рис. 1.
Рис. 1. Рельеф поверхности энергии Ван-дер-Ваальсова взаимодействия
между слоями нанокластера C20@С240
1 – потенциальная яма с энергией Е1, – с энергией Е2, 3 – с энергией Е3
570
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Численные значения Е1,2,3 , найденные с помощью формулы (1),
приведены в таблице 2. В ней также содержатся энтальпия наночастицы
C20@С240, теплота реакции, смещение d1 внутреннего фуллерена от центра
масс
внешнего,
расстояние
между
d2
соседними
ближайшими
потенциальными ямами; все эти величины соответствуют основному
состоянию.
Таблица 3
Некоторые геометрические и энергетические параметры
нанокластера C20@С240
7.36
kcal
∆H ,
mol ⋅ atom
∆H
reaction
(Cm + Cn → Cn @ Cm )
,
-25.72
kcal / mol
d1 , Å
1.870
Вершины
d2 , Å
1.966
икосаэдра
E1, eV
-1.126
Центры
d1 , Å
1.847
ребер
d2 , Å
1.842
икосэдра
E2, eV
-1.114
Центры
d1 , Å
1.838
граней
d2 , Å
1.311
иксоаэдра
E3, eV
-1.113
Из данных таблицы находим, что значению E2 – E1 = 0,012 эВ
соответствует Т=154 К, а E3 – E1 = 0,013 эВ – температура Т=218 К.
Можно предположить, что повышение температуры до 154К индуцирует
диффузию фуллерена С20 в полости С240. Энергии, соответствующей этому
значению
температуры,
достаточно
чтобы
фуллерен
С20
покинул
потенциальную яму с энергией Е1 и начал скачкообразно перемещаться
между потенциальными ямами с энергиями Е1 и Е2.
571
25-26 сентября 2013, Саратов
Дальнейшее повышение температуры до 300 К приводит к
изменению
траектории
диффузии
С20:
теперь
фуллерен
перескакивать между тремя потенциальными ямами Е1,
будет
Е2 и Е3.
Температурный интервал 290 К отвечает потенциальному барьеру между
минимумами
с
сопровождается
энергиями
Е2
и
непрерывным
ростом
Е3.
Увеличение
частоты
температуры
перескоков
между
потенциальными минимумами.
Выводы
Рассмотренная
модель
двухоболочечного
фуллерена
С20@С240
позволяет предположить, что при определенном соотношении диаметров
фуллеренов
возможна
такая
конфигурация
потенциальных
ям
межчастичного взаимодействия, которая позволит внутреннему фуллерену
перескакивать между ямами при определенной температуре. Особенность
подобных двухоболочечных фуллеренов заключается в том, что при
небольших температурах внутренний фуллерен будет двигаться строго
определенным образом: между потенциальными ямами. Наша гипотеза,
заключающаяся в прогнозировании скачкообразного туннелирования
внутреннего фуллерена между потенциальнами ямами и порядка перескока
между ними на основе только топологии двухоболочечных наночастиц,
подтверждена численным экспериментом в молекулярной динамике.
Экспериментальное подтверждение гипотезы можно получить с помощью
метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Литература
1. S. Aoyagi, E. Nishibori, H. Sawa, K. Sugimoto, M. Takata, Y. Miyata,
R. Kitaura, H. Shinohara, H. Okada, T. Sakai, Y. Ono, K. Kawachi, K. Yokoo,
S. Ono, K. Omote, Y. Kasama, S. Ishikawa, T. Komuro, H. Tobita, Nat. Chem.
2 (2010) 678–683.
572
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
2. A.W. Hains, Z. Liang, M.A. Woodhouse, B.A. Gregg, Chem. Rev. 110
(2010) 6689–6735.
3. Galina
V.
Dubacheva,
Chih-Kai
Liang,
Dario
M.
Bassani,
Coordination Chemistry Reviews 256 (2012) 2628–2639
4. Jianfu Li, Rui-Qin Zhang CARBON 63 (2013) 562–592
5. O.E. Glukhova Journal of Molecular Modeling 2011, Vol. 17, I.3,
P.573-576.
6. Yang Wang, D. Tomanek, G.F. Bertsh Phys. Rev. B 44, 6562 (1991)
7. R. Li, Y.Z. Hu, H. Wang and Y.J. Zhang, Chinese Phys. B., vol. 17,
pp. 4253-4259, 2008.
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ДОРОЖКИ КАЧЕНИЯ
УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ ТВЕРДОЙ ГРАФИТОВОЙ СМАЗКИ
МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ
А.С. Носков, О.П. Решетникова
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.В. Королев
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
При поверхностной механической обработке происходит активация
поверхностных слоев металла, что приводит к возникновению дефектов в
кристаллической решетке металла, что в свою очередь обеспечивает
возможность в процессе чистовой механической обработке наносить на
поверхность различные покрытия диффузионным способом.
На кафедре «Технология машиностроения» СГТУ имени Гагарина
Ю.А. разработана технология обработки поверхностей дорожек качения
573
25-26 сентября 2013, Саратов
колец
упорных
подшипников
ультразвуковым
выглаживанием
с
нанесением твердой графитной смазки.
С
целью
выявления
эффективности
предложенного
метода
нанесения твердой смазки на поверхность дорожек качения подшипников
выполнены
экспериментальные
исследования.
В
качестве
объекта
исследований использовались кольца подшипников 1118-2902840-04.
Данный подшипник предназначен для восприятия радиальных и осевых
нагрузок в верхней опоре стойки передней подвески автомобилей
семейства ВАЗ, моделей «Калина», «Приора» и «Гранта».
Обработка дорожек качения упорных подшипников велась по
следующей схеме: на станине 1 (рис. 1) смонтирован механизм, состоящий
из индентора 4, закрепленного на механическом усилителе 3, получающем
ультразвуковые колебания от пъезокерамического преобразователя 2. Под
действием силы Р, воздействующей на механический усилитель 3,
индентор 4 прижимается к обрабатываемой поверхности 5 детали 6, а
именно к дорожке качения упорного подшипника. Величину силы Р
устанавливают в определенных пределах так, чтобы, с одной стороны,
контакт индентора осуществлялся по всему профилю обрабатываемой
поверхности 5, а с другой стороны, чтобы на поверхности контакта не
возникали контактные напряжения более допустимой величины. Деталь 6
имеет возможность вращаться с регулируемой скоростью. Порошок 7
графита или дисульфида молибдена засыпается на обрабатываемую
поверхность 5 детали 6 в несвязанном виде.
574
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис.1. Схема процесса обработки
Для осуществления обработки включают вращение детали 6 вокруг
ее оси, а индентор 4, совершая ультразвуковые колебания, прижимают к
обрабатываемой поверхности 5 через слой порошка 7 с силой Р. По
истечении некоторого времени порошок 7 осуществляет диффузию в
обрабатываемую поверхность 5 на заданную величину. После этого
вращение детали 6 отключают, индентор отводят от обрабатываемой
поверхности, обработку прекращают.
Графит использовали трех видов: терморасширенный графит
мелкодисперсный, с размером частиц 0,1 мм; терморасширенный графит, с
размером частиц 0,5 мм и обычный аккумуляторный графит АКГ05 с
размером частиц 0,3-0,5мм. На обрабатываемую поверхность насыпается
графит в свободном, не связанном виде и в процессе обработки
придавливается
выглаживателем
к
обрабатываемой
поверхности.
Выглаживатель изготовлен из ВК6 двух размеров: Ø5,2мм и Ø5,6мм.
Генератор ультразвуковых колебаний представляет собой лабораторную
установку,
с
частотой
на
выходе
пьезокерамический.
575
18000
Гц.
Преобразователь-
25-26 сентября 2013, Саратов
Для получения математической модели процесса выглаживания
дорожек качения упорных подшипников использовали метод дробного
факторного эксперимента 24-1.
Регулируемыми факторами являлись: диаметр выглаживателя (5,2
мм и 5,6мм), время обработки (20 и 60 сек.), сила прижатия выглаживателя
к обрабатываемой поверхности (100 H и 160 H) и частота вращения
заготовки (240 и 360 Гц). Показателями эффективности обработки
являлись радиус дорожки качения R и момент сопротивлению вращению
подшипника М. Кроме того выполнено измерение толщины слоя
образовавшегося покрытия.
В результате обработки экспериментальных исследований были
получены математические модели, устанавливающие связи радиуса
дорожки качения,
момента сопротивлению вращению с основными
влияющими факторами: диаметра выглаживателя, временем выглаживания
t, силой прижатия выглаживателя и частотой вращения заготовки n при
обработке колец подшипников:
для радиуса дорожки качения:
rg = 0.413 ⋅ R 0.812 ⋅ t 0.209 −0.068⋅ln( R ) ⋅ P 0.318 ⋅ n 0.043
для момента сопротивлению вращения:
M = 3.57 ⋅ R −0.032 ⋅ t −0.392 ⋅ P −0.613+ 0.503⋅ln( R ) ⋅ n −0.151
Результаты исследования показали, что наибольшее влияние на
величину
радиуса
выглаживателя.
дорожки
Время
качения
обработки
t,
rg
сила
оказывает
радиус
воздействующая
R
на
выглаживатель P и частота вращения заготовки n оказывает менее
значительное влияние. На момент сопротивления вращению подшипника
M основное влияние оказывают радиус выглаживателя R и сила P с
которой он давит на обрабатываемую поверхность. В меньшей степени
оказывают влияние время обработки t и частота вращения заготовки n .
576
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
При этом, зависимость обратная, т.е. с увеличением основных параметров
момент уменьшается.
На рис. 2 и 3
приведены сравнительные значения показателя
качества подшипников в разных партиях, обработанных с разными
значениями регулируемых факторов до и после
ультразвукового
выглаживания в среде порошка углерода. Радиус дорожки качения
несколько увеличивается, но при этом существенно уменьшается разброс
значений этого параметра.
Рис.2 Зависимость значения радиуса
Рис.3 Разброс радиуса дорожки
дорожки качения подшипника до и
качения до и после обработки
после обработки
Так же было выполнено исследование микрошлифов обработанной
поверхности. Исследования показали, что толщина слоя углерода на
поверхности дорожки качения составляет до 0.5 мм. Глубина измененного
слоя металла составляет до 0,3 мм. Структура металла становится более
мелкодисперсной (рис 4).
Рис. 4 Фотографии микрошлифов дорожек качения с увеличением 1:100
Таким образом, выполненные экспериментальные исследования
577
25-26 сентября 2013, Саратов
подтвердили
высокую
эффективность
предложенной
технологии
обработки дорожек качения подшипников.
Литература
1.
Математическая модель нанесения на дорожки качения
упорных подшипников твердой графитовой смазки ультразвуковым
методом и определение размера пятна контакта выглаживателя и профиля
дорожки качения [Текст] / А. В. Королев [и др.] // Applied Sciences in
Europe: tendencies of contemporary development : Papers of the 1st
International Scientific Conference, April 21, 2013. - Stuttgart, 2013. - С. 150153
2.
углерода
Носков А.С.
в
Молекулярно-кинетическое явление переноса
поверхностные
слои
детали
при
ультразвуковом
выглаживании// Носков А.С., Березняк Р.А. VI международная научнопрактическая конференция Технологическое обеспечение качества машин
и приборов (сборник научных трудов) 2011. - с.53-55
3.
Носков А.С. Молекулярно-кинетический перенос углерода в
поверхностные слои детали при ультразвуковом выглаживании // Носков
А.С., Королев А.В. Автомобильная промышленость №7. - 2012 г. - с.35-37
578
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗА НИТРИДА ТИТАНА
В ПРОЦЕССЕ ДЕТОНАЦИОННОГО НАПЫЛЕНИЯ
П.К. Кондратенко, А.И. Мазитов
Научный руководитель: к.т.н., доцент С.Ю. Ганигин
Самарский государственный технический университет, г. Самара
Создание защитных покрытий, отличающихся высокими физикомеханическими и прочностными характеристиками, устойчивых против
различных видов механического изнашивания и агрессивных сред,
является одной из важнейших проблем современного машино- и
приборостроения.
В
настоящее
разрабатывают
и
время
для
используют
нанесения
следующие
тугоплавких
методы:
покрытии
диффузионные
(осуществляемые в вакууме, газовых средах, расплавленных средах, по
типу
твердофазных
взаимодействий),
плазменные,
детонационные,
комбинированные. Из указанных методов трудно отдать предпочтение
какому-либо одному, так как каждый из них специфичен, обладает
характерными
технологическими
особенностями
и
обеспечивает
требуемые плотность, структуру, прочность удержания покрытия. Так,
плазменные покрытия позволяют получать лишь сильно пористые слои,
без дополнительной термообработки плохо удерживаемые на поверхности
изделий, но зато предоставляющие возможность импрегнирования какимилибо веществами, придающими покрытию особую техническую ценность,
например
могут
повышенной
пропитываться
сухими
антнфрикционности.
Для
смазками
для
детонационных
создания
покрытий,
наоборот, характерны высокие плотность и прочность удержания на
изделии при обычно тонком слое покрытия. Пожалуй, наиболее
579
25-26 сентября 2013, Саратов
универсальным сочетанием свойств отличаются термодиффузионные
покрытия, наносимые различными методами и из разных насыщающих
сред. Этот метод также наиболее изучен, давно и с успехом используется в
машиностроении, однако обладает рядом недостатков, основными из
которых является его длительность, громоздкость оборудования и большая
энергоемкость.
Одним
из
преимуществ
детонационной
технологии
является
возможность создания условий (высокая температура, давление) для
протекания ряда реакций.
Источниками получения и поддержания необходимых температуры
и давления в процессе синтеза тугоплавких соединений предлагаемая
детонационная
технология
предусматривает
использование
энергии
детонации взрывчатых газовых смесей.
Предполагается, что в стволе детонационной установки возможно
создание необходимых условий для проведения синтеза нитридов:
атмосфера газообразного азота, температура 2000 - 4500 ºС [1].
Например, для синтеза нитрида титана при сжигании порошка титана
в атмосфере газообразного азота необходимо поддержание температуры
свыше 1100 К:
Ti + N2 → TiN + Q,
Q = 5218 кДж/кг,
Tад = 4897К.
В качестве источников азота рассматривались основных два:
непосредственно азот, в виде разогретого газа пропускаемого через
установку и, широко распространенный в процессах СВС-синтеза, азид
натрия (NaN3). Разложение последнего происходит уже при 250 – 300 ºС по
уравнению:
NaN3 → Na+ + N2 + N-;
Для увеличения выхода азида титана, в качестве совершенствования
технологии может быть использована установка на ствол баллистической
установки специальной насадки, через которую будет подаваться
580
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
дополнительный азот, предварительно подогретый. Это позволит не
только повысить количество азотирующих агентов в зоне реакции, но и
будет способствовать снижению в ней концентрации кислорода и его
вытеснению из зоны напыления.
Схематичное устройство насадки представлено на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция устройства для синтеза нитрида титана
Аналитическое описание процессов может быть произведено с
использованием законов Гесса и термодинамических коэффициентов,
способных дать представление о возможности и направлении протекания
реакций в заданных условиях.
Подобный расчет позволяет определить только потенциальную
возможность протекания интересующих процессов и реакций, не давая
представления о скорости их протекания и предполагаемом выходе.
Однако, существует полезное соотношение, связывающее изменение
свободной энергии Гиббса ∆G в ходе химической реакции с её константой
равновесия K:
∆G = — RT · ln K.
581
25-26 сентября 2013, Саратов
Любая реакция может быть рассмотрена как обратимая (даже если на
практике она таковой не является). При этом константа равновесия
определяется как
K=
k1
k−1
где k1 – константа скорости прямой реакции, k-1 – константа скорости
обратной реакции.
В условиях газовой детонации ацетилен-кислород-азотной смеси
образуется большое количество промежуточных и конечных соединений,
которые способны взаимодействовать с исходными веществами и
продуктами реакции. Промежуточные и конечные продукты сгорания
ацетилена, такие, как СО, СО2, С, Н2О, радикалы СN-, ОН-, получающиеся
при частичном сгорании ацетилена в азот-кислородной смеси. Возможны
такие реакции, как:
Ti + Н2О → TiO2 + H2;
Na2O + CO2 → Na2CO3;
Ti + О2 → TiO2;
Ti + CO2 → TiO2 + C;
2C + N2 → C2N2;
N2 + O2 → 2NO;
NO + O2 → 2NO2;
2NO2 + 2Ti → 2TiO2 + N2;
2NaN3 → 2Na + 3N2;
2Na + CO → Na2O + C;
Na2O + TiO2 → Na2TiO3 и т.д.
В целом все эти гомофазные и гетерофазные реакции, так или иначе,
влияют на весь ход процесса образования конечного продукта – нитрида
титана, что приводит к изменению реального выхода конечного продукта
от теоретического расчетного количества.
582
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Ход этих возможных перечисленных выше реакций обычно трудно
предсказуем, но очевидно, что на протекание их оказывает значительное
влияние
такие
параметры
системы,
как
давление,
температура,
концентрации тех или иных веществ.
Наиболее нежелательными при этом являются реакции окисления
титана. Технически заметное окисление нитрида титана начинается при
температурах выше 700—800° С.
Нитрид титана стехиометрического состава устойчив по отношению
к действию СО, нитрид с недостатком азота легко разлагается СО и СО2.
Окисление стехиометрического TiN углекислым газом идет медленно по
реакции
2TiN + 4CO2 → 2TiO2 + 4CO + N2
Константа скорости которой выражается уравнением для реакций
второго порядка [2]
K=
где
4∆p
pτ ( p − 4 ∆p )
p - начальное давление СО2 ,
∆p - изменение давления за время τ реакции
После напыления образцы подвергались исследованию. Полученное
покрытие имело толщину 40 мкм. Масса образованного слоя равна 300 мг.
Цвет покрытия черный с налетом желтого цвета. В результате был
проведен рентгенофазовый анализ полученного покрытия (рис. 2).
583
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис.2. Рентгенограмма полученного покрытия нитрида титана
Из рентгенограммы видно, что побочные продукты типа оксида и
гидроксида натрия в нитридах отсутствуют. На данном этапе исследований
представленные результаты рентгенофазового анализа подтверждают
возможность создания промышленных технологий формирования слоев
покрытий нитридов металлов.
Топография поверхности покрытия нитрида титана при 12 000кратном увеличении представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структура покрытия нитрида титана
Далее были проведены испытания на твердость и износостойкость.
Для этого готовилась шлифованная поверхность образца. Твердость по
Виккерсу полученного покрытия оказалась равной 402 кгс/мм2, что не
соответствует твердости нитрида титана, превышающей 2000 кгс/мм2.
Однако, это можно объяснить тем, что полученная пленка нитрида титана
584
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
была
частично
разрушена
при
шлифовании,
и
внутренние
слои
полученного материала представляют собой композит, включающий
непрореагировавший титан.
В итоге, очевидно, что получение нитридов методом газовой
детонации принципиально возможно, но они неизбежно будут загрязнены
оксидами металлов (Ti, Na), титанатами, карбонатами, сажей. Причем доля
получаемых нежелательных продуктов будет весьма значительной в массе
покрытия.
Тем не менее, тест на износостойкость показал результаты выше, чем
стойкость
к
истиранию
широко
используемого
в
процессах
детонационного напыления карбида вольфрама. При этом скорость
изнашивания на тестовых нагрузках составила 30-35 мкм/час.
Литература
1.
Синтез
Ганигин С.Ю., Ибатуллин И.Д., Ненашев М.В., Якунин К.П.
твердосплавных
материалов
в
технологическом
процессе
детонационного напыления // Известия Самарского научного центра РАН.
Том 15, №4(2), 2013. – С. 451-454.
2.
Pollard F., Woodwart P. – Tran. Frad. Soc. 1950, 64, 190.
585
25-26 сентября 2013, Саратов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА
НИТРИДА БОРА ПО АЗИДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СВС
Д.Р. Сафаева
Научный руководитель: ассистент Ю.В. Титова
Самарский государственный технический университет, г. Самара
Нитрид бора – бинарное соединение бора и азота, нетоксичное,
инертное вещество, не смачиваемое большинством расплавленных
металлов и не взаимодействующее со многими химическими реагентами.
Кристаллический нитрид бора изоэлектронен углероду и, подобно ему,
существует
в
нескольких
аллотропных
модификациях.
Известны
следующие аллотропные модификации нитрида бора [1]:
– гексагональная (α) графитоподобная кристаллическая структура
(белый графит);
– кубическая (β) типа сфалерита, подобная алмазу (боразол,
кубонит);
– плотная гексагональная (γ), типа вюрцита, подобная лондслейту.
Нитрид
бора
нашел
широкое
применение
в
реакциях
промышленного органического синтеза и при крекинге нефти, в изделиях
высокотемпературной техники, в производстве полупроводников, при
получении высокочистых металлов, газовых диэлектриков, как средство
для
тушения
возгораний.
Из
нитрида
бора
изготовляют
высокоогнеупорные материалы, проявляющие как полупроводниковые,
так и диэлектрические свойства [2].
Термодинамические особенности полиморфизма нитрида бора
обусловили появление большого количества материалов на основе его
плотных модификаций и различных технологий его получения. Белая
586
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
модификация применяется для получения высокоогнеупорных материалов,
армирующих волокон, как полупроводниковый материал, сухая смазка для
подшипников, поглотитель нейтронов в ядерных реакторах.
Основанием для широкого применения боразона в инструментах,
послужила наибольшая твёрдость, приближающаяся к твёрдости алмаза.
Из боразона изготавливают изделия, применяемые в высокотемпературной
технике: тигли, изоляторы, тигли для получения полупроводниковых
кристаллов, детали электровакуумных приборов; он применяется для
производства
полупроводниковых
приборов и
интегральных
схем:
твердотельные планарные источники примеси бора, диэлектрические
прокладки конденсаторов, деталей электровакуумных приборов: окон
выводов энергии, стержней теплоотводов [3].
Нитрид бора обычно получают реакцией оксида бора B2O3 с
аммиаком NH3 при температуре около 2000 ºC, плазмохимическим
синтезом, когда в струю азотной плазмы при температуре 4700-5800 ºC
подаётся аморфный бор, при пиролизе при 1000-2000 ºC смеси летучих
соединений азота и бора, методом СВС с содержанием азота 54,8 % и
общего бора 45,1 %. [4-5].
Преимущество метода СВС перед всеми другими в том, что он
отличается простотой, большей производительностью и меньшими
энергозатратами.
Целью
данной
работы
является
исследование
возможности
получения и условий синтеза нитрида бора методом СВС из систем
«NH4BF4 – 4NaN3» и «KBF4 – 3NaN3».
Для определения возможности протекания реакций, адиабатических
температур горения, теплового эффекта реакции и состава продуктов
синтеза были проведены термодинамические расчеты с помощью
компьютерной программы «Thermo».
587
25-26 сентября 2013, Саратов
Результаты показали, что все системы, содержащие тетрафторборат
аммония и азид натрия, кроме «5NH4BF4 – 4NaN3» способны к
самостоятельному горению. Наибольшая температура наблюдается в
системе с содержанием тетрафторбората аммония 1 моль и составляет
1900 К. Для систем, содержащих тетрафторбрат калия и азид натрия, к
самостоятельному горению способны системы с содержанием KBF4 1–2
моля. Наибольшая температура наблюдается в системе с содержанием
тетрафторбората калия 1 моль и составляет 1700 К. Также были проведены
расчеты содержания исходных компонентов для смеси с помощью
компьютерной программы «Stehio».
Экспериментальная часть работы сводилась к проведению синтеза
нитрида бора в реакторе СВС. Результаты показали, что с увеличением
содержания галоидной соли, температура и скорость реакции снижаются, и
при содержании галоидных солей более 3 молей реакции не протекают,
что согласуется с термодинамическими расчетами.
Для
определения
состава
продуктов
горения
был
проведен
рентгенофазовый анализ на дифрактометре ARL X'trA-138. Непромытые
продукты синтеза содержат 2 фазы (рисунок 1): нитрид бора (BN) и
тетрафторборат аммония (NH4BF4).
Рис. 1. Результаты РФА продуктов,
синтезированных из шихты «1NH4BF4 + 4NaN3»:
– BN,
– NH4BF4
588
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Определение
структуры
и
размеров
полученных
порошков
проводилось с использованием растрового электронного микроскопа
«Jeol». Результаты показали, что нитрид бора синтезируется в виде
сферических частиц и частиц неправильной формы (рис. 2). Средний
размер частиц составляет порядка 100-200 нм.
Рис. 2. Морфология частиц нитрида бора,
синтезированного из шихты «NH4BF4 + 4NaN3»
В ходе исследований установлено, что оптимальной системой для
синтеза нитрида бора является система «1NH4BF4 – 4NaN3».
Литература
1. Самсонов, Г. В. Нитриды [Текст] / Г. В. Самсонов. – Киев:
Наукова думка, 1969. – 380 с.
2. Амосов, А. П. Азидная технология самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов [Текст] /
А. П. Амосов, Г. В. Бичуров. – М.: Машиностроение-1, 2007. − 526 с.
3. Шипило, В.Б. Структура и свойства композиционных материалов
на основе кубического нитрида бора, спеченных при высоком давлении
[Текст] / В. Б. Шипило, Н. Г. Аниченко, И. М. Старченко, Е. М. Шишонок
// Сверхтвердые материалы, 1996. – № 5. – С. 8–13.
4. Сирота, Н. Н. Полиморфное α→β превращение нитрида бора
[Текст] / Н. Н. Сирота, Н. А. Кофман // Докл. АН СССР, 1979. – Т. 249, –
№3. – С. 1346–1348.
589
25-26 сентября 2013, Саратов
5. Лагунов, Ю. В. Гексагональный нитрид бора, полученный
методом СВС с восстановительной стадией [Текст] / Ю. В. Лагунов, С. Н.
Пикалов // Абразивы, 1983. – № 2. – С. 14–16.
ТЕХНОЛОГИЯ РЕГИСТРАЦИИ ВЫЗВАНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ
В СИСТЕМЕ НЕВРОЛОГИЧЕСКОГО СКРИНИНГА
А.В. Томашвили, Д.В. Казмирук, И.В. Семененко
Научный руководитель: к.б.н А.Ф. Индюхин
Тульский государственный университет, г. Тула
В настоящее время методы анализа ЭЭГ имеют явный крен в пользу
исследований
в
использованием
частотной
цифровых
области
окон,
преобразование
–
вейвлет-анализ,
Фурье
с
полиспектральные
преобразования, функции когерентности. Их применение под силу только
высококвалифицированному персоналу, владеющему, кроме медицинских
знаний,
еще
и
математическим
аппаратом.
В
результате
такого
направления развития диагностических систем они все больше отдаляются
от скринингующих.
Применение для диагностики неврологических нарушений метода
вызванных
потенциалов
остается
высококвалифицированных
специалистов,
диагностики
благодаря
достигается
уделом
поскольку
узких
эффективность
продолжительному
времени
обследования. Аппаратно этот метод отделен от ЭЭГ и воспринимается
как совершенно независимый, хотя основан на той же регистрации ЭЭГ.
Объединение этих методов возможно только на основе разработки нового
метода выделения ВП из реализации ЭЭГ.
590
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Среднелатентные зрительные вызванные потенциалы (ЗВП) на
вспышку регистрируются на специализированных компьютерных системах
(например, «Электроретинограф» фирмы МБН, г. Москва) методом
синхронного накопления, когда отрезки электроэнцефалограммы (ЭЭГ)
суммируются, начиная с момента подачи вспышки фотостимулятором.
Результат получается после 50 – 100 вспышек, поскольку в суммируемых
отрезках ЭЭГ присутствует в случайной фазе, и после многократного
суммирования стремится к своему математическому ожиданию, т. е. к
нулю.
При
этом
ЗВП,
имеющие
более
регулярный
характер,
накапливаются и становятся заметными, несмотря на свою малую
амплитуду (единицы мкВ). Длиннолатентные вызванные потенциалы,
чаще именуемые когнитивными (КВП) или Р300 (по латентности главного
положительного пика, возникающего около 300 мс после афферентного
стимула), регистрируются, как правило, на других компьютерных
системах, имеющих в своем составе аудиостимулятор, а также кнопку для
связи с компьютером. Это обусловлено самой методикой выделения Р300:
испытуемый должен опознать среди однотонных звуковых стимулов
случайным образом возникающие стимулы другого тона, и отреагировать
на них нажатием кнопки. В синхронном накоплении участвуют только те
отрезки ЭЭГ (25 – 50 реализаций), которые следуют за значимым
стимулом. В то же время в литературе указывается на возможность
регистрировать Р300 на любые другие стимулы [1].
Рассматривается диагностическая система, которая не только
регистрирует одновременно ЗВП и КВП, но также получает единичные
реализации вызванных потенциалов.
Известны способ и устройство для регистрации КВП, основанные на
использовании самонастраивающегося фильтра, который выделяет из ЭЭГ
доминирующий ритм. При вычитании его из исходного сигнала можно
выделить когнитивную составляющую и определить Р300 [2]. Такая система
591
25-26 сентября 2013, Саратов
не может зарегистрировать ЗВП, поскольку время переходного процесса у
нее составляет 0,15 – 0,2 с, и главные компоненты ЗВП – пики N75 и P100
будут потеряны из-за недоподавления доминирующего ритма. На рис. 1
представлен
среднестатистический
график
вызванного
потенциала,
построенный по литературным данным.
Рис. 1. График вызванного потенциала, содержащий среднеи длиннолатентные составляющие
Известное
устройство
работает по
принципу самонастройки,
опорным сигналом служит доминирующий ритм, например, альфа-ритм
ЭЭГ. В проводимых нами экспериментах испытуемому предъявляются
вербальные и символьные стимулы на экране компьютера. При этом
альфа-ритм угнетается, иногда до полного исчезновения. Для выделения из
ЭЭГ единичных реализаций ВП предприняты следующие меры:
– в устройство введен блок предварительной настройки;
– используется фильтр низких частот вместо полосового.
Известная система модифицируется в соответствии с рис. 2.
592
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 2. Система диагностики вызванных потенциалов:
ФС – фотостимулятор; П - пациент; У – усилитель ЭЭГ; НФ - низкочастотный фильтр;
БУ - блок управления; БП – блок переключения; ПУ – пороговое устройство;
СФ – сглаживающий фильтр; Р – регулятор
В
отличие
от
полосового
фильтра,
у
фазовой
частотной
характеристики фильтра низких частот нет точки перехода через ноль.
Поэтому невозможно использовать фазовые детекторы, как в известном
устройстве. На рис. 3 показана структура цепи, регулирующей частоту
среза НФ таким образом, что коэффициент подавления доминирующего
ритма
поддерживается
на
постоянном
уровне
независимо
индивидуальных особенностей испытуемого.
Рис. 3. Структура цепи регулирования фильтра низких частот:
И – интегратор, ДП – датчик пребывания сигнала в положительной фазе,
ДМ – датчик пребывания сигнала в отрицательной фазе; Сч1 – Сч4 – счетчики
интервалов времени; БЛ – блок логики
593
от
25-26 сентября 2013, Саратов
В качестве фильтра низких частот используется фильтр Баттерворта
третьего порядка с передаточной функцией:
W ( h) =
1
,
(Tp + 1)(T p 2 + Tp + 1)
2
где Т – постоянная времени, с.
Фильтр и регулятор реализуются в цифровом виде, в частности,
структура фильтра имеет вид, показанный на рис. 4.
Рис. 4. Структура цифрового фильтра Баттерворта
Коэффициенты рекуррентного уравнения аi и bi вычисляются на
каждом
шаге
решения.
При
работе
предлагаемого
устройства
управляющий сигнал на перестройку фильтра можно сформировать только
после прохождения первого полупериода доминирующего ритма, и время
регулирования получается несколько больше, чем в известном устройстве.
Это не влияет на точность работы устройства, поскольку все равно процесс
настройки происходит до предъявления стимула.
В
настоящее
время
отрабатывается
методика
эксперимента,
поскольку предстоит уточнить целесообразность пребывания испытуемого
часть времени с закрытыми глазами, или для успешной настройки будет
достаточно остаточного уровня альфа-ритма.
Применение
предлагаемого
устройства,
позволяющего
одновременно регистрировать единичные реализации зрительных и
когнитивных
вызванных
потенциалов
594
открывает
возможность
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
сопоставления сенсорного и когнитивного ответов. Это может быть
использовано в диагностических целях. По предварительным данным, при
неврологических нарушениях меняется не только параметры отклика
(амплитуда, латентность), но и его топология (превалирование в
различных зонах коры), а также и статистическая связь параметров
последовательных ответов на один и тот же стимул.
Другим аспектом применения устройства может стать разработка
принципиально нового «детектора лжи». Такая методика может оказаться
более чувствительной, чем предлагаемая в [3], поскольку существенной
нам представляется именно динамика изменения промежутка между
составляющими ВП, необходимого для принятия решения и формирования
«правильного» ответа на поставленный вопрос.
Актуальной
представляется
также
задача
построения
нейроинтерфейса. В системе «мозг - компьютер» не получено до
настоящего времени достаточно «быстроходного» способа идентификации
формируемой мозгом команды. Предлагаемое устройство, выделяющее
отклик мозга из фоновой активности, принципиально должно обладать
наивысшим быстродействием.
Литература
1.
Опыт применения вызванных потенциалов в клинической
практике / Под ред. В.В. Гнездицкого, А.М. Шамшиновой. М.: АОЗТ
«Антидор», 2001. – 480 с.
2.
Жеребцова В.А., Индюхин А.Ф.,
Соколов Э.М., Хадарцев
А.А., Васильев В.П., Морозов В.И. Способ диагностики длиннолатентного
вызванного потенциала мозга и устройство для его осуществления //
Патент РФ № 2240036 от 20.11.2004 г.
3.
Исайчев Е.С., Исайчев С.А., Насонов А.В., Черноризов А.М.
Диагностика скрываемой информации на основе анализа когнитивных
595
25-26 сентября 2013, Саратов
вызванных потенциалов мозга человека // Национальный психологический
журнал, 2011. - № 1(5). – С. 70 – 77
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗА
ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ХРОНИЧЕСКОЙ ОБСТРУКТИВНОЙ
БОЛЕЗНИ ЛЕГКИХ
А.А. Буланова
Научные руководители: д.м.н., профессор Е.Б. Букреева,
д.ф.-м.н., профессор Ю.В. Кистенев,
к.ф.-м.н. О.Ю. Никифорова
Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск
Сегодня, несмотря на политику пропаганды здорового образа жизни,
многие люди продолжают курить. Одним из самых пагубных последствий
курения является развитие хронической обструктивной болезни легких
(ХОБЛ). К сожалению, количество людей, страдающих этой болезнью
постоянно растет. На сегодняшний день ХОБЛ остается одной из ведущих
причин заболеваемости и смертности людей не только в нашей стране, но
и
во
всем
мире.[1]
По
прогнозам
ведущих
специалистов
распространенность и экономический ущерб от ХОБЛ в ближайшие
десятилетия будут только расти. [2] Это связано не только с влиянием
экологических факторов окружающей среды и курением, но и с
увеличением продолжительности жизни, так как чем дольше люди живут,
тем дольше подвергаются влиянию различных факторов, проводящих к
развитию данной болезни. Как причина летальности ХОБЛ занимает 4-е
место в мире в возрастной группе старше 45 лет и является единственным
заболеванием, при котором летальность продолжает увеличиваться. По
596
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
данным «Исследование глобального ущерба от заболеваний» к 2030 году
ХОБЛ выйдет на 3е место среди причин смертности. [3].
Вопрос диагностики ХОБЛ очень актуален. Основные наиболее
информативные методы (бронхоскопия, бронхоальвеолярный лаваж, бражбиоптаты),
которые
используются
в
настоящее
время,
являются
инвазивными и тяжело переносимыми для пациентов. Поэтому большое
внимание уделяется разработке новых простых и неизвазивных методов
диагностики. Одним из таких методов является анализ выдыхаемого
воздуха.
Для
проведения
газоанализа
применяется
как
собственно
выдыхаемый воздух, так и его конденсат. Для получения конденсата
выдыхаемого воздуха необходимо большое количество воздуха (для
получения 1-3 мл конденсата необходимо 10-15 минут спокойного
дыхания), что не всегда возможно при обострении ХОБЛ или при тяжелом
течении заболевания, кроме того, необходимо специальное оборудование.
[4]
Анализ
непосредственно
выдыхаемого
воздуха
не
требует
дополнительного оборудования и пробоподготовки, а объем необходимой
для анализа пробы может составлять всего несколько миллилитров, что
соответствует 2-3 секундам спокойного дыхания.
Оптико-акустический (ОА) метод является одним из наиболее
чувствительных методов газоанализа. Он применим для анализа веществ, в
спектре которых имеются линии поглощения вблизи линий генерации
источника излучения. Оптико-акустические газоанализаторы обладают
низким пределом обнаружения, хорошим временным разрешением и
достаточной селективностью. Кроме того, при использовании
акустического
газоанализатора
используется
оптико-
непосредственно
выдыхаемый воздух, что не требует дополнительной пробоподготовки.
Широко распространены ОА газоанализаторы на базе диодных лазеров [5].
Для достижения большей концентрационной чувствительности в качестве
597
25-26 сентября 2013, Саратов
источника излучения могут быть использованы мощные газовые лазеры,
например, СО2- или СО-лазеры.
В работе для регистрации спектра поглощения пробы выдыхаемого
воздуха использовался лазерный оптико-акустический газоанализатор
ILPA на основа СО2-лазера [10]. Были зарегистрированы сканы спектров
поглощения выдыхаемого воздуха в области 9-11 мкм.
Наличие в
анализируемой пробе большого количества компонентов и высоких
концентраций водяного пара и углекислого газа осложняет применение
традиционных методов газоанализа, поэтому использовался метод,
основанный на вычислении интегральной оценки состояния объекта.
Интегральная оценка состояния применяется для анализа сложных
многопараметрических систем и заключается в сопоставлении с каждым
объектом некоторого числа, позволяющего количественно оценить
близость данного, исследуемого, объекта к заданному множеству объектов
– референтной группе. Значение интегральной оценки тем больше, чем
более компактной является область, занимаемая объектами референтной
группы, и чем дальше от этой области расположен исследуемый объект.
Объектом
в
данном
случае
является
скан
спектра
поглощения
выдыхаемого воздуха здорового лица или пациента с ХОБЛ.
В
исследование
было
включено
2
группы.
Первая
группа
представлена 10 здоровыми добровольцами в возрасте от 18 до 30 лет.
Вторая группа- это 26 пациентов с ХОБЛ II-IV стадий, согласно
спирометрическим данным, в стадии обострения. В работу были включены
как мужчины, так и женщины. На данный момент нет достоверных
данных, доказывающих влияние пола на состав выдыхаемого воздуха [8].
Возраст пациентов с ХОБЛ
колебался от 30 до 75 лет. В ряде
исследований доказано, что состав выдыхаемого воздуха не меняется в
зависимости от возраста [9].
598
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Расчет интегральных оценок состояния как для пациентов, так и для
группы контроля проводился с помощью пакета программ StatSys [6] по
спектрам поглощения проб выдыхаемого воздуха в двух спектральных
диапазонах, соответствующих 10p и 10r ветвям генерации CO2-лазера
(ИО1 и ИО2 соответственно) [7].
В ходе работы было проведено
сравнение интегральных оценок
состояния объекта (здоровых добровольцев и больных ХОБЛ), полученных
при анализе сканов спектров поглощения выдыхаемого воздуха.
На рис.1 представлено сравнение интегральных оценок состояния
объекта, полученных при анализе сканов спектров
поглощения
выдыхаемого воздуха здоровых добровольцев и больных ХОБЛ.
ИО2
3
2
1
здоровые
хобл
1
2
3
4
ИО1
Рис. 1. Сравнение значения интегральной оценки состояния
пациентов с ХОБЛ и здоровых добровольцев.
Референтная группа образована здоровыми обровольцами
По
оси
абсцисс
отложены
значения
интегральной
оценки,
соответствующей диапазону 10р, а по оси ординат интегральная оценка,
соответствующая диапазону 10r. Каждая точка на графике соответствует
одному лицу. Выявлено, что интегральные оценки состояния здоровых
добровольцев и пациентов с ХОБЛ несколько различаются (точки на
графике, соответствующие здоровым лица и пациентам с ХОБЛ,
599
25-26 сентября 2013, Саратов
пространственно разделяются). Это указывает на различия в составе
выдыхаемого воздуха двух данных групп и открывает потенциальную
возможность
использования
данного
метода
при
скрининговой
диагностике.
Следующим этапом работы было более тщательное исследование
работоспособности метода для диагностики ХОБЛ.
Сканы спектров всех 26 пациентов с ХОБЛ были включены в
референтную группу. На рис. 2 представлены значения интегральной
оценки для каждого из них. Кроме того, рассчитаны значения
интегральной оценки для всей группы пациентов в целом. Как видно на
данном графике (рис.2) точки, соответствующие большинству пациентов с
ХОБЛ, оказались вблизи точки, соответствующей референтной группе (с
учетом разброса), то есть у большинства пациентов данный метод
позволяет диагностировать ХОБЛ. Однако, точки, соответствующие
нескольким пациентам, оказались за пределами области, соответствующей
референтной выборке, хотя и находятся вблизи нее.
4
ИО2
3
2
мужчины ХОБЛ
женщины с ХОБЛ
референтная группа ХОБЛ
1
1
Рис.
2
3
4
ИО1
рис.2
Значения
интегральной
оценки
состояния
пациентов
с ХОБЛ.
2. Значения интегральной оценки состояния пациентов
с ХОБЛ.
Референтная группа образована пациентами, страдающими ХОБЛ
600
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Для 2х пациентов были получены значения интегральной оценки,
существенно отличающиеся от значений, соответствующих референтной
группе. Причины этого требуют дальнейшего изучения. Также на графике
не выявлено, достаточных различий между значениями интегральной
оценки мужчин и женщин с ХОБЛ, что согласуется с данными литературы
[8].
Был проведен корреляционного анализа внутри группы пациентов с
ХОБЛ, учитывая значения частоты сердечных сокращений (ЧСС), частоты
дыхательных движений, значения форсированной жизненной емкости
легких (Фжел), объема форсированного выдоха за 1 секунду (ОФВ1),
индекса Тиффно (ОФВ1/ЖЕЛ). Выявлена обратная зависимость между
значениями интегральной оценки состояния пациента и частотой
сердечных сокращений в первом диапазоне спектра. (r1=-0,61623, p =
0,00381). Наблюдается корреляция средней степени между значениями
интегральной оценки состояния пациента и значениями Фжел в обоих
используемых диапазонах спектра (r1=0,4255, p1= 0,12931 r2=0,57727,
p2=0,03065 соответственно). Тогда как между значениями интегральной
оценки состояния объекта и значениями ОФВ1 и индексом Тиффно,
отражающих обструктивные изменения в легких, значимой зависимости не
выявлено.
Подводя итоги проведенной работы, можно говорить о том, что
данный метод позволяет проводить диагностику ХОБЛ и более детально
изучать особенности данной болезни.
Литература
1. Глобальная стратегия диагностики, лечения и профилактики
хронической обструктивной болезни легких (пересмотр 2011 г.) / Пер. с
англ. под ред. А.С. Белевского. – М.: Российское респираторное общество,
2012. – 80 с., ил.
601
25-26 сентября 2013, Саратов
2.
World
Bank/WHO
Global
Burden
of
Disease
Study
-
http://www.who.int/topics/global_burden_of_disease
3.
Chronic
respiratory
diseases
-http://www.who.int/respiratory
/copd/burden/en/index.html
4. Клименко В.А., Криворотько Д.Н. Анализ выдыхаемого воздуха как
маркер биохимических процессов в организме // Здоровье ребенка.- 2011.№1 (28)
5. Степанов Е.В. Методы высокочувствительного газового анализа
молекул-биомаркеров в исследованиях выдыхаемого воздуха //Труды
института общей физики им.А.М. Прохорова. 2005.Т. 61. С.5-47.
6. Свид. № 2006614010 РФ. Программа для ЭВМ «StatSys».
В.А. Фокин, И.С Хакимов, О.Ю. Никифорова; Заявка № 2006613281;
Заявлено 29.09.2006; Опубл. 22.11.2006.
7. Агеев Б.Г., Кистенев Ю.В., Никифорова О.Ю., Никотин Е.С,
Никотина Г.С., Фокин В.А. Применение интегральной оценки состояния
объекта для анализа выдыхаемого воздуха и диагностики заболеваний
человека // Оптика атмосферы и океана.- 2010.-23, №7. – С. 570-579.
8.
Horvath,
J.Hunt
and
P.J.
Barnes
Exhaled
breath
condensate:methodological recommendations and unresolved questions //
European Respiratory Journal, 2005; 26: pp.523–548
9. Dragonieri S, Schot R, Mertens BJ, Le Cessie S, Gauw SA, Spanevello
A, Resta O, Willard NP, Vink TJ, Rabe KF, Bel EH, Sterk PJ. An electronic
nose in the discrimination of patients with asthma and controls // The Journal of
allergy and clinical immunology, 2007; 120 (4): pp.856-62
10. Внутрирезонаторный лазерный оптико-акустический сенсор
ILPA-1.
Паспорт. Техническое описание. Руководство по эксплуатации.
ЗАО "ЭльСиЭс Фасилити Менеджмент". Новосибирск
602
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
РАЗРАБОТКА НАНОФИЛЬТРА ДЛЯ ОЧИСТКИ
ДОНОРСКОЙ КРОВИ
С.М. Хамидова
Научные руководители: д.ф-м.н., профессор А.В. Вахрушев,
д.м.н., профессор С.Б. Егоркина
Ижевский государственный технический
университет имени М.Т. Калашникова, г. Ижевск
Исследования современного состояния рынка донорской крови
показали, что качество переливаемой донорской крови не всегда
соответствует требуемым стандартам.
Зачастую лабораторных исследований, проводимых перед забором
крови у донора, бывает недостаточно для определения наличия в ней
высокомолекулярных белковых соединений, таких как вирусы, бактерии,
грибы, иммунные комплексы.
Процент аллергиков достигает 40% в популяции и около 18 % об
этом не знают, следовательно, они составляют 58-63% в популяции.
Дальнейшие исследования показали, что вследствие переливания
донорской крови в организме человека могут возникнуть следующие
осложнения:
1.
Вызов продолжительной аллергической реакции;
2.
Заражение инфекционными заболеваниями;
3.
Приобретение человеком несвойственных ранее его организму
хронических болезней.
На сегодняшний день существует несколько методов очистки крови:
1.
Гемосорбция - удаление из крови различных токсических
продуктов, используя активированный уголь или ионообменные смолы. К
603
25-26 сентября 2013, Саратов
недостаткам гемосорбции следует отнести травматизацию форменных
элементов крови, разбалансирование и снижение свертываемости крови,
метаболический
ацидоз
(накопление
кислых
продуктов
в
тканях,
недостаточное их связывание или разрушение).
2.
Плазмаферез - очищение крови от шлаков и токсинов.
Недостаток в том, что вместе с токсинами крови удаляется и плазма. С
плазмой удаляются и необходимые для организма вещества. Например,
иммуноглобулины иначе антитела факторы свертывания крови, такие как
фибриноген, протромбин и другие [1];
3.
Аутогемотерапия
-
очищение
крови,
заключается
во
внутримышечном или подкожном введении пациенту его венозной крови.
Может привести к выраженной местной воспалительной реакции и к
общим негативным симптомам в виде повышения температуры тела,
озноба, мышечных болях;
4.
Гемодиализ
–
аппарат
«искусственная
почка»
-
это
вынужденная мера при нарушении работы почек по очистке. Кроме
шлаков из крови удаляется часть полезных элементов (особенно
лейкоцитов), что увеличивает риск тромбообразования;
5.
Очищение лазером - облучение крови лазером. Существует
много противопоказаний.
Есть риск открытого кровотечения, так как
кровь во время облучения сильно разжижается.
Использование
перечисленных
методов
высокомолекулярных белковых соединений
и
приёмов
очистки
в крови сопровождается
целым рядом осложнений, поэтому нам представилось интересным
разработка нового нанофильтра, отличительной особенностью которого
является использование для фильтрации крови фильтра, содержащего
фуллерен.
Уникальность нанофильтра в том, что здесь применяется фуллерен,
который решает проблемы существующих способов очистки крови.
604
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Фуллерен обладает высокими абсорбирующими свойствами, а также
сорбционными и бактерицидными свойствами. Благодаря
эффекту
биорезонанса вирус теряет свои свойства по отношению к живой клетке.
Фуллерен также используется в медицине, как противовирусный препарат
[2].
На рис. 1 представлена модель и принцип работы нанофильтра.
Рис.1. Модель нанофильтра и принцип очистки крови
Кровь поступает по трубке в пакет через нанофильтр. В первую
очередь она поступает
в перфорированную кровосборную трубку,
равномерно распределяется в кровоподающем слое, а затем проходит через
перфорированный
фуллереновый
слой,
где
абсорбируются
высокомолекулярные белковые соединения (вирусы, бактерии, грибы,
иммунные комплексы). В дальнейшем кровь собирается и поступает по
605
25-26 сентября 2013, Саратов
трубке в пакет. Нанофильтр будет использоваться одноразово, для одного
донора.
Исследования показали, что можно определить габаритные размеры
фильтра.
В зависимости от литража будет меняться длина фильтра.
Запасы донорской крови всегда есть, поэтому её так же следует очищать. В
зависимости от объёма, будет меняться размер фильтра (рис.2). Принцип
работы тот же. Пакет донорской крови подвешивается, и кровь идёт вниз в
резервуар через фильтр.
Рис. 2. График зависимости габаритных размеров от литража
Преимущества нанофильтра:
1.
По сравнению с конкурентами нанофильтр простой в
применении, не требует специального обучения медицинского персонала;
2.
Недорогой, компактный;
3.
Универсален в применении (нанофильтр можно использовать
с любым типом системы);
4.
Обладает высокой степенью абсорбции;
5.
Локально и безопасно очищает кровь (не травмирует элементы
крови);
6.
Безболезненная процедура;
606
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
7.
Закрытый корпус препятствует повторному загрязнению
крови.
Потенциальные
потребители:
частные
клиники;
фонды,
занимающиеся благотворительностью.
На основании полученных результатов будут делаться рекомендации
по использованию этого фильтра in vivo.
В настоящий момент разработана схема фильтра, содержащего
фуллерены. Разработана методика и намечена программа эксперимента [3].
Литература
1.
Нанотехнологии в России. Нанотехнологии помогут при
атеросклерозе.
http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/nanotekhnologii-
pomogut-pri-ateroskleroze;
2.
11-12,
Европейский журнал по медицинской химии, Том 38, вопросы
ноябрь-декабрь
2003
года,
страницы
913-923
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0223523403001843;
3.
А.В.
Вахрушев,
А.А.
Шушков.
Теория
и
практика
нанотехнологий. Методические указания по проведению исследований
физико-механических свойств материалов на комплексной системе
измерений NANOTEST 600. Наноиндентирование. Ижевск, 2011.
607
25-26 сентября 2013, Саратов
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГРАНУЛЯТА
НА ОСНОВЕ ПОЛИФОРМАЛЬДЕГИДА
Д.В. Костин, А.С. Шультимова
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.Р. Самборук
Самарский государственный технический университет, г. Самара
«Metal
Ingection
Molding»
(MIM)-технология
инжекционного
формования смесей расплавов полимеров с металлическими порошками.
Это перспективная технология, которая уже на протяжении более 30 лет
успешно применяется в зарубежных странах таких как: Германия,
Австрия, Италия, Япония, Малайзия, США, Китай для серийного
производства
малогабаритных
деталей
сложной
формы
взамен
традиционным трудоемким технологиям металлообработки. Детали,
изготовленные
по
MIM-технологии,
находят
применение
в
автомобильной, химической, аэрокосмической, биомедицинской отраслях
промышленности, при производстве оргтехники, деталей компьютеров,
стрелкового оружия и других. Получаемые изделия, как правило, не очень
большие: 80% выпускаемых в мире деталей не превышают 40 грамм, когда
цена детали определяется в основном трудозатратами, а не стоимостью
материала.
В
последнее
время
промышленные
предприятия
Российской
Федерации прорабатывают вопрос освоения современной инновационной
технологии
инжекционного
прессования
и
спекания
деталей
из
металлических и керамических порошков. Но, к сожалению, возможности
отечественных предприятий в выполнении данной задачи ограничены
отсутствием в России отечественного гранулята.
608
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Гранулят (фидсток) – исходное сырье для MIM, полученное путем
гранулирования
фракцией
от
смеси
1
до
мелкодисперсных
20
мкм,
с
металлических
термопластичным
порошков
связующим
(пластификатором).
В Самарском государственном техническом университете (СамГТУ)
на кафедре «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» в
2010 году были начаты исследования МИМ процесса с целью разработки
отечественного гранулята с полиформальдегидным связующим.
Наиболее важной характеристикой гранулята является показатель
текучести его расплава (ПТР) при температуре переработки. ПТР
полимерного материала это масса полимера в граммах, выдавливаемая
через капилляр при определенной температуре и определенном перепаде
давления за 10 минут. Измерение ПТР гранулятов производилось на
приборе для измерения индекса расплава MI-2, который установлен на
кафедре «МПМН».
На начальном этапе исследований было изучено влияние на ПТР
соотношения между металлической и полимерной частями.
Гранулят, состоящий из двух компонентов: карбонильного железа и
полиформальдегида, начинает течь при содержании полиформальдегида
11,5%. При его увеличении до 15,5% текучесть составляет всего 24 г/10
мин.
Поэтому для обеспечения уровня ПТР от 200 до 500 г/10 мин,
соответствующего фидстоку Catamold 42CrMo4, необходимо введение в
рецептуру
технологических
добавок.
Были
выбраны
следующие
технологические добавки: стеариновая кислота, локсамид, пчелиный воск
и мыльные основы. С содержанием технологических добавок менее 0,5%
грануляты при заданных условиях не текут. Составы с локсамидом и
пчелиным воском, начинают течь при их содержании 0,5% и более. И их
показатель текучести расплава возрастает до 700 и 1000 г/10мин.
соответственно. Грануляты со стеариновой кислотой начинают течь при
609
25-26 сентября 2013, Саратов
ее содержании от 1% и более. ПТР гранулятов со стеариновой кислотой
возрастает до 350 г/10мин. Составы с мыльными основами
при их
содержании более 3% «не текут» их показатель текучести расплава равен
нулю. Составы с технологической добавкой в виде мыльной основы не
пригодны для МИМ-технологий.
Таким образом, наилучшие результаты, обеспечивающие заданный
уровень текучести расплава, были получены при введении в состав
гранулятов локсамида и пчелиного воска.
В процессе проведенной работы отработаны методики определения
ПТР, что позволит ускорить разработку рецептуры отечественного
гранулята. Создание гранулята из отечественных компонентов создаст
предпосылки к более быстрому развитию MIM-технологий в нашей стране
и к обновлению нашей промышленности.
Литература
1. German R.M., Bose A. Injection molding of metals and ceramics.
Princeton, New Jersy, USA, 1997. 414 p.
2. Пархоменко А.В., Амосов А.П., Самборук А.Р., Антипова А.А,
Кобзева Н.В.// Металлургия машиностроения 2012, №3, С. 38-41.
3. Пархоменко А.В., Амосов А.П., Самборук А.Р. // Наукоёмкие
технологии в машиностроении 2012, №12. С. 8-13.
4. Пархоменко А.В., Амосов А.П., Самборук А.Р., Ермошкин А.А. //
Высокие технологии в машиностроении: Матер. Всерос. научно-техн. инт.конф. с междунар. участием (Самара, 11-17 нояб. 2010 г.), Самара:
СамГТУ, 2010 , С. 202-204.
5. Пархоменко А.В., Амосов А.П., Самборук А.Р., Алтухов О.И.,
Антипова А.А, Кобзева Н.В. // Высокие технологии в машиностроении:
Матер. Всерос. научно-техн. интернет-конф. с междунар. участием
(Самара, 25-28 окт. 2011 г.). Самара: СамГТУ, 2011, С. 165-168.
610
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
6. EP Patent 0465940. Thermoplastic masses for preparing metallic
moldings. 1992.
ПОЛИМЕРЫ В МЕДИЦИНЕ
Э.Р.Рахматуллина, Р.Ю.Галимзянова, М.С.Лисаневич
Научный руководитель: д.т.н., профессор Ю.Н. Хакимуллин
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, г. Казань
Для производства стерильной одноразовой медицинской одежды и
белья широкое распространение получили нетканые материалы на основе
полимеров. Лучшим материалом по соотношению цена – качество
являются так называемые СМС-материалы (полученные по технологии
спанбонд-мельтблоун-спанбонд) на основе полипропилена.
Нужно
отметить,
что
медицинские
изделия
однократного
применения после изготовления подвергаются обязательной стерилизации.
Наиболее
эффективной
и
экологически
чистой
для
стерилизации
медицинских изделий из нетканых материалов является радиационная
стерилизация.
У изделий из нетканых материалов типа СМС на основе
полипропилена существует только один недостаток, отсутствие стойкости
к действию ионизирующего излучения при радиационной стерилизации.
Причиной является деструкция, вызываемая радиацией. В связи с этим на
сегодняшний день в мире проводится много исследований, направленных
на повышение радиационной стойкости полипропилена.
611
25-26 сентября 2013, Саратов
Целью настоящего исследования является разработка полимерного
нетканого материалов, для медицинской одежды и белья на основе
полипропилена с повышенной радиационной стойкостью.
В настоящее время можно выделить следующие направления
получения нетканых материалов, медицинского назначения стойких к
воздействию
ионизирующего
излучения:
нахождение
эффективных
стабилизаторов (антирадов); использование других полимеров, изменение
технологии получения нетканого полотна.
Было изучено влияние стабилизаторов из класса фенолов, фосфитов,
фосфонатов и аминов на радиационную стойкость нетканого материала на
основе полипропилена марки РР 1562 R, а также возможность
использования сополимеров пропилена и этилена для получения нетканого
полотна с повышенной радиационной стойкостью.
Были выбраны следующие комплексы стабилизаторов:
- фенольный антиоксидант и органически фосфит, соотношение 1:1
(стабилизатор С1);
- фенольный антиоксидант и органически бифосфит, соотношение
1:1 (стабилизатор С2);
- фенольный антиоксидант и органически фосфит, соотношение 1:1
(стабилизатор С3);
Стабилизаторы
вводились
в
расплав
полипропилена
на
пластикордере «Brabendery», после чего путем экструзии через щелевую
головку получали полимерные пленки толщиной 0,3 мм. Полимерные
пленки подвергали облучению на установке гамма-облучения
(радиационная-технологическая
показателей
установка
характеризующих
РВ-1200)
радиационную
В
60
Со
качестве
стойкость
полипропиленовых композиций были выбраны: предел текучести расплава
(ПТР), условная прочность.
612
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
После облучения дозами 15, 25, 35 Грей ПТР увеличивается в 6,2,
7,2, 8 раз соответственно. Это связано с разрывом цепей полипропилена.
Введение стабилизаторов позволяет существенно уменьшить рост ПТР, т.е.
снизить уменьшение молекулярной массы полипропилена. Наиболее
эффективное влияние оказывает стабилизатор С3.
С
увеличением
дозы
облучения
снижается
прочность
полипропилена, при облучении дозой 35 кГрей прочность полипропилена
снижается на 40 %. Стабилизированные композиции обладают прочностью
с среднем на 20 % выше чем композиции без стабилизаторов. Наиболее
высокая прочность композиций наблюдается при введении стабилизаторов
С1 и С3.
В результате проведенных исследований установлено, что наиболее
эффективными стабилизаторами являются бифосфиты
в комбинации
фенолами.
Проводили исследования по повышению радиационной стойкости
композиций, как на основе полипропилена, так и на основе сополимера
полипропилена. Был выбран сополимер марки PP 8348 SM и по
результатам предыдущих исследованиях – стабилизатор С2. При анализе
результатов испытаний ориентировались в первую очередь на изменение
наиболее чувствительного к действию радиации показателя – показатель
текучести расплава.
После воздействия радиации ПТР композиций на основе сополимера
пропилена и этилена увеличивается в 33 раза. Нужно отметить, что
положительные изменения наблюдаются и без ввода стабилизирующих
добавок. Произошедшие изменения, возможно связаны с тем, что в
противоположность
полипропилену,
который
деструктирует
под
действием радиации, этилен наоборот структурирует полимер.
Таким
образом,
в
результате
проведенных
испытаний
мы
установили, что из изученных стабилизаторов наиболее оптимальным
613
25-26 сентября 2013, Саратов
является
стабилизатор,
состоящего
из
фенольного
антиоксиданта,
органического бифосфита. Его введение приводит к наименьшему росту
показателя текучести расплава. На основе оптимального состава на
оборудовании ООО «Завод Эластик» были выпущены опытные партии
нетканого материала СМС конструкции, плотность 35г/м2.
Деструкция полипропилена и сополимера полипропилена и этилена,
в результате различных тепловых и автоокислительных реакций, протекает
достаточно эффективно после облучения и, что особенное важно отметить,
продолжается во время хранения изделий. В связи с этим возникает
необходимость изучения влияния ионизирующего излучения и свойства
нетканого материала в течении всего срока хранения изделий, который,
как правило, составляет 2 года. Опытные партии материалов
облучены
на
радиационно-технической
установке
были
«Электронный
стерилизатор» с ускорителем электронов УЭЛВ-10-10-с-70 дозами 20 и 45
кГрей.
Далее
образцы
материала
подвергали
ускоренному
термоокислительному старению при температурах 100, 90, 80ºС. В
качестве характерных показателей хранения были выбраны: прочность при
растяжении и относительное удлинение в продольном и поперечном
направлении. Полученные зависимости сравнивались с необлученными
образцами, которые также подвергались термоокислительному старению в
аналогичных условиях.
При ускоренном старении в наиболее жестких условиях (100ºС),
наблюдаются следующие результаты
С увеличением дозы облучения для всех материалов уменьшается
прочность при растяжении (продольная) и наблюдается, по сравнению с
необлученными материалами, существенное снижение относительного
удлинения. Нетканый материал на основе полипропилена с добавкой
стабилизатора-антирада при низких дозах облучения имеет более высокие
значения прочности по сравнению с прочностью нетканого материала на
614
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
основе полипропилена без добавок антирада на протяжении всего времени
термоокислительного старения, с повышением дозы облучения эта разница
уменьшается.
Добавки стабилизатора-антирада снижают относительное удлинение
нетканых материалов и на основе полипропилена и на основе сополимера
пропилена с этиленом. После облучения относительное удлинение
материала на основе полипропилена уменьшилось в два раза.
При менее жестких условиях термоокислительного старения (80ºС)
закономерно наблюдается менее интенсивное падение показателей, в
целом же характер зависимостей сохраняется.
Таким образом, можно заключить, что использование добавокфенольный антиоксидант и органического бифосфита в диапазоне доз
радиационной
стерилизации,
повышает
радиационную
стойкость
нетканого материала на основе полипропилена и сополимера пропилена и
этилена.
Литература
1.
Информационный
перспективы
развития
/
ресурс
сайт
Снабженец,
«Технический
№28,
ресурс]http://www.snab.ru/razdely/stati.html,
текстиль:
2008»
[Электронный
свободный.
Проверено:
6.06.2013.
2. Информационный ресурс сайт «Здравмедтех: Европейская
ассоциация одноразовых и нетканых изделий Edana / Брошюра «Чтобы
правильно выполнить работу, нужно правильно одеться. Нетканые
материалы
для
[Электронный
медицинской
одежды
одноразового
ресурс] http://www.catimage/st_1.htm,
пользования»
свободный.
Проверено: 10.06.2013.
3. Мальнев С.А. Нетканые материалы / С.А. Мальнев // Журнал
«Нетканые материалы», №3 (4), 2008. – С.22-26
615
25-26 сентября 2013, Саратов
4. Hambreus A. Protection of the patient in the operation suite /
A.Hambreus, G.Laurell // J. Hosp. Inf. – 1980. – Р.78-100.
6. Иванов В.С. Радиационная химия полимеров / В.С. Иванов. – М.:
Химия, 1988. – С.238-244.
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ
НАНОДИСПЕРСНЫХ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ
А.Д. Сытченко
Научный руководитель: к.ф.-м.н. П.А. Ряполов
Юго-Западный государственный университет, г. Курск
Магнитные жидкости (МЖ) представляют собой коллоидный
раствор ферро- или ферримагнитных наночастиц в немагнитной жидкостиносителе. Главной особенностью МЖ в сочетании с высокой текучестью
является способность взаимодействовать с внешним магнитным полем.
Они нашли широкое применение в современной технике в качестве сред с
управляемыми физическими параметрами.
Если на первоначальной стадии исследования МЖ ставилась задача
получения стабильных систем, то в настоящее время актуальной является
задача получения МЖ с заданными свойствами, определяющимися
дисперсным составом коллоида, межчастичными взаимодействиями и
степенью агрегирования, которые во многом зависят от магнитных и
геометрических параметров наночастиц и распределения их по размерам.
Методика получения и результаты исследования структуры образцов
В данной работе изучено влияние методики получения магнитных
жидкостей на дисперсный состав и структурные параметры МЖ. Для
616
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
анализа использовался магнитогранулометрический анализ (МГА) и
просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).
Для исследования были синтезированы пять образцов МЖ по
различным алгоритмам при различных условиях и отличающихся друг от
друга дисперсным составом и структурными параметрами.
Образец МЖ-1 получены по методике химической конденсации [1]:
1.
Получение высокодисперсного магнетита методом химической
конденсации, его осаждение и отмывка от сопутствующих продуктов.
2.
Пептизация («отбивка воды») путем добавления ПАВ с малым
количеством дисперсионной среды с получением пасты.
3.
Диспергирование пасты в дисперсионной среде с получением
технической магнитной жидкости.
4.
Магнитная сепарация и центрифугирование.
5.
Измерение физико-химических свойств магнитных жидкостей
При получении образца МЖ-2 были объединены стадии пептизации
и
диспергирования
в
жидкость-носитель.
ПАВ
предварительно
смешивался с жикостью-носителем, полученный раствор вливался в
водный раствор магнетита.
В стадии пептизации при синтезе образца МЖ-3 ПАВ вводился
вместе с неполярным растворителем (ацетоном) для лучшей абсорбции на
частицах магнетита [2].
В предыдущих вариантах синтеза значительное время занимала
отмывка магнетита от сопутствующих продуктов: приходилось несколько
раз промывать образец до ph7. Образцы МЖ-4, МЖ-5 были получены
объединением стадий 1-3: приливом в раствор солей предварительно
приготовленного водного раствора аммиака, ПАВа и дисперсионной
среды. Соли в образце МЖ-6 осаждались при комнатной температуре, в
образце МЖ-5 при температуре 500C.
617
25-26 сентября 2013, Саратов
В таблице 1 представлены физические параметры полученных
образцов: плотность ρ, концентрация твердой фазы φт, начальная
магнитная
χ,
восприимчивость
средний
диаметр
частицы
x0 ,
намагниченность насыщения Ms, доля магнитных включений φ, средний
диаметр частицы <x>, дисперсия распределения частиц σ. Для получения
кривых намагничивания использовалась установка, подробно описанная в
[3,4]. Анализ кривых намагничивания производился на основе теории
ММF2 [5]. Результаты аппроксимировались Гамма-распределением [6].
Таблица 1
Образец
ρ, кг/м3
φт, %
χ
Ms, кА/м
φ, % <x>, нм
σ
МЖ1
1315
11,6
3,5
45,8
9,5
9,1
0,38
МЖ2
1053
5,7
0,92
20
4,2
8,8
0,43
МЖ3
1240
9,9
3,2
43
9,0
8,1
0,49
МЖ4
1493
15,6
3,3
63,4
13,2
7,9
0,47
МЖ5
1872
24,1
6,3
96,3
20,1
6,7
0,52
Для
исследования
структурных
параметров
образцы
анализировались на просвечивающем электронном микроскопе JEM 2100.
Реплики готовились следующим образом: исходная МЖ разбавлялась до
концентрации 0,1 %, полученный раствор наносился на подложку и
высушивался в естественных условиях. На рис. 1а показан характерный
снимок монослойной реплики образца МЖ1, полученный при ускоряющем
напряжении 250 kV, длина маркера 50 нм. Необходимо отметить в образце
МЖ2 наблюдается наибольшее агрегирование (рис. 1б - ускоряющее
напряжении 30 kV, длина маркера 500 нм), частицы собираются в
агломераты, практически отсутствует монослойное расположение частиц,
это свидетельствует о неполном покрытии магнитной наночастицы ПАВ.
618
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
a
б
50 нм
500 нм
Рис. 1. Снимки МЖ1, МЖ2, полученные ПЭМ
Результаты статистической обработки снимков, а также кривые
распределения частиц по размерам, полученные МГА, представлены на
рис.2.
0,2
0,2
f(x)
0,15
f(x)
0,1
a-МЖ1
б-МЖ2
0,1
0,1
0,05
0,0
x, нм
0
1
0,2
5
9
13
17
21
25
1
0,2
f(x)
0,1
x, нм
0
5
9
1
0,1
2
2
f(x)
0,1
в-МЖ3
17
г-МЖ4
0,1
0,0
0,0
x, нм
0
1
0,2
x, нм
0
5
9
1
17
2
2
1
5
9
1
17
f(x)
0,1
д-МЖ5
0,1
0,0
x, нм
0
1
5
9
1
17
2
2
Рис. 2. Результаты статистической обработки данных просвечивающей электронной
микроскопии, распределение частиц МЖ по размерам, полученное МГА
619
2
2
25-26 сентября 2013, Саратов
Выводы
Из
полученных
данных
следует,
что
образец
МЖ1
имеет
наибольший средний размер частиц, образцы МЖ3 – МЖ5 имеют
наименьший средний размер частиц, однако МЖ5 характеризуется
повышенной дисперсией размера частиц, что является следствием
прохождения реакции при нагреве. Учитывая все вышесказанное можно
утверждать, что оптимальным алгоритмом синтеза является технология
получения образцов МЖ4, МЖ5, они характеризуются наибольшим
значение намагниченности. Повышение температуры синтеза выше 300С
приводит к дегидратации осадка, что оказывает существенное влияние на
размеры частиц магнетита и дисперсию. Таким образом, изменяя порядок
взаимодействия
компонентов
МЖ,
удается
существенно
изменить
дисперсный состав и улучшить технические характеристики МЖ.
Литература
1.
Бибик, Е.Е. Достижения в области получения и применения
ферромагнитных жидкостей [Текст] / Е.Е. Бибик [и др.]// М.: ЦНИИ
Электроника, 1979. – С. 60.
2.
Грабовский,
Ю.П.
Некоторые
вопросы
стабилизации
магнитных жидкостей в углеводородных средах [Текст] // Сб. науч. трудов
11ой Международной Плесской конф. по магнитным жидкостям. Иваново:
ИГЭУ, 2004. – С. 8-13.
3.
Емельянов С.Г. Об оценке физических параметров магнитных
наночастиц [Текст] / С.Г. Емельянов, В.М. Полунин, П.А. Ряполов [и др.]//
Акуст. журн. 2010 – Т. 56. – № 3. – С. 316–322.
4.
V.M. Polunin On the estimation of physical parameters of magnetic
nanoparticles in magnetic fluid [Text] / Polunin V.M., Kobelev N.S., Ryapolov
P.A., [et al.]// Magnetohydrodynamics - Vol. 46 (2010), - No. 1, - pp. 31–40.
5.
Pshenichnikov,
A.F.
Magneto-granulometric
620
analysis
of
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
concentrated ferrocolloids [Text] / A.F. Pshenichnikov, V.V. Mekhonoshin,
A.V. Lebedev // J. Magn. Magn. Mater., 1996. – Vol. 161. – P. 94-162.
6.
Ivanov A.O. Magnetogranulometric Analysis of Ferrocolloids:
Second-Order Modified Mean Field Theory [Text] / A.O. Ivanov, O.B.
Kuznetsova // Kolloidnyi Zhurnal, 2006. – Vol. 68. – No. 4. – Р. 472–483.
ВОЗМОЖНОСТИ НОРМАЛИЗАЦИИ ФОРМЫ ЗУБНОЙ ДУГИ
ВЕРХНЕЙ ЧЕЛЮСТИ ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ СУЖЕНИИ
И.Ю. Розалиева, Ю.Ю. Розалиева
Научный руководитель: к.м.н., доцент Л.А. Гооге
Саратовский государственный медицинский
университет имени В.И. Разумовского, г. Саратов
Цель
исследования
состояла
в
определении
эффективности
применения аппарата для коррекции сужения зубной дуги верхней
челюсти (Патент на изобретение № 2324453, зарегистрирован в
Государственном реестре изобретений РФ 20.05.2008 г.) [1, 2].
Проведено обследование и лечение 35 человек в возрасте 20-25 лет.
У всех пациентов одностороннее сужение зубной дуги верхней челюсти
сопровождалось в сагиттальной плоскости дистальным соотношением
первых моляров верхней и нижней челюстей, а расположение верхних
резцов соответствовало протрузионному. Лечение осуществлялось в два
этапа. На первом этапе проводилось расширение зубной дуги верхней
челюсти и устранение протрузии передних зубов, на втором этапе
нормализовали положение нижней челюсти и рефлекторные взаимосвязи
жевательных
мышц
зубочелюстной
системы.
Общая
длительность
ортодонтического лечения одностороннего сужения зубной дуги верхней
621
25-26 сентября 2013, Саратов
челюсти составляла от 10 месяцев до 1,5 лет. Ретенционный период после
проведенного лечения продолжался от 7 месяцев до 1 года [3].
При расширении зубной дуги верхней челюсти использовался
несъемный аппарат, дополнительно снабженный миостабилизатором,
состоящим из жесткого и лабильного формирователей, расположенных на
вестибулярной дуге аппарата. Жесткий формирователь состоял из изгиба
вестибулярной дуги и фиксированного на ней съемного пластмассового
вкладыша овальной формы, на внутренней поверхности повторяющего
рельеф
изгиба
и
снабженного
боковым
отверстием
для
винта,
позволяющего регулировать силу действия вестибулярной дуги. За счет
оказываемого
на
винт
давления
усиливалось
натяжение
дуги,
а
следовательно, и сила с которой она воздействует на зубной ряд. Жесткий
формирователь
располагался
формирователь
включал
в
на
себя
стороне
сужения.
Лабильный
несколько
изогнутых
изгибов
с
фиксированными на них бусинами из пластмассы и находился на здоровой
стороне зубного ряда.
После
фиксации
ортодонтических
колец
активировали
вестибулярную дугу, укрепляемую в вертикальных трубках. Благодаря
наличию упругих свойств вестибулярная дуга способствовала расширению
зубной
дуги.
Касательные
штанги
препятствовали
вращательному
перемещению опорных зубов и способствовали корпусному перемещению
зубов
на
стороне
сужения.
Миостабилизатор
обеспечивал
функциональный компонент действия аппарата, за счет стимуляции
сократительной способности круговой мышцы рта и рефлекторного
расслабления радиальных мимических мышц.
Результаты и обсуждение. Аппарат для коррекции сужения зубной
дуги верхней челюсти, оказывая механическое и функциональное
воздействие
на
зубочелюстную
систему,
позволил
осуществить
расширение зубной дуги верхней челюсти при наличии одностороннего
622
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
сужения. Под действием предложенного нами аппарата происходила
морфологическая
перестройка
тканей,
которая
подкреплялась
функциональными изменениями.
Результаты проведенного нами исследования позволили установить,
что применение предложенного аппарата нормализовало форму и размеры
зубной дуги верхней челюсти, что способствовало нормализации
соотношения челюстей в сагиттальной плоскости у всех пациентов.
Таким образом, использование аппарата для лечения сужения зубной
дуги
верхней
челюсти
в
процессе
ортодонтической
коррекции
одностороннего сужения зубной дуги верхней челюсти клинически
эффективно.
Литература
1. Гооге Л.А., Николенко В.Н., Розалиева Ю.Ю. Аппарат для
коррекции сужения зубной дуги верхней челюсти. Патент на изобретений
№ 2324453, Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ
20.05.2008 г.
2. Гооге Л.А., Розалиева Ю.Ю. Аппарат для лечения одностороннего
сужения зубной дуги верхней челюсти. Патент на полезную модель №
62799, Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ
10.05.2007 г.
3.
Розалиева
Ю.Ю.,
Гооге
Л.А.,
Николенко
В.Н.
Способ
ортодонтической коррекции одностороннего сужения зубного ряда
верхней челюсти. Удостоверение на рационализаторское предложение №
2709, выдано СГМУ 05.06.2007 г.
623
25-26 сентября 2013, Саратов
ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРИРОВАНИЯ
БИОСОВМЕСТИМЫХ ПОРОШКОВ НА МОРФОЛОГИЮ
ПЛАЗМОНАПЫЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ
И.П. Мельникова, А.В. Лясникова, В.Н. Лясников, С.В. Веселухина
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
В современной стоматологии и травматологии для замещения
костных
дефектов
биосовместимые
различной
материалы
этиологии
на
широко
основе
используются
алюмооксидной
и
кальцийфосфатной керамик.
Для уменьшения отторжения имплантата у организма и осложнений
в
лечении
необходимо
создавать
между
костью
и
имплантатом
переходную зону, которая наряду с прочной связью с материалом
имплантата, должна иметь приемлемую для организма макро- и
микроструктуру.
Такая зона должна быть получена в виде покрытия, имеющего
определенную пористость, развитую морфологию, что требуется для
эффективной приживляемости имплантатов [1,2].
Известно, что размер пор в пористом каркасе связан с размером
частиц, из которого он состоит [3]. В разработанной и используемой нами
технологии
плазменного
напыления
керамических
покрытий
на
внутрикостные имплантаты из титана с пористым титановым подслоем
используется порошок с размером частиц от 40 до 100 мкм [4,5].
Известен
способ
гранулометрическому
ультрадисперсной
и
повышения
составу,
мелкой
качества
приводящий
фракций,
624
который
порошков
к
по
устранению
заключается
в
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
агломерировании с применением длительного отжига и последующего
легкого размола [6]. В процессе высокотемпературного отжига мелкие,
наиболее активные частицы исходного порошка, припекаются друг к другу
и к более крупным частицам, а при последующем легком размоле не
отделяются в виде самостоятельных частиц.
Крупные же конгломераты (60-70 мкм), малоактивные при отжиге,
разрушаются в процессе размола до более мелких частиц исходного
размера. Таким образом, предварительно отожженный и размолотый
порошок становится менее полидисперсным, чем исходный, и структура
пористых каркасов из него получается более однородной. Исчезает мелкая
фракция, порошки становятся более равномерные по гранулометрическому
составу с увеличенным средним размером частиц.
В данной работе исследовали влияние процесса агломерирования на
морфологию
плазмонапыленных
покрытий
из
агломерированных
порошков гидроксиапатита (ГА) размером 40-90 мкм и ГА покрытия,
модифицированного порошком наноструктурного бемита (АlOOH) с
размером частиц ~50 нм.
Шероховатость
покрытия
определяли
на
микропроцессорном
профилграфе-профилометре «Калибр 170011» или цифровом комплексе
«Калибр 170063».
Порошок ГА перед напылением или плазмонапыленные ГА
покрытия, модифицированные методом пропитки суспензией на основе
бемита,
агломерировали
отжигом.
Пропитку
покрытий
выполняли
суспензиями на основе бемита в ваннах с наночастицами бемита в
количестве 1 г на 10 мл дистиллированной воды и 5%-ного раствора в
дистиллированной воде ПАВ полиэтиленгликоля ПЭГ-400 при наложении
ультразвука (УЗ) частотой 35 кГц. Исследуемые объекты агломерировали
отжигом в керамической лодочке в муфельной печи при температурах:
порошок ГА – в интервале 800-1000 °С (Тпл = 1614 °С), покрытия – 200 °С
625
25-26 сентября 2013, Саратов
(Тразлож. (АlOOH) ~ 500 °С). После агломерирования порошок ГА
размалывали в керамическом барабане на валковой мельнице в режиме
«перекатывания».
Характерное укрупнение частиц порошка при агломерировании
способствует
получению
более развитой
морфологии
поверхности
покрытия (рис. 1, таблица 1).
а
б
Рис. 1. Морфология поверхности ГА покрытия до (а) и после (б)
агломерирующей обработки исходного порошка (90×)
Таблица 1
Влияние температуры отжига агломерирования ГА порошка (40-90 мкм)
и модифицированных ГА покрытий бемитом (~50 нм) на шероховатость
плазмонапыленных покрытий
Состав порошка
Температура
Время агломери-
Параметры шероховатости,
агломерирования
рования, ч
мкм
(T, 0C)
Ra
Rz
Rmax
Sm
ГА
Без обработки
-
5,5
45,8
54,9
58,7
ГА
800
3
9,8
69,9
97,5
143
ГА
1000
3
16,7
104
125
237
ГА + AlOOH +
без обработки
-
-
37,1
-
-
200
1
-
66,8
-
-
5 % ПЭГ-400
(с УЗ)
ГА + AlOOH +
5 % ПЭГ-400
(с УЗ)
626
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Таким
образом,
процесс
агломерирования
приводит
к
иммобилизации мелких частиц, в том числе частиц наноразмера, на
макрочастицах ГА, что приводит к развитию морфологии покрытия,
необходимой для повышения остеоинтеграции в системе «имплантаткость».
Литература
1.
Мельникова И. П. Исследование возможности повышения
функциональных характеристик биосовместимых покрытий медицинских
имплантатов за счёт изменения морфологии частиц порошков перед
электроплазменным напылением / И. П. Мельникова, А. В. Лясникова, В.
Н. Лясников // Вестник СГТУ, №3(46), 2010. – С. 68–76.
2.
Ситников
А.
А.
Подготовка
исходного
порошка
гидроксиапатита кальция для детонационно-газового напыления на
титановую основу / А. А. Ситников, В. И. Яковлев, Н. П. Тубалов, А. А.
Попова, Ю. П. Шаркеев, Е. В. Легостаева // Ползуновский Вестник, 1/1,
2012. – С. 269-272.
3.
Белов С. В. Пористые материалы в машиностроении // М:
Машиностроение, 1976. – 184 с.
4.
Лясникова
А.
В.
Стоматологические
имплантаты.
Исследование, разработка, производство и клиническое применение / А. В.
Лясникова, А. В. Лепилин, Н. В. Бекренев, Д. С. Дмитриенко. – Саратов:
Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. – 254 с.
5.
Применение
плазменного
напыления
в
производстве
имплантатов для стоматологии / В.Н. Лясников, В.В. Петров, В.Р. Атоян,
Ю.В. Чеботаревский. - Саратов, СГТУ.- 1993. - 40 С.
6.
Пат. 1634044 SU A1 H01 J 9/04. Способ изготовления
металлопористых катодов / И.П. Мельникова, Д.А. Усанов.
627
25-26 сентября 2013, Саратов
ПОЛУЧЕНИЕ CORE-SHELL ЧАСТИЦ AG@SIO2
МИКРОЭМУЛЬСИОННЫМ МЕТОДОМ СИНТЕЗА
Г.В. Гвоздев
Научный руководитель, д.х.н., профессор И.Д. Кособудский
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Наночастицы металлов и их соединения, синтезированные в
органических и неорганических диэлектрических матрицах, представляют
большой научный и практический интерес. Покрытия из композиционных
материалов на основе наночастиц серебра и диоксида кремния могут найти
применение в качестве оптических просветляющих покрытий для
солнечных панелей. Коэффициент полезного действия работы таких
фотоэлементов может быть на 10 - 15 % выше фотоэлемента без
просветляющего
покрытия.
Кроме
того,
покрытия
из
таких
наноматериалов имеют большие перспективы применения в качестве
антибликовых покрытий для мониторов [1-3].
Экспериментальная часть
Core-shell
частицы
Ag@SiO2
синтезировались
в
обратной
микроэмульсии в следующей последовательности (рис. 1):
1)
Приготавливали обратную микроэмульсию.
a)
ПАВ (Triton X-100) растворяли в циклогексане в течение 1±0.5
мин в закрытом контейнере при помощи магнитной мешалки.
b)
со-ПАВ (бутанол) добавляли в смесь ПАВ и циклогексана,
приготовленную по п. 1.a. Смесь перемешивали в течение 1±0.5 мин.
2)
В полученную микроэмульсию (п. 1.б) добавляли:
628
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
a)
водный раствор AgNO3 (0,001N). Смесь перемешивали в
течение 1±0.5 мин.
b)
водный
раствор
аммиака
(ω=30%),
после
чего
смесь
перемешивали в течение 1±0.5 мин.
c)
водный раствор N2H4 • H2O (0,005%). Смесь перемешивали в
течение 60±5 мин.
3)
После
образования
микроэмульсию добавляли
коллоидного
раствора
серебра
в
ТЭОС, после чего смесь перемешивали в
течение 60±5 мин.
Микроэмульсию выдерживали в течение 24±1 часов для более
полного протекания реакций синтеза наночастиц Ag с оболочкой диоксида
кремния.
Рис.1 Схема синтеза наночастиц Ag@SiO2
4AgNO3+ 4NH3·H2O+ N2H4·H2O = 4Ag↓ + N2 ↑+ 4NH4NO3 + 5H2O
629
(1)
25-26 сентября 2013, Саратов
Согласно
расчету
термодинамических
функции
приведенного
уравнения химическая реакция является экзотермической и протекает при
стандартных условиях без затруднений (∆G<<0). Отрицательные значения
изменения энтропии свидетельствуют о том, что в процессе реакции
восстановления серебра происходит упорядочивание термодинамической
системы, и она становится более устойчивой [4-5].
Результаты и обсуждение
В результате синтеза получали дисперсный порошок
молочного
цвета. В целях определения фазового состава образцов был проведён
рентгеноструктурный фазовый анализ. На дифрактограмме обнаружены
рефлексы, соответствующие оксиду кремния и металлического серебра
(2θ=38,18°).
Рефлексы
уширены,
что
может
свидетельствовать
о
высокодисперсном состоянии фаз.
Рис.2 Дифрактограмма core-shell частиц Ag@SiO2
Для определения Si-O-Si связи был проведён анализ инфракрасных
спектров
порошков
SiO2,
полученных
из
синтезированного
в
микроэмульсиях частиц Ag@SiO2. Результаты анализа представлены на
рис. 3.
630
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис.3. ИК-Фурье спектры частиц Ag@SiO2, без термообработки и выдержанного
в печи в течение 15±5 мин при температуре 500±5 °C
На ИК-Фурье спектрах частиц Ag@SiO2 (рис. 3), вне зависимости от
их
температурной
обработки,
присутствуют
полосы
поглощения,
характерные для аморфного диоксида кремния. Полосы поглощения при
1095 см-1 соответствуют асимметричным валентным колебаниям связей SiO-Si. Полосы поглощения при 805 см-1 связаны с симметричными
валентными колебаниями связей Si-O-Si. Но в результате термообработки
образца при T=500 ± 5 °C полоса поглощения (955 см-1) не наблюдалась на
соответствующем ИК-Фурье спектре, что, вероятно, свидетельствует об
испарении молекул этилового спирта и частичном дегидроксилировании
частиц диоксида кремния [23]. Рассмотренные полосы поглощения более
интенсивны для частиц диоксида кремния, выдержанных в печи в течение
15±5 мин при температуре 500±5 °C. Это может свидетельствовать об
увеличении
концентрации
Si-O-Si
термообработке[6].
631
связей
в
образце
при
его
25-26 сентября 2013, Саратов
Полученные
частицы
будут
характеризоваться
размерами
в
диапазоне – от 50 до 250 нм, образуя конгломераты. Эти данные получены
из обработки сканов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). На
рис. 4, для примера, представлены микрофотографии СЭМ наночастиц с
Ag–ядром и SiO2–оболочкой, полученных в обратных мицеллах.
Рис.4 Фотографии наночастиц с Ag–ядром и SiO2–оболочкой,
полученных в обратных мицеллах
В дальнейшей работе предполагается разработать физико-химические
основы методов получения и стабилизации наночастиц металлов и их
соединений на поверхности и внутри матрицы SiO2, а также исследование
структуры и свойств с целью получения материалов с уникальными
прикладными свойствами.
Выводы
1)
Разработаны методы и условия синтеза наночастиц металла
(серебра) в оптически прозрачной инертной пористой матрице SiO2.
632
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
2)
Ag@SiO2
Установлен размер и состав синтезированных core-shell частиц
в
синтезированных
образцах.
Средний
размер
частиц
определенных по микроснимкам СЭМ составлял 190-210 нм.
Литература
1.
Burda C.; Chen X.; Narayanan R.; El-Sayed M. A. // Chem. Rev. –
2005 – 105. – 1025.
2.
Taton T. A., Mirkin C. A. and R. L. Letsinger, “Scanometric DNA
Array Detection with Nanoparticle Probes” Science. vol. – 2000 – 289. –
P.1757.
3.
Гадомский
О.Н.
Высокоэффективные
просветляющие
наноструктурные оптические покрытия для солнечных элементов /
Гадомский О.Н., Алтунин К.К., Ушаков Н.М., Кособудский И.Д.,
Подвигалкин В.Я., Кульбацкий Д.М.//Журнал технической физики. – 2010.
– том 80. – вып. 7. – С.83 – 89
4.
Кудинов В.А. Техническая термодинамика Учебн пос. для
втузов.// Кудинов В.А., Карташов Э.М. М.: Высшая школа. – 2000. – 261 с.
5.
Жоров Ю.М. Термодинамика химических процессов/ Жоров
Ю.М. М.: Химия. – 1985– 458 с.
6.
FTIR,
TEM
and
NMR
Iinvestigations
of
Stöber
Silica
Nanoparticles / A. Beganskienė [et al.] // Materials Science (Medžiagotyra). 2004. - V. 10. - №4. - P. 287-290.
633
25-26 сентября 2013, Саратов
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА НА ОСНОВЕ СЕМАНТИЧЕСКИХ
МОДЕЛЕЙ
И.И. Бикмуллина
Научный руководитель: д.т.н., профессор И.А. Барков
Казанский национальный исследовательский технический
университет имени Туполева А.Н., г. Казань
В настоящей работе рассматривается задача синтеза структурной
модели информационной технологии: синтез диаграммы классов. Цель
данной работы облегчить и улучшить работу программистов.
Современным
разработчикам
объектно-ориентированных
приложений приходится создавать эффективные программные продукты
в достаточно жёсткие промежутки времени. При этом в процессе
разработки программного обеспечения хватает всевозможных трудностей.
Главное – это естественная сложность предметной области, к
которой относится решаемая задача. Всякий раз, когда при разработке
программного обеспечения возникает необходимость автоматизировать
созданные человеком сложные системы, избежать этой сложности нельзя ею можно только "овладеть". Для этого необходима хорошая предметноориентированная
модель,
проникающая
значительно
дальше
поверхностного взгляда на проблему. Если в такой модели удастся
правильно отразить внутреннюю структуру предметной области, то
разработчики программного обеспечения получат именно тот инструмент,
в котором они нуждаются.
Хорошая модель предметной области
представляет огромную ценность, но построить ее нелегко. Умеют это
делать немногие, а научить других этому искусству очень трудно.
634
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Созданные CASE-средства с использованием интеллектуальных
методов позволяют преодолеть трудности, возникающие у разработчиков
программных
систем,
более
быстрыми
темпами
и
с
меньшими
трудозатратами. В России широко используемыми CASE-средствами,
поддерживающими объектно-ориентированные методы, являются Rational
Rose Enterprise Edition 2000/2002 (фирмы Rational Software Corporation),
Oracle Developer Suite 2000 (фирмы Oracle) и др. Следует заметить, что Г.
Буч и Дж. Рамбоух являются создателями языка UML (Unified Modeling
Language), появившегося в свет в 1994 г., который положен в основу
CASE-средства Rational Rose Enterprise Edition, сотрудником фирмы, его
разработавшей, в настоящее время является Г. Буч.
В последние годы наиболее перспективной методологией для
создания
программных
систем
признана
объектно-ориентированная
методология, одним из основоположников которой является Г. Буч.
Центральное
место
в
объектно-ориентированном
анализе
и
проектировании программ занимает разработка логической модели
системы в виде диаграммы классов (class diagram).
Составными
частями
процесса
разработки
информационной
технологии с использованием CASE - средств являются:
- разработка словаря предметной области;
-разработка диаграмм с помощью языка UML (унифицированный
язык моделирования);
- синтез программ.
Унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling
Language) с помощью диаграмм детально описывает архитектуру системы.
Созданная модель делает более лёгким процесс разработки и изменения
программной системы, обеспечивает учёт всех технических требований к
ней.
635
25-26 сентября 2013, Саратов
представляет
UML
собой
относительно
открытый
стандарт,
находящийся под управлением группы OMG (Object Management Group –
группа управления объектами), открытого консорциума компаний. Группа
OMG была сформирована для создания стандартов, поддерживающих
межсистемное взаимодействие, в частности взаимодействие объектноориентированных систем. Возможно, группа OMG более известна по
стандартам CORBA (Common Object Request Broker Architecture - общая
архитектура посредников запросов к объектам).
Уже существует путь программного продукта от замысла до
создания машинного кода с помощью UML-диаграмм, например, пакета
Rational Rose.
Для большинства программистов при создании программных систем
более
очевидна
необходимость
процесса
создания
кода,
чем
моделирования самой системы. К тому же предварительное создание
модели системы включает в себя дополнительные трудозатраты, результат
которых виден только через некоторое время, и это при том, что освоение
сложных CASE-средств требует значительных усилий. Используя CASEмышление, программист уже сделает свои программы лучше, поскольку
представление программных объектов в диаграммах UML позволяет
наглядно увидеть ошибки и недоработки в полученной иерархии, легко
этой
иерархией
манипулировать,
что
при
ручном
кодировании
программист вряд ли может осуществить. Но для того чтобы перейти к
создании
и
сопровождению
кода
при
помощи
CASE-средства,
поддерживающего язык UML, такого, например, как Rational Rose,
программист должен перестроить свое представление о создании
программ. Необходимо мыслить уже в терминах языка UML, мыслить
диаграммами, а переход к такому типу мышления требует примерно такого
же усилия, как переход от процедурного программирования к объектноориентированному. Чтобы разрешить эту сложную ситуацию, Стив
636
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Меллор (Steve Mellor) и Мартин Фаулер (Martin Fowler) независимо
пришли
к
определению
трех
режимов
использования
UML
разработчиками: режим эскиза, режим проектирования и режим языка
программирования.
Безусловно, самый главный из трех – это режим использования UML
для эскизирования. С помощью эскизов вы хотите облегчить обмен идеями
и вариантами того, что вы собираетесь делать.
Предлагается искусственно интеллектуальный подход к разработке
UML модели на примере построения диаграмм классов.
Примером может послужить синтез диаграмм классов:
1)построение всевозможных моделей диаграммы классов;
2)построение оптимальной модели.
В первом случае выбор подходящего варианта из представленных
диаграмм-классов остаётся за проектировщиком.
Общая схема процесса приведена на рис.
Укрупненная схема процесса проектирования
Если поставить задачу построения оптимальной
диаграммы, то
необходимо к описанию добавлять соответствующие правила принятия
решений. Например, в первую очередь выбирать отношение наследования,
затем - отношение агрегации.
Синтез приведет к структурному решению как описание процесса
проектирования, а последний блок будет выводить геометрическое
представление диаграммы.
637
25-26 сентября 2013, Саратов
Структура данных является составной частью системы описания и
необходима при формировании базовых концепций интеллектуальной
обработки информации о какой-либо предметной области в той же
степени, что и логика предикатов. Семантика, описывающая структурные
свойства объекта предметной области, может быть выражена базовыми
элементами структуры и формулами структуризации [2]. Базовые
структурные элементы предметной области могут рассматриваться как
элементарные данные, имеющие собственный, присущий только им смысл,
их нельзя расчленить на более мелкие элементы. Первоочередная
проблема заключается в том, какими средствами можно сделать такую
структуру достаточно ясной и устойчивой. Нас в первую очередь
интересуют конструктивные методы. Конструктивность заключается в
том, что сначала задается некоторое множество элементарных данных
структурной модели программы, затем на основе этого множества
конструируется новое множество, элементы которого устроены более
сложно, чем элементы исходного множества. Для такого конструирования
множеств
данных
структурной
модели
программы
необходимо
аксиоматически определить соответствующие правила. Следовательно,
если создать формальную систему, которая в качестве механизма
структуризации данных включает в себя правила их построения,
отражающие логику свойств структурной модели предметной области. То
будет получена именно та система, которая нам нужна, т.е. система
обработки описаний с четким теоретическим фундаментом. Формализация
задачи моделирования семантики структурной модели программы,
заключается в определении структурной модели программы с помощью
добротной системы понятий.
Обсуждая такие категории как понятие предметной области
(концептуальная
модель)
и
программная
модель
мы
постоянно
сталкивались с двумя уровнями рассмотрения: абстрактным и конкретным.
638
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Абстрактный уровень характерен для описания понятий предметной
области и представляется структурными категориями: именами основных
понятий предметной области, рекомендациями по выбору значений
атрибутов, именами и типами операций, с помощью которых можно
производить вычисления, и семантическими категориями: смысл того или
иного понятия, операции, правила определения присутствия того или
иного свойства. В абстрактном типе предметной области собраны вместе
формальные структурные и общие семантические признаки понятия
предметной области:
а) сигнатура (словарь вычислительной структуры) множество ∑=(S,
Ω) понятия предметной области;
б) совокупность E утверждений (требований, условий, ограничений и
т.п.), которые имеют место для элементов понятия предметной области.
Конкретный
уровень
рассмотрения
характерен
для
описания
структурной модели программы. В описании структурной модели
программы определены состав, все атрибуты присутствуют со своими
значениями,
свойства
понятия
предметной
области
определены,
выполнены все необходимые семантические проверки.
Предлагается при моделировании семантики понятия предметной
области выделять следующие четыре части:
1. описание
внешности,
содержащей
обозначающий
понятие
термин;
2. абстрактное описание операций предметной области с указанием
типов аргументов и значений средствами языка спецификации понятия
предметной области;
3. конкретное описание тех же операций средствами языка
реализации понятия предметной области (языка программирования);
4. описание связи между частями 2) и 3), объясняющее, в каком
смысле часть 3 корректно представляет часть 2.
639
25-26 сентября 2013, Саратов
Сопоставляя данное определение с понятиями математической
логики, нетрудно видеть, что части 1 и 2 задают некоторую теорию, а
части 3 и 4 – конкретную модель этой теории [1, 3].
Представляют
интерес
две
канонические
задачи
построения
процедур взаимодействия абстрактного и конкретного уровней. Первая
задача состоит в том, что строится структурная модель программы
(конкретный уровень), которая предъявляется вычислительной процедуре
с целью проверки, соответствует ли она свойствам сформулированной в
системе понятий модели предметной области (абстрактный уровень).
Нетрудно убедиться, что это задача анализа соответствия объекта
описанию предметной области. Содержанием второй задачи является: с
помощью вычислительной процедуры и сформулированных в системе
понятий структурной модели предметной области (абстрактный уровень)
правил построить структурную модель программы (конкретный уровень).
Это задача синтеза структурной модели программы.
Таким образом, если мы хотим формально определить структурную
модель программы
с помощью добротной системы понятий и
обозначений, то определение ее структуры нужно подчинить определению
семантики: структура модели программы должна быть верна смыслу (в
нашем случае смысл выражается с помощью описания свойств).
Заключение
1. Разработана
формальная
система
порождения
структурных
решений, которая позволяет описать пошаговый процесс построения
структурных решений по предварительно заданной системе понятий.
2. Предложено рассматривать структурную семантическую модель
предметной области как логическую модель описания структурной
надстройки над моделью последовательности данных.
3. На основе
семантических моделей разработана задача синтеза
структурной модели информационной технологии: синтез диаграммы
640
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
классов языка UML.
Литература
1. Справочная книга по математической логике: В 4-х частях / Под
ред. Дж. Барвайса.-Ч.I. Теория моделей: Пер. с англ. - М.: Наука, Главная
редакция физико-математической литературы, 1982. -392с.
2. Осуга, С. Обработка знаний: Пер. с япон. / С. Осуга. -М.: Мир,
1989. -289 с.
3. Шрейдер, Ю.А. Типология как основа интеграции знаний / Ю.А.
Шрейдер // НТИ. –М, 1981. -Серия 2. -№11. –С.1-5.
СОСТАВ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ
УГЛЕВОДОРОДОВ ЭКСТРАКТА СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ
С.А. Антонов, Ю.Н. Хорошев
Научный руководитель: д.х.н., профессор Н.Н. Томина
Самарский государственный технический университет, г. Самара
Экстракты селективной очистки, получаемые при производстве
масел, находят достаточно широкое применение. Они используются при
изготовлении
дорожных
пластификаторов
производстве
в
и
шинной
синтетических
преимущественно
из
строительных
битумов,
промышленности
каучуков.
ароматических
и
в
качестве
наполнителей
Экстракты
углеводородов.
в
состоят
Вовлечение
в
производство масел большого потока сернистых и высокосернистых
нефтей
не
нормированного
состава
приводит
к
необходимости
исследования экстрактов селективной очистки.
В данной работе проведено изучение состава полициклических
ароматических углеводородов в экстракте селективной очистки. Экстракт
641
25-26 сентября 2013, Саратов
получен
в
лабораторных
условиях
при
селективной
очистке
N-
метилпирролидоном средневязкого масляного дистиллята сернистых
нефтей при соотношении растворитель : дистиллят = 1,2:1 мас.
Физико-химические свойства экстракта определяли по стандартным
методикам [1]. Количественное определение содержания полициклических
ароматических углеводородов проводилось УФ-спектрометрически на
приборе Shimadzu UV-1700. Полученные данные представлены в таблице.
Таблица 1
Характеристика экстракта
Наименование показателя
Значение
Плотность при 20 оС, г/см3
0,954
Вязкость при 100 оС, мм2/с
5,52
Показатель преломления при 50 оС
1,5277
Цвет, ед. ЦНТ
более 8,0
Содержание полициклических ароматических углеводородов,
% мас.
- нафталиновые
9,91
- фенантреновые
9,55
- хризеновые
2,48
- пиреновые
0,49
- 1,2-бензантраценовые в сумме с
1,21
3,4-бензфенантреновыми
сумма полициклических ароматических углеводородов
23,64
Установлено, что данный экстракт содержит 23,64 % мас.
полициклических аренов, основное количество которых приходится на
производные нафталина и фенантрена (более 80 %) с незначительным
преобладанием
представлены
нафталиновых
в
основном
структур.
хризеновыми
Тетрациклические
(2,48
%
мас.)
арены
и
1,2-
бензантраценовыми и 3,4-бензфенантреновыми структурами (1,21 % мас.).
Содержание пиреновых структур на уровне 0,5 % мас.
642
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Работа выполнена при поддержке стипендии Президента РФ,
проект № СП-1876.2013.1.
Литература
Современные
методы
исследования
нефтей:
Справочно-
методическое пособие / Под ред. А.И. Богомолова, М.Б. Темянко, Л.И.
Хотынцевой.- Л.: Недра, 1984.- 431с.
МОДИФИКАЦИЯ ГИБРИДНОГО МЕТОДА QM/MM
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ
СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУР
Г.В. Савостьянов, А.С. Колесникова, М.М. Слепченков, В.В. Шунаев
Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор О.Е. Глухова
Саратовский государственный университет
имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов
В настоящее время технологические возможности проведения
экспериментов на наномасштабах стремительно развиваются. Вследствие
этого возросла потребность высокоточного численного моделирования
молекулярных структур.
Наибольший интерес в настоящее время представляют методы,
комбинирующие подходы эмпирических и полуэмпирических методов.
Такие методы получили название гибридных методов.
В
данной
работе
рассматриваются
особенности
реализации
молекулярно-динамических расчетов на основе гибридного MM/QM
(молекулярно механического / квантово-химического) метода. Для
определения
атомов,
попадающих
643
в
активную
область
(область,
25-26 сентября 2013, Саратов
требующую высокоточного моделирования), предлагается использовать
анализ поля локальных напряжений [5]. В качестве эмпирического метода
используется метод REBO(Reactive Empirical Bond Order) [1]. В качестве
полуэмпирического метода используется квантово-химический метод
сильной
связи(Tight
Binding)[2].
Предложен
оригинальный
способ
вычисления сил, действующих на атомы молекулярной системы в рамках
метода сильной связи.
Описанный алгоритм был успешно реализован в рамках программы
Ring. Для апробации метода было решено несколько тестовых задач по
моделированию процесса деформации углеродных нанотрубок.
Гибридный метод ’hot spot’
В рамках метода ’hot spot’(горячих точек) [3] в молекулярной
структуре выделяются так называемые горячие точки. Ими могут быть,
например, небольшие молекулы, попавшие в некое однородное окружение
и реагирующее с этим окружением. Тогда само окружение расчитывается
молекулярно-механическим
методом
за
исключением
некоторой
окрестности участка горячей точки.
В рамках данного метода все атомы, попавшие в активную
зону(active zone) — сферу некоторого радиуса rin относительно горячей
точки, расчитываются с помощью квантового метода. Все атомы,
попавшие в буферную зону(buffer zone) между сферами радиуса
расчитываются
при
помощи
линейной
комбинации
r out
и
квантового
r in
,
и
молекулярно-механического метода. Все атомы, не попавшие в сферу
радиуса
r out
(environment), расчитываются при помощи молекулярно-
механического метода (см. рис. 1).
644
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 1. Схема, изображающая разделение структуры на активную,
буферную зоны и окружение
Полная энергия молекулярной системы с применением методов,
описанных в разделах, определяется формулой
E= E
где
E
entire
( REBO)
потенциала
entire
( REBO )+ ( E
A+ B
(TB)− E
A+ B
( REBO)) ,
(1)
- полная энергия системы, расчитанная с помощью
E
REBO[1],
A+ B
( TB)
-
энергия
молекулярной
системы
составленной атомов, попавших в активную или буферную зоны,
расчитанная
с
помощью
потенциала
TB[2],
E
A+ B
( REBO)
энергия
молекулярной системы, составленной из атомов, попавших в активную и
буферную зоны, посчитанная при помощи потенциала REBO. Для
выбранных потенциалов нулевой уровень энергии выбирается так, чтобы
энергия молекулярной системы в равновесном состоянии для обоих
методов равнялась нулю. При помощи данного потенциала можно решать
задачи статики, путем минимизации потенциала E.
Для
расчета
в рамках
молекулярной
динамики
необходимо
определить силы, действующие на каждый из атомов. В зависимости от
того, в какой зоне находится атом, вычисляется соответствующий
потенциал. Расчет силы, действующей на атом, происходит по следующей
формуле
entire
f i= f i
A+ B
( REBO)+ S (r i)( f i
645
(TB)− f
A+ B
i
( REBO )) ,
(2)
25-26 сентября 2013, Саратов
где
ri
- расстояние от i-го атома до центра активной зоны,
масштабирующая функция
r ≤ r in
1
S ( r)=
{
2
out
2
out
2
2
out
2
2
¿
( r − r )(r + 2 r − 3 r )
2
3
( r − ri n )
0
r i n≤ r ≤ r out
r > r out
(3)
При определении прочностных свойств молекулярных систем, очень
важны процессы разрушения химических связей между атомами.
Большинство классических эмпирических потенциалов довольно хорошо
определяют поведение химически-связанных атомов, однако, как правило,
дают сильную погрешность при расчете процесса разрушения химических
связей. Для предсказания областей, в которых будет происходит
перестройка
химических
связей,
логично
использовать
методику
определения напряжений на атомах. Тогда, при некоторых значениях
напряжений, называемых критическими, исследуемый атом помещается в
активную зону вместе со своей окрестностью, и динамика его поведения
описывается квантово-химическим методом.
В работе [5] была описана методика определения поля локальных
напряжений на некоторого деформированного состояния молекулярной
системы:
1. Оптимизация исходной структуры;
2. Вычисление pаспpеделения объемной плотности энеpгии по
атомам;
3. Вычисление pаспpеделения объемной плотности энеpгии по
атомам стpуктуpы, подвеp гнутой внешнему воздействию;
4. Pасчет поля локальных напpяжений атомного каpкаса по pазности
значений объемных плотностей энеpгии атомов стpуктуpы, подвеpгнутой
внешнему воздействию, и стpуктуpы в равновесном состоянии.
646
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Расчет сил
Сила, действующая на атомы системы определяется как градиент
полной энергии молекулы:
F ( r )= − grad ( E ) ,
(4)
где E- полная энергия молекулярной системы.
Остановимся подробно на процедуре нахождения градиента энергии
E bond . Поскольку
E bond = ∑ εn
(5)
n
Для определения dε n /dr i необходимо определить зависимость между
изменением собственных значений и изменением элементов матрицы
гамильтониана.
В разработанной Дж.Х. Уилкинсоном матричной теории возмущений
была получена зависимость собственных значений от элементов
[4],
матрицы. Используя формулы, выведенные Уилкинсоном, несложно
получить следующую формулу определения производной для собственных
значений матрицы гамильтониана в рамках метода сильной связи:
dε n
dH(r )
= x Tn
xn ,
dri
dri
где
ri
- координата i-го атома,
T
xn
(6)
- левый собственный вектор матрицы
гамильтониана H, зависящего от всех координат системы r,
d H (r)
dr i -
поэлементные частные производные матрицы гамильтониана. Таким
образом, для нахождения градиента
E bond
достаточно знать собственные
векторы и поэлементные частные производные гамильтониана в точке r.
Апробация модифицированного гибридного метода
Для апробации модифицированного гибридного метода QM/MM с
оригинальной методикой выявления областей, требующих высокоточных
расчетов, было проведено численное моделирование процесса растяжения
647
25-26 сентября 2013, Саратов
углеродных нанотрубок. В качества объекта исследования была выбрана
бездефектная
нанотрубка
zigzag
(20,20)
длиной
4
нм.
Процесс
равномерного растяжения трубки моделировался с шагом по времени 1 фс.
Скорость растяжения составляла 0.02 Å/фс.
Критическое напряжение
имело величину 11 ГПа [5].
В ходе исследования было установлено, что процесс разрушения
углеродной нанотрубки наступает через 700 фс с момента начала
растяжения. Поэтапный процесс разрушения нанотрубки при растяжении
представлен на рис. 1.
а)
б)
в)
Рис. 1. Процесс разрушения нанотрубки zigzag
в моменты различные моменты времени:
a) 500 фс; б) 600 фс; в) 700 фс.
Красным цветом выделены атомы с критическими напряжениям.
648
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Из рисунка видно, напряжения на атомах бездефектной нанотрубки
при растяжении распределяются равномерно по всей структуре. Разрыв
связей происходит по краям трубки, к которым была приложена
деформирующая сила.
Заключение
В данной работе изложены основные особенности реализации
молекулярно-динамических расчетов при помощи гибридного QM/MM
метода ’hot spot’ с использованием эмпирического метода REBO и
полуэмпирического
метода
сильной
связей.
Предложена
методика
выявления активной зоны в рамках идеологии гибдридного метода,
основанная на анализе поля локальных напряжений. Апробация метода
была проведена при моделировании процесса растяжения углеродной
нанотрубки без дефекта и с дефектов в виде поворота связей.
Литература
1. Brenner D.W., Phys. Rev. B. — 1990. — Vol. 42, no. 15. — P. 9458–
9471.
2. Plyler E.K. Jansson P.A., Hunt R.H. Phys. Rev. B 2009. V. 79. No 1. P.
014109(17).
3. Kerdcharoen, T.; Liedl, K. R.; Rode, B. M. Chem. // Chem. Phys. 1996,
211, 313.
4.
Уилкинсон
Дж.Х.
Алгебраическая
проблема
собственных
значений. М., Наука, Физматлит, 1970.
5. Olga Е. Glukhova, Michael M. Slepchenkov Nanoscale 2012. Issue 11.
P. 3335-3344.
649
25-26 сентября 2013, Саратов
ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР
В ПОЛИИМИД-ФТОРОПЛАСТОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛАХ ПРИ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКЕ
П.А. Бессонов, С.В. Селиванова
Научные руководители: д.т.н., профессор Н.А. Адаменко,
аспирант И.В. Сергеев
Волгоградский государственный технический университет, г. Волгоград
Полиимиды
материалами
с
являются
перспективными
высокими
механическими
антифрикционными
свойствами,
однако
возрастающие запросы современной техники требуют повышения их
триботехнических свойств, поэтому в них вводят дисперсные наполнители,
такие как фторопласт-4. При этом качественный скачок эксплуатационных
свойств полиимид-фторопластовых материалов может быть достигнут за
счет комплексной реализации процессов, обеспечивающих повышение
адгезионного взаимодействия и наноструктурирование компонентов.
Целью
формирования
работы
являлось
структуры
и
исследование
свойств
в
закономерностей
полиимид-фторопластовых
композиционных материалах (КМ) при ударно-волновой обработке (УВО).
КМ получали УВО порошковых полиимид-фторопластовых смесей
(50 % об.
ПМ-69+50 % об.
температуре
390 оС.
Ф-4)
с
Микроструктуры
последующим
исследовали
спеканием
на
при
оптическом
микроскопе «Olympus» BX-61 и атомно-силовом микроскопе Solver PRO,
микротвердость – на микротвердомере ПМТ-3М.
Установлено,
что
для
реализации
наноструктурирования
необходимо, чтобы давление и энергия взрывного воздействия в
порошковой полиимид-фторопластовой смеси были достаточны не только
для
достижения
структуры
предельного
уплотнения,
но
и
для
качественного изменения структуры в результате активного измельчения
650
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
за счет дробления и деформации компонентов смеси, что достигается при
критических
условиях
УВО.
При
УВО
полиимид-фторопластовой
порошковой смеси с пористостью 20-40 % критическими ударными
давлениями (более Р=1,5-3 ГПа), когда стадия переукладки частиц в более
плотную упаковку преимущественно проходит через их дробление, чему
способствует
многократное
отражение
ударных
волн,
происходит
измельчение фаз в КМ до нанометрового диапазона. Это приводит к
образованию свободных радикалов макромолекул полимеров, а также
сближению большего количества макромолекул полимеров до расстояния
межмолекулярного взаимодействия, результатом чего является рост числа
химических
связей,
определяющих
уровень
физико-химического
взаимодействия компонентов системы, а также получение более плотных
прессовок. Наноструктурированные зоны, полученные при приложении
критических
давлений,
представляют
смесь
двух
полимеров
с
наноразмерными частицами. В наноструктурах прослеживаются как
отдельные монолитные нанометровые включения (110-900 нм), так и
агломераты такого же размера, состоящие из частиц размером от 50 до
550 нм.
Установлено, что образование наноструктур в КМ сопровождается
повышением микротвердости в 1,5-3 раза до 1,2-1,8 ГПа. Интенсивное
повышение твердости материала в микрообъемах свидетельствует о
формировании новой структуры на основе наноразмерных составляющих
и происходит за счет дробления и деформации макромолекул с
образованием более прочных нанофаз и переукладки макромолекул в
более плотную упаковку. Вариация значений твердости в широких
пределах связана с неоднозначностью влияния ударных давлений и
энергий на структуру КМ.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ №
13-03-00344, 13-03-97044.
651
25-26 сентября 2013, Саратов
3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕСТАВРИРОВАННОГО ЦЕНТРАЛЬНОГО
РЕЗЦА ВЕРХНЕЙ ЧЕЛЛЮСТИ СРЕДСТВАМИ ПРОГРАММНОГО
КОМПЛЕКСА SOLID WORKS
Е.Е. Ципоруха, Н.О. Бессуднова
Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент Н.О. Бессуднова
Саратовский государственный университет
имени Н.Г.Чернышевского, г. Саратов
В клинической стоматологии отдаленный прогноз в отношении
эндодонтически леченых зубов во многом определяется качеством
последующей реставрации. В связи с этим актуальной проблемой является
оптимизация техники восстановления таких зубов с позиции применяемых
материалов и конструкций. В литературе имеется ряд работ, посвященных
сравнению различных способов реставрации [1-5],
однако влияние
адгезивной техники при фиксации штифта в корневом канале
на
долговечность реставрации остается малоизученным.
В связи с вышесказанным, целью настоящего исследования является
изучение влияния адгезивного соединения, используемого при фиксации
штифта
в
корневом
канале,
на
прочность
и
долговечность
реставрационных конструкций.
Первым шагом на пути в этом направлении является построение
трехмерной модели реставрированного зуба.
652
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Материалы и методы
Прототипом для создания 3D-модели был выбран центральный резец
верхней челюсти, изображение которого представлено на рис. 1.
Рис. 1. Фотографии прототипа в трех проекциях
При построении 3D-модели реставрированного зуба использовалась
САПР Solid Works 2010, ”Solid Works Corp.” [6].
Ход работы
3D-модель собиралась по сечениям, метрические характеристики
которых указаны в таблице 1.
Таблица 1
Метрические характеристики образца
Номер
Большая ось, мм
Малая ось, мм
1
3,531
4,406
2
5,205
5,454
3
5,672
6,611
4
5,890
6,799
5
6,369
6,809
6
6,541
7,264
7
8,378
6,850
8
8,444
2,909
коронка
корень
сечения
653
Высота образца,
мм
15,114
25,434
10,629
25-26 сентября 2013, Саратов
Этапы построения модели в САПР Solid Works:
1. Определение точки начала отсчета и создание вспомогательных
плоскостей – ориентировочных уровней модели.
2. Построение каркаса внешней оболочки модели (коронковой и
корневой
частей
зуба)
путем
нанесения
эскизов
сечений
на
вспомогательные плоскости (рис. 2).
Рис. 2. Каркас внешней оболочки модели
3. Моделирование сохранившихся тканей зуба (дентина корня,
цемента корня, периодонтальной связки, альвеолярной кости) и элементов
реставрации (обтурированного гуттаперчей корневого канала, штифта
конической формы, лютингового композитного цемента, адгезивных
соединений, коронковой части из композиционного реставрационного
материала) (рис. 3).
654
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Дентин корня
Цемент корня
Периодонтальная связка
Участок альвеолярной кости с лункой
Гуттаперча
Конический штифт
655
25-26 сентября 2013, Саратов
Адгезивное соединение штифта и лютингового цемента
Лютинговый композитный цемент, используемый при фиксации штифта
Адгезивное соединение дентина и лютингового цемента
Коронковая часть из композиционного материала
Рис. 3. Сохранившиеся ткани зуба и элементы реставрации
Сборка, включающая штифт, лютинговый композитный цемент,
адгезивные соединения и гуттаперчу, представлена на рис. 4.
Рис. 4. Внутренняя часть зуба, включающая гуттаперчу, штифт,
композитный цемент и адгезив
656
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
На
рис. 5
представлена
готовая
модель
реставрированного
центрального резца в челюсти с учетом поддерживающих его костных
структур.
Рис. 5. Готовая модель центрального резца верхней челюсти,
построенная в среде SolidWorks
Результаты
В работе построена 3D модель реставрированного центрального
резца верхней челюсти и поддерживающего его костного аппарата.
Особенностью модели является то, что при ее построении учтены
адгезионные
соединения
между
элементами
реставрации
и
сохранившимися тканями зуба.
Изучение функциональных характеристик реставрированного зуба
под воздействием внешних нагрузок на основе построенной модели
является предметом дальнейших исследований.
657
25-26 сентября 2013, Саратов
Литература
1.
Наумович
С.А.
Изучение
напряженно-деформированных
состояний в верхнем центральном резце, восстановленном с помощью
различных стандартных штифтов, на основе метода конечно-элементного
анализа/С.А. Наумович, Т.В. Крушинина, С.И. Богдан/Медицинский
журнал–2009.–№ 3.–с.259-261 (дата обращения: 08.07.2013).
2. Huang H.M. Dynamic finite element analysis of the human maxillary
incisor under impact loading in various directions/H.M. Huang, K.L. Ou, W.N.
Wang [et al.]/Clinical Research–2005.–vol.31, № 10.–p.723-727 (дата
обращения: 10.07.2013).
3. Venturini Pola Poiate I.A. Stress distribution in the cervical region of
an upper central incisor in the 3D finite element model/I.A. Venturini Pola
Poiate, A.B. de Vasconcellos, E. Poliate Junior [et al.]/Brazilian Oral Research–
2009.–vol.23, № 2.–p.161-168 (дата обращения: 11.08.2013).
4. Ho S.P. The biomechanical characteristics of the bone-periodontal
ligament-cementum complex/S.P. Ho, M.P. Kurylo, T.K. Fong [et al.]
/Biomaterials–2010.–№ 31.–p.6635-6646 (дата обращения: 11.08.2013).
5. Kishen A. Mechanisms and risk factors for fracture predilection in
endodontically treated teeth/A. Kishen /Endodontic Topics–2006.–№ 13.–p.5783 (дата обращения: 11.08.2013).
6. Справка по Solid Works [Электронный ресурс] // Solid Works
Web Help: [сайт]. [1995].
7.URL:http://help.solidworks.com/2010/Russian/SolidWorks/sldworks/Le
gacyHelp/Sldworks/Overview/StartPage.htm (дата обращения: 23.07.2013).
658
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРОТОТИПОВ КРИСТАЛЛОФОСФАТОВ
КАЛЬЦИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕНТИНА МЕТОДАМИ
3D-ПЕЧАТИ
Н.О. Бессуднова, С.Б. Вениг, Е.Е. Ципоруха
Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент Н.О. Бессуднова
Саратовский государственный университет
имени Н.Г.Чернышевского, г. Саратов
В настоящее время аддитивное производство (additive manufacturing)
или 3D–прототипирование является одной из наиболее перспективных и
быстро развивающихся отраслей [1]. В технике и строительстве 3D-печать
используется для изготовления макетов зданий, сооружений или целых
микрорайонов с дорогами, деревьями; создания объемных цветных карт,
отображающих ландшафт местности или указывающих уровни залегания
пород; изготовления концепт-моделей будущих потребительских изделий,
их анализа, оценки и доработки, а также проведения функциональных
испытаний и тестов; в автомобилестроении – для создания прототипов
деталей и их тестирования; в медицине – для изготовления протезов,
создания трансплантационных органов, муляжей для обучения врачейинтернов; в образовании – для создания наглядных моделей, визуализации
пособий, облегчающих восприятие и способствующих пониманию
изучаемого; в полиграфии – для изготовления макетов упаковок, бутылок,
флаконов, в искусстве – для производства точных копий музейных
экспонатов или декораций для представлений; в индустрии моды - для
изготовления одежды и обуви; в ювелирном деле – для “выращивания”
восковых моделей украшений.
659
25-26 сентября 2013, Саратов
3D–прототипирование
в
реконструктивной
стоматологии
и
челюстно-лицевой хирургии применяется для создания прототипов
протезов при восстановлении органов и тканей челюстно-лицевой области.
В настоящей работе исследуются возможности использования 3D–печати
для создания прототипов кристаллов фосфата кальция, образующихся на
поверхности
дентина,
помещенного
в
96%
раствор
этанола.
Обнаруженный феномен может рассматриваться как первый шаг на пути к
исследованию самопроизвольного направленного роста твердых тканей
зуба [2].
Целью
данной
работы
является
изготовление
прототипов
формирующихся на поверхности дентина кристаллов фосфата кальция с
применением методов 3D-печати.
Материал и методы
Для построения объемной модели кристалла фосфата кальция на
матрице из дентина использовался программный продукт SolidWorks,
представляющий собой систему автоматизированного проектирования,
инженерного анализа и подготовки производства изделий любой степени
сложности и назначения [3].
Аддитивное изготовление прототипа кристалла проводилось на 3Dпринтере Object Eden 350V, изображение которого представлено на рис.1.
Рис. 1. 3D-принтер Object Eden 350V. Слева – общий вид принтера,
справа - рабочая область
660
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Принцип действия принтера основан на технологии PolyJet,
заключающейся в отвердевании фотополимерной смолы под действием
УФ- излучения. Используемая технология позволяет воспроизводить
мелкие детали с высокой точностью, получать гладкую поверхность
прототипа, а также дает возможность применять широкий спектр
материалов с различными характеристиками [4].
Принцип работы 3D-принтера схематично представлен на рис. 2.
Рис. 2. Технология 3D печати на принтере Object Eden 350V
Печатная головка, способная перемещаться в плоскости XoY
(плоскости каждого слоя), наносит фотополимерную смолу на текущую
поверхность создаваемой модели; при необходимости используются
конструкции поддержки, необходимые для построения правильной
геометрии образца. Нанесенный слой сразу засвечивается ультрафиолетом
и затвердевает. Печатная головка передвигается по оси oZ для создания
следующего слоя. Так процесс повторяется до окончательной готовности
модели.
В настоящей работе для изготовления прототипа использовалась
фотополимерная смола Transparent FullCure 720.
Ход работы. Результаты
Построение
трехмерной
модели
кристалла
фосфата
кальция
осуществлялось в программном комплексе SolidWorks. Исходными
661
25-26 сентября 2013, Саратов
данными
для
создания
3D-модели
являлись
РЭМ-изображения
поверхностной морфологии кристаллов и 3D-изображения, построенные с
применением встроенного в РЭМ программного обеспечения Alicona 3D
MeX (см. рис. 3, 4) [5].
Рис. 3. Изображения морфологии поверхности кристалла на подложке
под разными углами с шагом 45̊ (вид сверху)
662
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 4. Трехмерная модель кристалла фосфата кальция, построенная в использованием
программного обеспечения Alicona 3D MeX (вверху) и соответствующие цветовые
диаграммы распределения высот по поверхности (внизу)
Этапы построения модели в САПР SolidWorks:
1. Определение точки начала отсчета и создание вспомогательных
плоскостей – ориентировочных уровней модели (см. рис. 5).
Рис. 5. Построение вспомогательных плоскостей
2. Cоздание эскизов на плоскостях с целью построения поверхности
(см. рис.6).
663
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 6. Построение эскизов на плоскостях и заполнение
созданной поверхности
3. Деформация
модели
для
придания
сходства
с
РЭМ-
изображениями кристалла (см. рис. 7)
Рис. 7. Деформация поверхности модели
4. Моделирование платформы, имитирующей дентинную подложку
(см. рис. 8)
Рис. 8. Построение платформы
664
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Изображение построенной 3D модели кристалла в среде Solid Works
представлено на рис. 9,a.
Для сглаживания созданной модели применялся программный пакет
Delcam PowerSHAPE – мощный моделировщик, сочетающий в себе набор
инструментов
для
каркасного
твердотельного
и
поверхностного
моделирования.
Усовершенствованная модель кристалла на дентинной подложке
представлена на рис. 9, б-г в трех проекциях.
а)
б)
в)
г)
Рис. 9. Модель кристалла на дентинной подложке
Перед началом процесса 3D- печати проводилось позиционирование
построенной модели на рабочей поверхности принтера (см. рис. 10, а).
Нанесение и полимеризация материала проводились в высокоскоростном
режиме слоями толщиной 30 мкм (см. рис. 10, б.)
665
25-26 сентября 2013, Саратов
а)
б)
Рис. 10. Позиционирование объекта на рабочей поверхности принтера (а),
послойное изготовление модели (б)
Результат
аддитивного
изготовления
прототипа
представлен на рис. 11.
а)
б)
в)
г)
Рис. 11. Прототип кристалла фосфата кальция в материале
поддержки (а) и без него (б)-(г)
666
кристалла
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Заключение
Применение современных САПР и технологии 3D- печати дает
возможность создавать прототипы образований микронных размеров,
обнаруженных на поверхности дентина. Разработанная трехмерная модель
и прототип кристалла фосфата кальция на дентинной матрице позволили
визуализировать
его
3D-структуру
для
изучения
особенностей
морфологии.
Литература
1.
Основы
трехмерной
печати
ресурс]
[Электронный
// GLOBATEK.3D: [сайт]. [2008].
(дата
обращения:
Вениг С.Б.,
Аткин В.С.,
URL: http://3d.globatek.ru/world3d/osnovy_3D_pechati
15.04.2013).
2.
Бессуднова Н.О.,
Галушка В.В.,
Биленко Д.И.,
Захаревич А.М.
Механизмы
формирования
и
роста
кристаллов фосфата кальция на подложке из дентина. // Биотехносфера,
2012. - №5-6(23-24), C. 21-27.
3. Справка по Solid Works [Электронный ресурс] // Solid Works
Web Help: [сайт]. [1995].
4.URL:http://help.solidworks.com/2010/Russian/SolidWorks/sldworks/Le
gacyHelp/Sldworks/Overview/StartPage.htm (дата обращения: 23.04.2013).
5. 3D-принтеры [Электронный ресурс] // 3D-Format: [сайт]. [2012].
URL: http://www.3d-format.ru/printer_64.html (дата обращения: 11.05.2013).
6. Бессуднова Н.О., Биленко Д.И., Аткин В.С., Захаревич А.М.,
Галушка В.В. Визуализация трехмерной структуры криcталлов фосфата
кальция, выращенных на дентинной подложке. // Медицинская физика.
2012, №2(54), С.83-90.
667
25-26 сентября 2013, Саратов
ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ РАДО НА КАЧЕСТВО НИКЕЛЕВОГО
ПОКРЫТИЯ ОСАЖДЕННОГО ИЗ МАЛОКОМПОНЕНТНОГО
И МАЛОКОНЦЕНТРИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОЛИТА
НИКЕЛИРОВАНИЯ
Д.А. Легкая, Н.Д. Соловьева
Энгельсский технологический институт, г. Энгельс
Гальванические покрытия на основе никеля находят широкое
применение, т.к. обладают хорошей коррозионной стойкостью, высокими
декоративными свойствами, высокой твердостью и износостойкостью
покрытий, а также возможностью сварки никелированной детали.
В электролиты никелирования помимо основных компонентов, в
частности
солей
никеля,
вводят
ПАВ
(блескообразующие
и
выравнивающие добавки), в литературе предложена добавка РАДО
(«Atotech-Chemeta», г.Вильнюс).
Целью настоящей работы являлось исследование влияния добавки
РАДО
на
качество
малокомпонентного
никелевого
и
покрытия
осажденного
малоконцентрированного
из
электролита
никелирования.
Электроосаждение никеля проводилось на стальную основу (сталь 3)
при стационарном и нестационарном режиме электролиза из кислых
электролитов осаждения Ni состава: NiSO4.7H2O - 140 г/л, NiCl2.6H2O - 70
г/л, H3BO3 25 г/л и электролит указанного состава с добавкой РАДО 2мл/л.
Температура электролита составляла 250С Катодные плотности тока
изменялись от 3,5 до 6 А/дм2. При осаждении в импульсном режиме
соотношение tк / tп составляло 1 секунд / 0,08 секунды. Поляризация
осуществлялась с помощью потенциостата P-8. Толщина наносимого
668
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
покрытия составляла 15 мкм. Адгезию определяли по ГОСТ 9.302-88
(метод нанесения сетки царапин) [1].
Результаты
электроосаждение никеля в стационарном режиме из
электролитов изучаемых составов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Нанесение никелевого покрытия на сталь 3 при стационарном
режиме электролиза
iк ,
№
А/дм2
Состав электролита:
Состав электролита: NiSO4.7H2O 140
NiSO4.7H2O 140 г/л, NiCl2.6H2O
г/л, NiCl2.6H2O 70 г/л, H3BO3 25г/л,
70 г/л, H3BO3 25г/л
РАДО 2 мл/л
Вт
Характеристика
Вт
Характеристика
%
получаемого покрытия
%
получаемого покрытия
Покрытие равномерное,
матовое, без блеска, с
1
3,5
84,4
хорошими
Покрытие неравномерное, с
89,3
адгезионными
плохими адгезионными
свойствами, матовое
свойствами.
Покрытие равномерное,
матовое, без блеска, с
2
4,0
90,7
хорошими
Покрытие не равномерное,
82,8
адгезионными
матовое, с хорошими
адгезионными свойствами
свойствами
Покрытие равномерное,
матовое с элементами
3
4,5
97,9
блеска, с хорошими
Покрытие не равномерное,
79,7
адгезионными
матовое, с хорошими
адгезионными свойствами
свойствами
Покрытие
Покрытие не равномерное,
неравномерное, с
4
5,0
90,8
хорошими
83,8
адгезионными
свойствами, матовое с
669
матовое, с элементами блеска, с
хорошими адгезионными
свойствами
25-26 сентября 2013, Саратов
элементами блеска
Покрытие равномерное,
5
6,0
87,7
плохие адгезионные
свойства, преобладает
Покрытие не равномерное, с
элементами блеска, с плохими
84,2
адгезионными свойствами
блеск.
При
использовании
стационарного
режима
электролиза
при
электроосаждении никеля из электролита состава: NiSO4.7H2O 140 г/л,
NiCl2.6H2O 70 г/л, H3BO3 25г/л величина выхода по току выше, покрытия
более равномерные, с хорошими адгезионными свойствами, наблюдается с
повышением плотности тока блеск получаемых покрытий по сравнению с
электроосаждением никеля в электролите с добавкой РАДО.
Для того чтобы выяснить влияние режима электролиза на качество
никелевого покрытия было проведено электроосаждение никеля в
импульсном режиме из электролитов указанного состава (табл.2).
Таблица 2
Нанесение никелевого покрытия на сталь 3 в импульсном режиме
электролиза
iк ,
Состав электролита: NiSO4 . 7H2O
Состав электролита: NiSO4 . 7H2O
А/дм2
140 г/л, NiCl2.6H2O 70 г/л, H3BO3
140 г/л, NiCl2 . 6H2O 70 г/л, H3BO3
25г/л
25г/л, РАДО 2 мл/л
№
1
3,5
Вт
Характеристика получаемого
Вт
Характеристика получаемого
%
покрытия
%
покрытия
Покрытие не равномерное,
96,8
Покрытие не равномерное,
92,9
матовое, с элементами
матовое, с элементами
питтинга, с плохими
питтинга, с плохими
адгезионными свойствами
адгезионными свойствами
Покрытие не равномерное,
2
4,0
95,0
91,2
Покрытие равномерное,
матовое, с элементами
матовое, с элементами блеска,
питтинга, с хорошими
с хорошими адгезионными
670
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
адгезионными свойствами
Покрытие не равномерное,
3
4,5
96,9
свойствами
97,8
Покрытие не равномерное,
блестящее, с элементами
матовое, плохо сцеплено с
питтинга с хорошими
основой
адгезионными свойствами
Покрытие равномерное,
4
5,0
97,1
6,0
90,6
Покрытие равномерное,
блестящее с хорошими
блестящее, с хорошими
адгезионными свойствами
адгезионными свойствами
Покрытие равномерное,
5
97,1
95,7
Покрытие равномерное,
матовое, с элементами
матовое, с элементами блеска,
блеска, с хорошими
с хорошими адгезионными
адгезионными свойствами
свойствами
Сравнив качества получаемых никелевых покрытий, осажденных в
гальваностатическом и импульсном режиме, был выбран электролит и
режим электролиза. Для электроосаждения никеля из малокомпонентного
и малоконцентрированного электролита никелирования рекомендуется
проводить электролиз в
электролите состава: NiSO4.7H2O 140 г/л,
NiCl2.6H2O 70 г/л, H3BO3 25г/л, при катодной плотностью тока 5,0 А/дм2 в
импульсном режиме. В этом случае получаются более мелкозернистые и
равномерные осадки по сравнению со стационарным режимом (рис.1).
а) стационарный режим электролиза
б) импульсный режим электролиза
Рис.1 Фотографии поверхности никелевых покрытий, осажденных в электролите
состава: NiSO4.7H2O 140 г/л, NiCl2.6H2O 70 г/л, H3BO3 25г/л, при катодной плотностью
тока 5,0 А/дм2 (х800)
671
25-26 сентября 2013, Саратов
Литература
ГОСТ
9.302-88
Покрытия
металлические
и
нематаллические
неорганические. Методы контроля Введ. 1990-01-01.– М.: Изд-во
стандартов, 1988 – 40 с.
НАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СУППОРТА
И ЕГО ПРИНЦИП УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ
А.И. Гаврилов, Ю.С. Сизов
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.А. Игнатьев
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Основной функцией шагового двигателя является преобразование
электрической
энергии
в
механическую,
выполняемое
на
производственных машинах. Шаговый электродвигатель (рис.1) – это
синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в
котором ток, подаваемый на одну из обмоток статора, вызывает фиксацию
ротора.
Последовательная
активация
обмоток
двигателя
вызывает
дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
Шаговые Двигатели (ШД) представляют собой электромеханические
устройства, задача которых - преобразование электрических импульсов в
перемещение вала двигателя на определенный угол [1].
Шаговый
двигатель
является
беcколлекторным
двигателем
постоянного тока. Как и другие бесcколлекторные двигатели, шаговый
двигатель высоконадежен и при надлежащей эксплуатации имеет
длительный срок службы.
672
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис 1. Шаговый двигатель - ШД-5Д1МУЗ
Главное преимущество шагового двигателя – это возможность
осуществления точного позиционирования и регулировки скорости без
применения датчиков в цепи обратной связи. Данное утверждение
справедливо лишь для области применения с постоянной нагрузкой и
малых ускорениях. В случае применения шаговых двигателей в системах с
переменной нагрузкой и большими ускорениями необходима обратная
связь. В случаях, когда происходит выпадение шагового двигателя из
синхронизации, и происходит потеря информации о положении ротора,
требуется вводить в систему обратную связь с применением тех или иных
типов датчиков.
Проектирование систем требует выбора типа привода. Шаговый
привод
обычно
выбирается
в
случае,
если
необходимо
точное
позиционирование и точное управление скоростью. Для повышения
крутящего момента при использовании шагового привода возможно
применение понижающих редукторов. Однако нужно учитывать, что для
шаговых двигателей редуктор подходит не всегда. Это связано с тем, что у
шаговых двигателей, в отличие от коллекторных, момент имеет
наибольшее значение на низких скоростях и постепенно уменьшается по
673
25-26 сентября 2013, Саратов
мере увеличения скорости вращения ротора. Помимо этого шаговые
двигатели при стандартных схемах подключения достигают значительно
меньших оборотов вращения выходного вала, что также накладывает
ограничения на передаточное число редуктора. Следует отметить, что
промышленностью выпускаются шаговые двигатели со встроенным
редуктором, так называемые мотор-редукторы, однако они не получили
широкого распространения и выпускаются в ограниченных объемах. Еще
одним важным фактором, ограничивающим использование редукторов
совместно с шаговым двигателем, является наличие люфта у редукторов.
Несмотря на все выше перечисленные недостатки, шаговые двигатели
имеют обширное применение.
Способы управления шаговыми двигателями [2].
1.
Попеременная коммутация фаз (одновременно включена
только одна фаза).
Точки
равновесия
ротора
для
каждого
шага
совпадают
с
«естественными» точками равновесия ротора у не запитанного двигателя.
Такие
системы
управления
шаговыми
двигателями
применяются
преимущественно для производства электротехнического оборудования.
2.
Управление фазами двигателя с перекрытием (одновременно
включены две фазы).
При этом способе управления ротор фиксируется в промежуточных
позициях между полюсами статора, и момент обеспечивается примерно на
40% больше, чем в случае одной включенной фазы.
Этот способ управления электроприводом обеспечивает такой же
угол шага, как и первый способ, но положение точек равновесия ротора
смещено на полшага.
3.
Полушаговый режим (каждый второй шаг запитана лишь одна
фаза, а в остальных случаях запитаны две).
674
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Системы
управления
электроприводом
с
данным
режимом
позволяют уменьшить размер шага. В результате угловое перемещение
ротора составляет половину угла шага для первых двух способов
управления. Также такое управление шаговым двигателем позволяет
немного снизить резонанс.
4.
Микро-шаговый режим.
Системы управления электроприводом, основанные на микрошаговом режиме, позволяют менять ток в фазах небольшими шагами,
обеспечивая таким образом разделение половинного шага на еще меньшие
микро-шаги. Если включены одновременно две фазы, но их токи не равны,
то положение равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в
другой точке. Эту точку определяют соотношением токов фаз. Меняя это
соотношение, можно обеспечить некоторое количество микрошагов
внутри одного шага.
Разработка драйвера шагового двигателя
Для управления электродвигателем требуется специальный драйвер
шагового двигателя.
Драйвер представляет собой силовую часть со
встроенным простейшим интерфейсом, основанным на комбинации ШАГ–
НАПРАВЛЕНИЕ.
Драйвер
шагового
двигателя
является
также
усилителем мощности, который преобразует импульсы, получаемые от
источника электрического тока, в перемещение вала. При этом каждый
импульс вызывает перемещение вала на 1 шаг (или на 1 микро-шаг).
Драйвер шагового двигателя снабжён специальной схемой, которая
служит для выполнения трёх основных задач:
1)
Включать и выключать ток в обмотках, а также менять его
направление.
При
выполнении
этой
задачи
электродвигатели работают без сбоев.
2)
Поддерживать заданное значение тока.
675
системы
управления
25-26 сентября 2013, Саратов
3)
Обеспечивать как можно более быстрое нарастание и спад тока
для достижения требуемых скоростных характеристик. Скоростные
характеристики в свою очередь качественным образом влияют на
управление шаговым двигателем.
Преимущества использования контроллеров для шагового двигателя:
1)
Возможность подключения к компьютеру. В зависимости от
модели и конструкции контроллер управления шаговым двигателем
подключается к компьютеру и регулируется с его помощью.
2)
Многократное перепрограммирование. В настоящее время
достаточно купить только один контроллер шагового двигателя. При этом
при переориентации производства или расширении перечня задач его
можно перепрограммировать для выполнения новых функций.
3)
Широкий модельный ряд контроллеров как отечественных, так
и зарубежных производителей позволяет купить контроллер шагового
двигателя с расширенными функциями. Контроллеры с расширенными
функциями имеют в своем составе программируемый логический
контроллер (привод работает в автономном режиме по записанной в него
программе, что позволяет получить готовое устройство для выполнения
определённого технологического процесса на основе только одного
контроллера шагового двигателя).
Устройство
управления
электроприводом,
оснащенное
контроллером, решает следующие задачи:
1)
Достижение высокой точности. Это связано с конструкцией,
благодаря которой устройства управления шаговыми двигателями делают
до 20000 шагов за оборот за счет микро-шага.
2)
Работа с программным обеспечением. К ним относятся
производственные программы типа Kcam и Mach.
3)
Работа в различных режимах.
676
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Устройства
управления
шаговыми
двигателями
могут
функционировать как on-line (то есть, подчиняясь командам компьютера)
так и off-line (при помощи программы с внешнего устройства, например,
флеш-накопителя). Применяется также совмещённый режим (он особенно
выгоден при управлении одинаковыми процессами с меняющимися
параметрами,
управлении
контрольными
процедурами
и
опросе
параметров, осуществляемых с вашего компьютера)
Для управления фазами электродвигателя ШД-5Д1МУ3 через порт
LPT (контакты D2-D7) была разработана схема с шестью силовыми
каналами (рис. 2). На каналы с порта LPT подаётся шестифазная
последовательность управляющих импульсов. Сигнал каждого канала
усиливается полевыми транзисторами VT7-VT12 (IRF640N) и резисторами
R7-R12 (5,6 кОм), таким образом, он подаётся на начало соответствующей
обмотки 1-6. Резисторы R7-R12 служат для ограничения выходного тока
(защита обмоток от перегрева) и совместно с диодами VD1-VD6
обеспечивает глушение резонанса ротора двигателя. В интегральных
микросхемах, содержащих мощные выходные каскады с открытым
коллектором, также часто имеются два внешних диода. Кроме того,
некоторые микросхемы, такие как ULN2003, ULN2803 и подобные, имеют
внутри оба защитных диода для каждого транзистора. Нужно отметить,
что в случае применения быстродействующих ключей требуются
сравнимые по быстродействию диоды. В случае применения медленных
диодов требуется их шунтирование небольшими конденсаторами. Выбор
пониженного напряжения питания 12В обусловлен требованием защиты
двигателя от перегрева.
677
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 2 Схема драйвера управления шагового двигателя ШД-5Д1МУ3
•
Диапазон регулирования скорости шагового двигателя - 6 – 120
•
Напряжение питания - 5 – 12 В;
•
Максимальный выходной ток – 3 А;
ш/с;
Системы управления электроприводом, основанные на микрошаговом режиме, позволяют менять ток в фазах небольшими шагами,
обеспечивая таким образом разделение половинного шага на еще меньшие
микро-шаги, а также дает возможность использовать наношаги. Если
включены одновременно две фазы, но их токи не равны, то положение
равновесия ротора будет лежать не в середине шага, а в другой точке. Эту
точку определяют соотношением токов фаз. Меняя это соотношение,
можно обеспечить некоторое количество микро-шагов внутри одного
шага. Данная структура даёт возможность использовать её в приборных
столиках микроскопа, и других приборов требующих микро и нано
контроля.
678
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Литература
1. Михайлов О. П. Автоматизированный электропривод станков и
промышленных роботов: учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1990.
– 304 с.: ил.
2. http://stepmotor.ru/production/block/ - ссылка на Интернет-источник
ПОДГОТОВКА БИОСОВМЕСТИМЫХ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
К ИЗГОТОВЛЕНИЮ ИМПЛАНТАТОВ
И.П. Мельникова, А.В. Лясникова, В.Н. Лясников, С.В. Веселухина
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Внутритканевые имплантаты для нейро- и сосудистой хирургии
изготавливаются
из
материалов
с
высокими
показателями
биосовместимости при относительно невысоких механических свойствах.
Танталовая пряжа служит для замещения мышечной ткани, танталовыми
скрепками соединяют кровеносные сосуды во время хирургических
операций, нити из этого материала используют для замены сухожилий и
даже нервных волокон. Достаточная прочность тантала (σв ~ 35 кг/мм2) и
высокая твердость (HV 140) сочетаются со значительным относительным
удлинением (δ~28%).
Тантал,
цирконий
и
их
аналог
гафний
хорошо
поддаются
механической обработке, легко штампуются, прокатываются в тончайшие
листы и через фильеры вытягиваются в нити. При разработке технологий
подготовки гафния к изготовлению изделий следует учитывать, что они
имеют высокую рыночную стоимость [1,2].
679
25-26 сентября 2013, Саратов
Для повышения надежности материала при изготовлении изделия и
его эксплуатации он должен обладать структурной устойчивостью, что
может быть достигнуто правильно проведенной термической обработкой.
В процессе работы были исследованы два листа гафния, толщиной
0,1 мм в состоянии поставки и отожженном в вакууме не хуже 6,65·10-3
Па.
В ходе исследований фольга испытывалась на растяжение по ГОСТ
11701-66, при рабочей длине образца 60·10-3 м, расчетной длине 40·10-3 м,
скорости передвижения подвижного захвата разрывной машины 10
мм/мин и на выдавливание сферической лунки по методу Эриксена (ГОСТ
10510-80) пуансоном диаметром 8·10-3 м.
Структура фольги исследовалась рентгеноструктурным методом по
Лауэ (съемкой эпиграмм) от листового образца размером 20х20 мм.
Механические и технологические свойства листов гафния толщиной
0,1 мм из одной партии в исходном и отожженном состоянии приведены в
таблица 1 и на рис. 1.
Таблица 1
Свойства листов гафния (№1 и №2) толщиной 0,1 мм
Режим отжига в вакууме
Деформированн
950 °С
1100 °С
не хуже 6,65·10-3 Па
ое состояние
60 мин.
60 мин.
Свойство материала
№1
№2
№1
№2
№1
№2
72,9
78,6
43,8
50,3
37,7
47,9
2,7
2,1
9,7
16,0
10,0
22,9
0,90
0,57
1,81
2,24
1,25
2,79
Механические
Предел прочности
свойства
*
σв, кг/мм2
Относительное
удлинение
δ, %
Технологическ
Глубина вытяжки
680
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ие свойства
h, мм
Твердость HV
280
–
195
–
200
–
* Предел прочности должен быть не менее 43,0 кг/мм2.
Рис. 1 Структура образцов гафния листа № 1: а – в деформированном состоянии;
б – после отжига при 950 °С, в – после отжига при 1100 °С, г – после отжига
при 1200 °С
Из приведенных результатов видно, что листы №1 и №2 отличаются,
как по сочетанию прочности и пластичности, так и по влиянию
температуры на их механические и технологические свойства.
Температура отжига для изготовления изделий из этих листов с
применением деформирования, например вытяжкой, для придания им
необходимой формы, у листа №1 должна быть 950 °C, а у листа №2 – 1100
°C.
При выборе режима отжига, с целью экономии материала,
целесообразно использовать испытания его в деформированном состоянии
и после контрольных отжигов на вытяжку сферической лунки по Эриксену
и контроль структуры этих же образцов рентгеноструктурным анализом по
методу Лауэ.
Литература
1.
Мельникова
И.П.
Исследование
физических
причин,
ограничивающих долговеч- ность и эмиссионную способность катодных и
катодно-сеточных узлов, и возможеность улучшения этих параметров в
681
25-26 сентября 2013, Саратов
электровакукумных приборах СВЧ: дис. … канд. физ.-мат. наук / И.П.
Мельникова. – Саратов: СГТУ, 1997. – 246 с.
2. Лясников В.Н. Материалы и покрытия в медицинской практике /
В.Н. Лясников, А.В. Лясникова, Т.Г. Дмитриенко. – Саратов: Научная
книга, 2011. – 300 с.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ БЕЛКОВ,
МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ
А.Г. Мельников, Е.В. Наумова, А. Карева*, К. Юнусова*,
М.Г. Пономаренко*, А.А. Тучин
Научный руководитель: д.х.н., профессор Г.В. Мельников
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
*
Гуманитарно-экономический лицей, г. Саратов
Развитие новых поколений функциональных элементов фотоники и
оптоэлектроники связано в основном с использованием различных
наноразмерных и наноструктурированных материалов с заданными
свойствами. Во многих случаях при формировании таких материалов
рассматриваются полупроводниковые нанокристаллы – квантовые точки
(КТ). Типичные размеры наночастиц, являющихся квантовыми точками,
варьируются в пределах от 1 до 20 нм в зависимости от типа вещества.
Квантовые точки обладают гораздо большей световой стабильностью, чем
стандартные
органические
фотосенсибилизаторы,
что
флуорофоры,
делает
их
флуоресцентные
белки
привлекательными
и
для
альтернативной диагностики. Нами исследованы процессы взаимодействия
682
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
квантовых точек ZnCdS с белками, а также тушение люминесценции КТ
ионами меди.
Описание экспериментальной установки
Спектры
флуоресценции
КТ
были
получены
с
помощью
спектрофлуориметра на базе монохроматора ДФС 24. Источником
возбуждающего света служил лазер, излучающий на длине волны 405 нм
(рис.1). Исследуемый образец в кювете помещается в осветительную
систему и освещается источником возбуждения. Излучение квантовых
точек направляется на монохроматор и разлагается в спектр, который
поступает на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Снимаемый с ФЭУ
электрический сигнал поступает на регистрирующее устройство, которое
включает усилитель и самописец КСП-4.
Нами
исследованы
люминесцентные
сенсоры
на
основе
наномаркеров - КТ, обладающих более значительным квантовым выходом
люминесценции по сравнению с красителями [1-3] , значение которого
практически не изменяется в течении долгого времени эксплуатации
биосенсора. В качестве такого наномаркера была выбрана квантовая точка
(КТ) на основе ZnCdS.
683
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для измерения спектров
фотолюминесценции, где 1 – лазер; 2 – объективы; 3 – светофильтры; 4 – кювета с
образцом; 5 – спектрометр ДФС – 24; 6 – ФЭУ – 79; 7 – кожух с объективом; 8 –
самопишущий потенциометр типа КСП – 4; 9 – источник питания ФЭУ; 10 – усилитель;
11 – блок питания; 12 – пульт управления спектрометром ДФС – 24
Для взвешенных в воде наночастиц КТ по спектральным данным
размер частиц находится в диапазоне 6-10 нм [4].
При исследовании взаимодействия квантовых точек ZnCdS с
молекулами сывороточного альбумина человека (САЧ) нами получена
684
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
зависимость
интенсивности
люминесценции
квантовых
точек
от
концентрации САЧ (рис. 2)
Рис. 2. Зависимость интенсивности флуоресценции КТ ZnCdS
от концентрации САЧ в буфере рН 7,4
Возможно также изменение фотофизических свойств поверхности КТ
при связывании ионов меди с поверхностью квантовой точки, что и
приводит к уменьшению интенсивности люминесценции поверхностных
дефектов полупроводниковых наночастиц ZnCdS (рис. 3).
Зависимость
отношения
интенсивностей
без
тушителя
к
интенсивности с тушителем от концентрации тушителя описывается
уравнениями Штерна-Фольмера типа: Io/I=1+Ksv[Q], где I и Io являются
интенсивностями флуоресценции КТ при данных концентрациях Cu2+ и
без него соответственно. [Q] является концентрацией Cu2+ . Зависимость
Штерна-Фольмера для тушения флуоресценции КТ представляет собой
прямую линию в интервале концентраций ионов кадмия от 10 мкМ до 50
685
25-26 сентября 2013, Саратов
мкМ. Константа Штерна-Фольмера тушения флуоресценции КТ в воде
составила 0,04·104 М-1.
Дальнейшее увеличение содержания ионов меди приводило к
усилению интенсивности рассеянного света в растворах. По нашему
предположению это связано с образованием комплексов состоящих из
квантовых точек и тяжелых металлов. Константа Штерна-Фольмера в
буфере рН 7,4 САЧ равна 0,14·104 М-1. Возрастание константы ШтернаФольмера в САЧ по сравнению с водными растворами может быть
обусловлено концентрированием ионов меди в комплексе белок-КТ, что
значительно увеличивает вероятность диффузионных встреч ионов меди с
КТ. Следовательно, КТ могут являться сенсорами на определение ТМ меди
в белках плазмы крови. Дальнейшее увеличение содержания ионов меди в
САЧ приводило к образованию кластеров из глобул белка, в которых
произошла нейтрализация зарядов при взаимодействии с ионами меди.
Таким образом, применение КТ перспективно для регистрации белков
в водном растворе. Возможно, применение белков для стабилизации КТ и
создания безопасного люминесцентного зонда позволяющего растворить
нерастворимые КТ в воде при создании поверхностного слоя, состоящего из
белковых макромолекул. Система белок-КТ является чувствительным
сенсором определения содержания ионов тяжелых металлов в белках.
Работа поддержана грантом РФФИ 12-02-31196 мол_а.
Литература
1.
Леденцов
Н.Н.
Гетероструктуры
с
квантовыми
точками:
получение, свойства, лазеры / Н.Н. Леденцов и др. // Физика и техника
полупроводников, 1998, том 32, №4, с. 385 – 410.
2. Литвин А.П., Парфенов П.С., Ушакова Е.В., Баранов А.В.
Исследование кинетики люминесценции квантовых точек сульфида свинца
686
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
// Научно-технический вестник информационных технологий, механики и
оптики. – 2012. – Т. 81. – № 5. –C. 32-38.
3. Мельников А.Г., Наумова Е.В., Черняев С.С. // Люминесцентные
исследования процессов тушения возбужденных состояний эозина и
пирена ионами йода в сывороточном альбумине человека. Материалы
международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых
учёных «Ломоносов-2013». Москва, МГУ им. Ломоносова. 8 — 13 апреля
2013. Секция Физика. С. 54-55.
4. Е.К. Волкова, В.И. Кочубей Люминесценция и фосфоресценция
наночастиц сульфида кадмия. Физика и электроника Известия Самарского
научного центра Российской академии наук, т. 14, № 4, 2012, с. 197-200.
ОБОСНОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЯ НОВОГО
АНТИСЕПТИЧЕСКОГО ПРЕПАРАТА ШИРОКОГО СПЕКТРА
ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДРЕНАЖНЫХ СИСТЕМ
МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
М.М. Вакараева, О.В. Нечаева, Е.И. Тихомирова, Д.А. Заярский*
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
*
Саратовский государственный университет
имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов
В последние годы в ветеринарной и медицинской практике резко
возросло количество катетер-ассоциированных инфекций. Это связано с
увеличением числа инвазивных диагностических и лечебных процедур,
которые требуют использования сложного медицинского оборудования.
На поверхности многих медицинских инструментов условно-патогенные
687
25-26 сентября 2013, Саратов
микроорганизмы формируют биопленки. Бактерии, входящие в состав
биопленок, характеризуются сниженной метаболической активностью и
выраженной
устойчивостью
к
используемым
антимикробным
соединениям. Зачастую ассоциантами биопленок выступают бактерии
родов Staphylococcus и Pseudomonas.
Поэтому поиск перспективных антимикробных соединений является
актуальным.
Целью нашей работы явилось изучение биологической активности
йод-содержащего полимера - диметилдиаллиламмоний йодида сахарозы
(ПДДАЙС) в отношении бактерий родов Staphylococcus и Pseudomonas в
зависимости от концентрации гидрат-ионов йода в составе полимера.
В
качестве
экспериментальной
модели
мы
использовали
стандартные штаммы S. aureus 209 P и P. aerugenosa ATCC 27853 из
коллекции кафедры микробиологии, вирусологии, иммунологии СГМУ
им. В.И. Разумовского.
В работе использовали четыре варианта полимера: в ПДДАЙС-2
концентрация гидрат-ионов йода составляла 100 мкг/мл, в ПДДАЙС-4 200мкг/мл, в ПДДАЙС-10 - 500 мкг/мл и в ПДДАЙС-15 - 750 мкг/мл.
исследование острой токсичности всех вариантов полимера позволило
отнести его к IV классу токсичности
Для определения биологической активности полимера использовали
метод серийных разведений (МУК 4.2.1890-04.).
Исследуемые препараты разводили в стерильной дистиллированной
воде до получения рабочей концентраций 1000 мкг/мл. Затем получали
двойные разведения препарата в МПБ до 2 мкг/мл.
Взвесь исследуемых микроорганизмов готовили в физиологическом
растворе по оптическому стандарту мутности 10 Ед (ГИСК им.
Тарасевича), а затем титровали до конечной концентрации 2×106 м.к./мл. В
каждую пробирку, содержащую определенную концентрацию препарата,
688
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
вносили по 0,1 мл взвеси исследуемых микроорганизмов и инкубировали в
термостате при 37 0С в течение 24 часов. Все эксперименты проводили в
трехкратных повторностях. Учет результатов проводили по наличию
видимого роста в пробирках. Полученные результаты представлены в
таблице.
В
ходе
проведенных
грамположительные
исследований
бактерии
оказались
было
более
установлено,
что
чувствительными
к
ПДДАЙС. Нам не удалось определить минимальную подавляющую
концентрацию (МПК) соединения для стандартного штамма S. aureus 209
P, поскольку во всех пробирках видимый рост бактерий отсутствовал в
отличие от контрольной, где наблюдался рост в виде равномерного
помутнения.
Таблица 1
Биологическая активность йод-содержащего полимера
Концентра
ПДДАЙС-2
ПДДАЙС-4
ПДДАЙС-10
ПДДАЙС-15
ция
S.
P.
S.
P.
S.
P.
S.
P.
мкг/мл
aureus
aerugen
aureus
aerugen
aureus
aerugen
aureus
aerugen
osa
osa
osa
osa
1000
-
-
-
-
-
-
-
-
500
-
-
-
-
-
-
-
-
250
-
-
-
-
-
-
-
-
125
-
-
-
-
-
-
-
-
64
-
-
-
-
-
-
-
-
32
-
+
-
-
-
-
-
-
16
-
+
-
+
-
-
-
-
8
-
+
-
+
-
-
-
-
4
-
+
-
+
-
+
-
-
2
-
+
-
+
-
+
-
-
К
+
+
+
+
+
+
+
+
«+» - наличие роста
«-» - отсутствие роста
689
25-26 сентября 2013, Саратов
Чувствительность стандартного штамма P. aerugenosa ATCC 27853 к
йод-содержащему полимеру была ниже и зависела от содержания ионгидратов йода. Так МПК ПДДАЙС-2 составила 64 мкг/мл, ПДДАЙС-4 - 32
мкг/мл, ПДДАЙС-10 - 8 мкг/мл. Для ПДДАЙС-15 нам не удалось
определить МПК, так как во всех пробирках видимый рост отсутствовал в
отличие от контрольной, в которой наблюдался рост в виде равномерного
помутнения
с
пленкой
на
поверхности
и
интенсивным
пигментообразованием.
Таким
образом,
нами
установлено,
что
ПДДАЙС
обладает
выраженным антимикробным действием в отношении стандартных
штаммов как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий.
Поскольку ПДДАЙС является малоопасным соединением, он может быть
использован
как
дезинфектант
для
профилактической
и
текущей
дезинфекции. Помимо этого ПДДАЙС можно использовать для обработки
медицинских дренажных систем с целью преодоления формирования
микробных
биопленок
и
профилактики
катетер-ассоциированных
инфекций.
Научная
новизна
заключается
в
разработке
технологии
предварительной обработки медицинских дренажных систем нетоксичным
соединением в выраженной антимикробной активностью, в результате
чего образовавшаяся наноструктурированная пленка полимера будет
ингибировать развитие микробной биопленки.
Литература
1.
Сидоренко С.В. Роль бактериальных биопленок в патологии
человека // Инфекции в хирургии. 2004. Т. 2. № 3. С. 16-20.
2.
Сидоренко С.В., Яковлев С.В. Инфекции в интенсивной
терапии. М., 2000; 144 с.
690
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
3.
Archer N.K., Mazaitis M.J., Costerton J.W., Leid J.G., Powers
M.E., Shirtliff M.E. Staphylococcus aureus biofilms: Properties, regulation and
roles in human disease // Virulence. – 2011. – V. 2. – P. 445 - 459.
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫМИ
ПРОЦЕССАМИ НА ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ16
В.А. Кошуро, Г.Г. Нечаев, А.В. Лясникова
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Модификация поверхности изделий из титана для антикоррозионной
защиты,
повышения
необходимых
износостойкости,
функциональных
электрохимическими
распространенных
придания
свойств
методами
электрофизическими
является
технологических
поверхности
одним
приемов,
из
и
самых
обеспечивающих
эксплуатационные характеристики изделий приборостроения и медицины.
Одними
из
самых
распространенных
методов
нанесения
функциональных покрытий являются электроплазменное напыление (ПН),
применяемое для нанесения электроизоляционных и термостойких
покрытий, повышения износо- и коррозионной стойкости и микродуговое
оксидировании
(МДО),
используемое
для
получения
износо-
и
коррозионостойких оксидных покрытий [1-6].
Для
улучшения
функциональных
характеристик
покрытий
получаемых методом МДО на титане и его сплавах, предлагается
691
25-26 сентября 2013, Саратов
формировать плазмонапыленное алюмооксидное покрытие на основе из
титана и его сплавов, с последующим МДО.
Целью представленной работы является исследование
физико-
механических характеристик покрытий полученных методами ПН, МДО и
по комбинированной технологии.
Методика эксперимента
Для проведения исследований были использованы образцы из
титанового сплава ВТ16 с покрытием, нанесенным методами МДО, ПН и
по комбинированной технологии.
Перед нанесением покрытий образцы подвергались очистке в
ультразвуковой ванне УЗВ2-0,16/37:
1. в водном растворе ПАВ при температуре от 35 до 40 ºС в
течение 3 минут;
2. в водном растворе этилового спирта в течение 2 минут;
3. в дистиллированной воде комнатной температуры в течение 1
минуты.
Покрытия наносили:
•
методом МДО на экспериментальной установке МДО-1, в
анодном режиме при постоянной плотности тока j = 103 А/м2 в течение 20
минут в электролите, содержащем 3 г/л NaOH;
•
методом ПН в воздушной среде на установке ВРЕС
744.3227.001. Напыление порошка оксида алюминия, марки 25AF230
дисперсностью 50 - 100 мкм, производилось с дистанции 120 мм;
•
методом ПН порошка оксида алюминия, марки 25AF230
дисперсностью 50 - 100 мкм, с дистанции 120 мм с последующим МДО на
экспериментальной установке МДО-1, в анодном режиме при постоянной
плотности тока j = 103 А/м2 в течение 20 минут в электролите, содержащем
3 г/л NaOH.
692
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Морфология и структура покрытия основы исследовались на
металлографическом микроскопе МИМ-8 с помощью фотоаппарата
FujiFilm jv200.
Микротвердость
покрытий
определялась
с
использованием
твердомера HVS-1000B с видеоизмерительной системой SP-5. При этом
использовалась нагрузка на индентор Виккерса равная 0,98 Н и 1.96 Н при
выдержке 15 секунд (ГОСТ 9450 - 76).
Величина напряжения пробоя измерялась на лабораторном стенде
«Изучение диэлектрической прочности твердых диэлектриков» МВ 002.
Результаты исследований и их анализ
Покрытия, сформированные методом МДО, имеют сплошную
структуру с большим количеством пор, сформированных при воздействии
микродуговых разрядов (рис. 1).
Рис. 1 . Фотография микрошлифа образца из титана ВТ16 после МДО:
а – эпоксидная смола; б – покрытие; в – пора; г – металл основы
(ширина кадра 155 мкм)
Структура покрытий сформированных методом ПН представляет
собой оплавленные и спеченные частицы оксида аллюминия (рис.2).
693
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 2 . Фотография микрошлифа образца из титана ВТ16 после ПН оксида алюминия:
а – эпоксидная смола; б – покрытие, полученное ПН; в – частицы оксида алюмиминия;
г – основа (ширина кадра 155 мкм)
Неоднородность структуры, в виде отдельных частиц, равномерно
распределенная по всему покрытию подтверждает, что режимы ПН, такие
как
дистанция
напыления,
давление
плазмообразующего
и
транспортируещего (напыляемы порошок) газов оставались практически
не изменными в процессе напыления; однородные участки покрытия
образуются наиболее проплавленными частицами оксида алюминия,
имеющими размер близкий к 50 мкм (напылялся порошок корунда
дисперстностью 50 – 100 мкм).
Покрытие сформированное предварительным ПН на основу оксида
алюминия с последующим МДО, имеет сплошную пористую структуру
(рис. 3).
Рис. 3 . Фотография микрошлифа образца из титана ВТ16 после МДО:
а – эпоксидная смола; б – покрытие; в – поры; г – металл основы
(ширина кадра 155 мкм)
694
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
При сравнении фотографий микрошлифов, приведенных на рис.1 и
2, наблюдается изменение структуры, ставшей более однородной (рис. 1,
3). Сквозные поры образуются при пробивании микродуговыми разрядами
ПН покрытия.
Проводились
исследования
микротвердости
образцов
с
полученными покрытиями. Результаты измерения представлены в табл. 1
(перевод величин в шкалу HRC осуществлялся согласно стандарту DIN
50150).
Таблица 1
Результаты измерений микротвердости покрытий
Нагрузка
Материал
Тип
на
образца
покрытия
индентор,
ВТ 16
0.981
МДО
0.981
ПН
0.981
ПН+МДО
1.96
Согласно
проведенным
микротвердости
микротвердости,
HV
Н
-
Среднее значение
Значение
314; 372; 380;
400; 480; 580
270; 290; 245;
293; 330
700; 840; 1019
463.1; 1588.5;
2471.5; 2595.01
исследованиям
HV
HRC
407.7
41.8
476
47.3
853
65.5
1779.53
-
микротвердость
ПН
покрытия после МДО значительно увеличивается, вероятно это связано с
проплавлением и «привариванием» покрытия к материалу основы
микродуговыми разрядами.
Проводились измерения пробивного напряжения, на образцах с
покрытием нанесенным на одну поверхность (табл. 2).
695
25-26 сентября 2013, Саратов
Таблица 2
Результаты измерения пробивного напряжения
Материал
образца
ВТ 16
Среднее значение
Тип покрытия
Напряжение пробоя, В
МДО
600; 700; 700
666.7
ПН
700; 700; 750; 800
737.5
ПН+МДО
800; 800; 800
800
напряжения пробоя, в
Согласно проведенным измерениям, диэлектрические свойства ПНпокрытия и покрытия полученного по комбинированной технологии
отличаются незначительно, стабильность результатов вероятно связана с
однородностью структуры.
Из
полученных
результатов
следует:
диэлектрические
и
механические свойства ПН покрытия улучшаются после проведения МДО,
в результате чего изменяется структура покрытия.
Литература
1.
Corrosion properties of plasma-sprayed Al2O3-TiO2 coatings on Ti
metal/ Y. Song, I. Lee, S. N. Hong, B. Kim, K. H. Lee, D. Y. Lee. // J. MATER
SCI 41 (2006) 2059–2065.
2.
Corrosion Behavior in Boiling Dilute HCl Solution of Different
Ceramic Coatings Fabricated by Plasma Spraying/ Y. Dianran, H. Jining,
Xiangzhi Li, D. Yanchun, L. Yangai , Z. Jianxin // J. Thermal Spray Technol. 2004, 13(4). - p 503–507.
3.
Антифрикционные
свойства
и
коррозионная
стойкость
детонационного покрытия из Al2O3, применяемого в машиностроении /
Астахов Е.А // Автом. Сварка. – 2004. – № 1. – С. 20–22.
696
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
4.
Структура и коррозионная стойкость плазменных покрытий
при напылении керамических плакированных порошков / Смирнов И.В.,
Черный А.В., Белоусова Н.А.// Вестник НТУУ "КПИ" – 2010. - № 60
5.
Пат. 3.075.896 США, Кл.204-37. Process for coating titanium
articles / L.D. McGraw, J.L. Stockdale (USA); Shuron Optical Company (USA).
- № 769569; Заявлено 27.10.58; Опубл. 29.01.63.
6.
Марков Г. А. Микродуговые и дуговые методы нанесения
защитных покрытий / Г. А. Марков, О. П. Терлеева, Е. К. Шулепко // Тр.
Моск. ин-та нефти и газа им. И.М.Губкина.- М., 1985. С. 54-56
АДГЕЗИЯ ПЛАЗМОНАПЫЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ
В.Н. Лясников, М.С. Гавкина, Т.Е. Карасева
Научный руководитель: д.т.н., профессор В.Н. Лясников
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Целенаправленное эффективное использование плазмонапыленных
покрытий, а также стабильная работа конструкций с покрытиями в
жестких условиях механических, термических других видов воздействий в
первую очередь определяется высокой адгезией покрытий с подложкой.
При формировании плазмонапыленных покрытий напыляемая частица,
находящаяся в жидко-пластическом состоянии, при взаимодействии с
подложкой проходит через следующие стадии:
1. образование физического контакта между ними, т.е. сближение их
на расстояние, близкое к величине периода решетки;
2. активация
контактирующих
взаимодействие между ними;
697
поверхностей
и
химическое
25-26 сентября 2013, Саратов
3. процессы диффузии и массопереноса.
В общем виде силы, определяющие адгезию плазмонапыленных
покрытий с подложкой, можно представить следующим образом:
Силы связи покрытия
с подложкой
Химическая
связь
Механическое
(анкерное)
зацепление
Ковалентные
связи
Невалентные
молекулярные
связи
Донорноакцепторная
Металлические
связи
Слабые,
неустойчивые и при
определении
прочности
сцепления частиц
не учитываются
Межмолекулярна
я связь
Невалентные молекулярные связи представляют собой слабые,
неустойчивые силы. Химическая связь определяется перегруппировкой
атомов с образованием очагов схватывания в контактной зоне и
привариванием частиц.
Адгезия покрытий в целом существенно зависит от конструкторскотехнологических, физико-химических и других параметров исходных
материалов (покрытие-подложка), процесса получения покрытия и его
последующей обработки. Поэтому результаты исследования по одним и
тем же материалам часто значительно отличаются друг от друга, что не
позволяет сделать определённых выводов.
698
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ И ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА ПОСЛЕ ВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ
А.Э. Герасимук, Н.А. Адаменко
Научный руководитель: д.т.н., профессор Н.А. Адаменко
Волгоградский государственный технический
университет, г. Волгоград
Основной задачей модифицирования известных фторполимерных
материалов является улучшение их эксплуатационных характеристик и
выявления
путей
управляемого
варьирования
свойств
материалов.
Разработка технологий взрывного прессования (ВП) ведется в рамках
создания как модифицированных форм чистых фторполимеров, так и для
создания металлополимерных композиций. Технология ВП позволяет
реализовать ударные волны, распространяющиеся с высокой скоростью от
поверхности нагружения в глубину образца, создавать давления от 10 до
100 ГПа и температуру до тысячи градусов. Технология применима для
термостойких полимеров, способных без деструкции и необратимых
изменений воспринимать высокие давления и температуры, к числу
которых относится политетрафторэтилен (ПТФЭ, Ф-4).
Целью настоящей работы являлось исследование закономерностей
формирования структуры и термических свойств
отличие
от
ранее
использованной
схемы
ПТФЭ при ВП. В
взрывного
обжатия
в
цилиндрической ампуле цилиндрическим кольцевым зарядом, образцы для
исследований получали по принципу взрывного обжатия порошка в
цилиндрической ампуле с секторными зарядами взрывчатого вещества
(ВВ) которые, расположены противоположно друг другу и разделены
инертной средой (песком). Это обеспечивает при ВП симметричное
699
25-26 сентября 2013, Саратов
двустороннее обжатие порошка с давлением в ударном фронте 0,8 ГПа. В
результате фронтального столкновения ударных волн в центре материала
реализуется давление до 10 ГПа, приводящее к образованию материала
черного
цвета.
Исследовались
основная
светлая
часть
образца,
образованная у внешней поверхности, и серая корочка, прилегавшая к
металлической пластине. Изучение морфологии образцов проводилось с
использованием
электронного
сканирующего
микроскопа
высокого
разрешения Hitachi S5500. Термогравиметрический анализ проводился на
приборе STA-449C, фирмы NETZSCH со скоростью нагрева 5С/мин в
потоке сухого аргона, масса исследуемых образцов ПТФЭ составляла от 7
до 12 мг при точности взвешивания 0,003 мг.
Морфологические исследования показали, что светлая компонента и
центральная черная часть образца представляли собой сменяющиеся
участки фибриллярных структур длиной около 1 мкм и диаметром 50-200
нм и плотных образований (рис. 1), которые подобны слоистым
структурам во фторопласте (Ф-4) и предположительно сохранились в
образце
после
ВП.
Рыхлые
фибриллярные
структуры
являются
результатом деструкции исходного образца за счет разделения между
собой фибрилл. Центральная черная часть образца содержит меньше
фибриллярных структур и больше плотных областей. Характерной
особенностью морфологии темной корки на поверхности образца являются
фибриллы большей длины (10-20 мкм).
700
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
а
б
в
г
Рис. 1. Микрофотографии белой (а), черной (б) части, черной корки (в, г)
на поверхности образца ПТФЭ, подвергнутого ВП
Термические исследования так же проводились для каждой части
трехслойного образца. Для белого слоя температурный интервал потери
массы сдвигается на 20оС вправо (рис. 2), начинается при 521оС и
заканчивается при 608оС. Образец черного центрального слоя и серой
корочки
имеют
одинаковые
значения
температур
разложения
и
соответствуют началу потери массы при 516оС и завершению при 604оС.
Наличие небольшой разницы в температурах разложения черной и светлой
части образца несущественны, поэтому можно говорить о термической
устойчивости ПТФЭ к ВП.
Температуры
плавления
для
образца
после
ВП
в
целом
увеличиваются незначительно (на 7-9оС). Более существенные изменения
701
25-26 сентября 2013, Саратов
затрагивают тепловые эффекты плавления ПТФЭ после ВП. Наибольшая
величина эндоэффекта соответствует черной центральной компоненте
образца и составляет -38,8 Дж/г, светлая часть образца характеризуется
наименьшим эндоэффектом -18,4 Дж/г. Судя по величинам тепловых
эффектов, свидетельствующим об увеличении кристалличности ПТФЭ
после ВП, наибольшей кристалличностью характеризуется внутренняя
черная часть образца. Однако рост эндоэффекта может быть связан с
появлением лучше кристаллизующихся коротких цепей ПТФЭ или его
взаимодействием с выделившимся углеродом и образовании композита с
более сильным межмолекулярным взаимодействием.
Рис. 2. Термические характеристики образца ПТФЭ после ВП
Исходя из результатов исследований, ВП приводит к изменению
характеристик ПТФЭ. В образце образуются три зоны с различной
морфологией и термическими свойствами. Фибриллярные структуры,
представленные в исследованиях, аналогичны крейзинговым структурам,
702
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
образующимся в результате термомеханического растяжения пленок
ПТФЭ. Варьированием параметров взрывной обработки по схеме ВП с
секторными
зарядами
ВВ
можно
получать
как
монолитные
компактированные изделия, так и пористые продукты крейзингового типа.
После ВП материал состоит из фракций разного состава (черная и светлая
части),и эти фракции отличаются термическим поведением друг от друга.
Белая часть образца схожа с исходным ПТФЭ из-за прессования при
наименьшем
давлении,
а
центральная
темная
часть
обогащена
углеродными образованиями, вплоть до сажи из-за реализации самых
высоких давлений и температуры. Термическая стойкость ПТФЭ к ВО
дает возможность реализовать упрочнение материала без существенной
потери в диапазоне рабочих температур фторполимерного продукта.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 13-0300344 и 13-03-97044.
Литература
1. Бузник В.М., Зибарева И.В. // Высокомолек. соед. А. 2011.Т. 53. №
11. С. 1977.
2.
Металполимерные
нанокомпозиты
(получение,
свойства,
применение) // В.М. Бузник, В.М. Фомин, А.П. Алхимов и др. Новосибирск: Из-во СО РАН - 2005. – 260 с.
3. Адаменко Н.А., Фетисов А.В., Казуров А.В. Взрывная обработка
металлополимерных композиций. Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2007. –
240с.
4. Адаменко Н.А., Казуров А.В., Фетисов А.В., Агафонова Г.В.
Получение
полимерных
нанокомпозитов
взрывной
Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4. № 1-2. С. 137-144.
703
обработкой
//
25-26 сентября 2013, Саратов
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ И ЭЛЕМЕНТНО-ФАЗОВОГО
СОСТАВА БИОИНЕРТНЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ
ПЛАЗМЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ НА ИЗДЕЛИЯХ ИЗ
ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ16
В.А. Кошуро, А.В. Лясникова
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
В настоящее время одними из самых распространенных методов
нанесения функциональных покрытий на медицинские изделия являются
электроплазменное напыление (ПН) и микродуговое оксидировании
(МДО), имеющие ряд известных недостатков.
Для повышения износо- и коррозионной стойкости на металлические
изделия методом ПН наносят оксид алюминия. Один из недостатков
данного метода связан с отслаиванием покрытия после напыления и в
процессе эксплуатации изделия. Для борьбы с этим успешно применяется
плакирование порошка оксида алюминия медью и титаном [1-4].
Для
нанесения биоинертного коррозионостойкого покрытия на
изделия из титана и его сплавов применяется МДО. Свойства МДОпокрытий определяются их составом и структурой, которые, в свою
очередь, зависят от материала основы, состава электролита и режимов
обработки.
Основным
недостатком
МДО
является
значительная
продолжительность процесса (до 80 минут.
Для устранения вышеприведенных недостатков рассмотренных
плазменных процессов предлагается формировать комбинированное
покрытие из оксидов алюминия и титана, получаемое в результате ПН
оксида алюминия на основу из титана и его сплавов, с последующим МДО.
704
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Целью представленной работы является исследование элементнофазового состава комбинированных покрытий, полученных методами
МДО, ПН и по комбинированной технологии.
Методика эксперимента
Для проведения исследований были использованы образцы из
титанового сплава ВТ16 с покрытиями нанесенными на плоские
поверхности.
Перед нанесением покрытий образцы подвергались очистке в
ультразвуковой ванне УЗВ2-0,16/37:
– в водном растворе ПАВ при температуре от 35 до 40 ºС в течение
3 минут;
– в водном растворе этилового спирта в течение 2 минут;
– в дистиллированной воде комнатной температуры в течение 1
минуты.
Покрытие наносили:
• методом МДО на экспериментальной установке МДО-1, в
анодном режиме при постоянной плотности тока j = 103 А/м2 в течение 20
минут в электролите, содержащем 3 г/л NaOH;
• методом ПН в воздушной среде на установке ВРЕС 744.3227.001.
Напыление порошка оксида алюминия, марки 25AF230 дисперсностью 50 100 мкм, производилось с дистанции 120 мм;
• методом ПН порошка оксида алюминия, марки 25AF230
дисперсностью 50 - 100 мкм, с дистанции 120 мм с последующим МДО на
экспериментальной установке МДО-1, в анодном режиме при постоянной
плотности тока j = 103 А/м2
в течение 20 минут в электролите,
содержащем 3 г/л NaOH.
Химический состав и морфология покрытий определялись методами
энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) и
растровой
электронной
микроскопией
705
(РЭМ)
c
использованием
25-26 сентября 2013, Саратов
электронного микроскопа MIRA II LMU. Фазовый состав полученных
покрытий определялся на монокристальном рентгеновском дифрактометре
Xcalibur/Gemini A, при использовании рентгеновской трубки с медным
анодом (Cu -Kα излучение). Для анализа дифрактограмм использовалась
база данных CRYSTAL IMPACT, Bonn, Germany.
Результаты исследований и их анализ
Покрытия
сформированные
методами
МДО,
ПН
и
по
комбинированной технологии имеют различную морфологию (Рис. 1
а,б,в).
а
б
в
Рис. 1 Морфология покрытий полученных методами:
а-МДО, б- ПН, в- ПН с последующим МДО, ×500
Покрытие, сформированное МДО, повторяет рельеф основы, в том
числе поверхностных дефектов, возникших в результате механической
обработки,
и
состоит
из
участков
с
различной
морфологией:
предположительно естественной оксидной пленки, имеющей в среднем
следующий химический состав: O – 74.5%, Al – 6.5%, Ti – 17.5% ,
V – 1.5%, Mo – 0.5% и поверхности со следами воздействия микродуговых
разрядов, со средним химическим составом O – 70%, Al – 20%, Ti – 10%
(рис. 1 а).
Покрытие сформированное ПН оксида алюминия, состоит из
деформированных частиц, равномерно распределенных по поверхности
706
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
основы (рис. 1 б). Согласно ЭДРФА,
химический состав поверхности
основы: O – 65%, Al – 35%, что говорит о сплошности покрытия.
Покрытие сформированное ПН оксида алюминия, с последующим
МДО
оксидированием
имеет
развитую
морфологию,
со
следами
микродуговых разрядов в виде кратеров, с ярко выраженными участками
светлой окраски – согласно ЭДРФА в среднем, состоящие из оксида
алюминия (O – 65%, Al – 35%), на темном фоне, имеющим следующий
химический состав: O – 70%, Al – 20%, Ti – 10%.
Анализ дифрактограмы образца с МДО показал наличие в покрытие
оксидов TI, Al, V и Mo, входящих в состав сплава ВТ16.
Рис. 2 Дифрактограмма образца с покрытием, полученным МДО
Oксиды
химического
VO2,
анализа
V2O5,
MoO3,
находятся
в
согласно
результатам
необработанной
точечного
микродуговыми
разрядами оксидной пленке.
Оксид алюминия, изначально α-фазы (корунд),
перешел в γ – фазу (рис.3).
707
в результате ПН
25-26 сентября 2013, Саратов
Рис. 3. Дифрактограмма образца с покрытием, полученным ПН оксида алюминия
Данный
фазовый
переход
свидетельствует
о
значительном
термическом воздействии на порошок оксида алюминия в процессе ПН.
Анализ дифрактограммы образца с комбинированным покрытием
показал отсутствие оксида титана и фазового превращения оксида
алюминия.
Рис. 4. Дифрактограмма образца с покрытием,
полученным по комбинированной технологии
708
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Согласно проведенным исследованиям морфологии, химического и
фазового составов образцов с МДО, ПН, ПН и последующим МДО можно
сделать следующие выводы:
• При малом времени МДО образцов из ВТ16, на поверхности
остаются участки естественной оксидной пленки, включающие в свой
состав токсичные для биологического объекта соединения ванадия – VO2,
V2O5.
• ПН позволяет сформировать малопористое покрытие, в процессе
которого происходит фазовый переход оксида алюминия из α-фазы
(корунд), в γ – фазу (рис.3).
• В процессе МДО образцов с предварительно сформированным
покрытием методом ПН, не происходит окисления титана и фазового
превращения оксида алюминия, пленка которого предположительно
переплавляется и приваривается микродуговыми разрядами к основе (рис.
1в, 4).
• Титан,
зафиксированный
методом
ЭДРФА
в
составе
комбинированного покрытия, появился на поверхности образцов в
результате кумулятивных выбросов из материала основы, при пробивании
оксидной пленки микродуговыми разрядами.
• Основываясь на химическом составе полученного ЭДРФА
образцов с покрытием полученым методом ПН оксида алюминия и
последующего МДО, можно сделать вывод о возможной биоинертности
комбинированного покрытия.
Литература
1. Corrosion properties of plasma-sprayed Al2O3-TiO2 coatings on Ti
metal/ Y. Song, I. Lee, S. N. Hong, B. Kim, K. H. Lee, D. Y. Lee. // J. MATER
SCI 41 (2006) 2059–2065.
709
25-26 сентября 2013, Саратов
2. Corrosion Behavior in Boiling Dilute HCl Solution of Different
Ceramic Coatings Fabricated by Plasma Spraying/ Y. Dianran, H. Jining,
Xiangzhi Li, D. Yanchun, L. Yangai , Z. Jianxin // J. Thermal Spray Technol. 2004, 13(4). - p 503–507.
3. Антифрикционные
свойства
и
коррозионная
стойкость
детонационного покрытия из Al2O3, применяемого в машиностроении /
Астахов Е.А // Автом. Сварка. – 2004. – № 1. – С. 20–22.
4. Структура и коррозионная стойкость плазменных покрытий при
напылении керамических плакированных порошков / Смирнов И.В.,
Черный А.В., Белоусова Н.А.// Вестник НТУУ "КПИ" – 2010. - № 60.
ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ
ОСНОВЫ НА АДГЕЗИОННО-КОГЕЗИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУЧАЕМЫХ ПОКРЫТИЙ
Садыков Р.Р., Садыкова Н.И.,
Скрипаченко К.К., Дударева О.А.
Научный руководитель: д.т.н., проф. Лясникова А.В.
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Адгезионно-когезионные
характеристики
покрытий
различного
назначения являются одними из важнейших параметров, определяющих их
эксплуатационные характеристики. В связи с этим особое внимание
должно быть уделено качественной подготовке поверхности перед
нанесением покрытия.
Наиболее распространенным и универсальным методод подготовки
поверхности перед нанесением покрытия является воздушно-абразивная
710
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
обработка [1-23] (рис. 1). Это связано с тем, что результат действия
абразива на поверхность металла двоякий. С одной стороны он снимает с
поверхности загрязнения различными веществами, возникающие при
предварительной обработке металлов для формирования изделий (резание,
штамповка, литье и др.), а также удаляет образовавшийся на поверхности
оксидный слой. С другой стороны – изменяются параметры шероховатости
поверхности, причем как с увеличением их величины, так и с
уменьшением в процессе абразивной обработки, что зависит от многих
факторов: скорости абразивных частиц, их природы, размеров, угла атаки
и др.
Рис. 1. Современное оборудование для воздушно-абразивной обработки
изделий различного назначения [18-23]
711
25-26 сентября 2013, Саратов
При воздушно-абразивной обработке поверхностей применяют два
типа пневматических устройств: эжекционные и нагнетательные. В
эжекционных аппаратах в камеру с рабочим соплом подается струя
сжатого воздуха, в которую под действием создаваемого динамического
разряжения поступает песок или дробь из специального бункера и
расходуемый абразив восполняется за счет пересыпания под действием
силы тяжести. В нагнетательных аппаратах струя сжатого воздуха
захватывает регулируемые порции песка или дроби непосредственно из
участка дна бункера, а расход абразива регулируется пневматически за
счет нагнетания воздуха в верхнюю часть герметически закрытого
бункера. Эжекционные устройства более дешевы и их используют для
абразивной обдувки поверхностей небольших деталей, однако они не
обеспечивают абразивным частицам высоких скоростей и не позволяют
получать достаточно выраженную шероховатость твердых металлических
поверхностей, например чугуна.
На производительность процесса влияет дисперсность абразивных
порошков
и
шероховатость
при
увеличении
возрастает,
микронеровностей
диаметра
однако
получаемых
при
песчинок
этом
поверхностей
или
дробинок
увеличивается
и
потому
шаг
обычно
используют полидисперсные смеси из мелких и крупных зерен.
Возникающий при этом микрорельеф поверхности хотя и хорошо развит,
но весьма сложен и неоднороден: он содержит мелкие лунки, царапины,
трещины, выпуклости и т.д. [24-26].
Зерном абразивного материала называется его осколок, размеры
поперечного сечения которого не превышают 5 мм, а отношение
наибольшего
размера
к
наименьшему
не
превышает
3:1.
Зерна
классифицируют по размерам (высота h, длина l, ширина b) описанного
около зерна наименьшего параллелепипеда. Соотношение размеров
следующее: h ≥ l ≥ b. Размерной характеристикой зерна являются: для
712
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
зерен длиной более 40 мкм – длина зерна l и для зерен длиной 40 мкм и
менее – полусумма длины l и ширины b зерна, т.е. 0,5 (l +b).
Размерная характеристика зерна устанавливается для зерен длиной
более 40 мкм методом двух смежных предельных стандартных сит, а для
зерен длиной 40 мкм и менее – другими микроскопическими методами
(например, гидравлическим, согласованным с микроскопическим).
Зерна абразивных материалов в соответствии с ГОСТ 3647-80
классифицируются по размерной характеристике (табл. 1).
Таблица 1
Размерные характеристики зерен абразивных материалов
№
Размерная
№
Размерная
зерна
характеристика
зерна
характеристика
характерист
зерна в мкм
ика зерна в
зерна, мкм
№ зерна
Размерная
мкм
5
6
7
8
10
12
14
10
18
20
24
30
от
5000
4000
3300
2800
2300
2000
1700
1400
1200
1000
850
700
до
4000
3300
2800
2300
2000
1700
1400
1200
1000
850
700
600
36
40
46
54
60
70
80
90
100
120
150
от
600
500
420
355
300
250
210
180
150
125
105
до
500
420
355
300
250
210
180
150
125
105
85
180
220
240
280
320
М28(400)
М20(500)
М14(600)
М10(800)
М7(1200)
М5
от
85
75
63
53
42
28
20
14
10
7
5
до
75
63
53
42
28
20
14
10
7
5
3,5
Примечание. Цифры в скобках – обозначение номера зерна по немецкому и английскому стандартам
Величина зерен должна находиться в определенной зависимости от
шероховатости поверхности до ее обработки. Если размеры абразивных
зерен слишком малы по сравнению с шероховатостью, то их действию
подвергнуться и вершины гребешков и впадины. При дальнейшей
713
25-26 сентября 2013, Саратов
обработке произойдет как бы копирование профиля со скругленными
гребешками. Причем площадь поверхности возрастает в 5-8 раз вследствие
появления многочисленных микроуглублений.
Если величина зерен слишком велика, то они не смогут проникнуть
во впадины шероховатости и будут сглаживать только острые вершины
гребешков,
формируя
в
дальнейшем
поверхность
с
большой
шероховатостью зависящей только от их размеров. При размерах зерен,
сравнимых с исходной шероховатостью поверхности будет происходить
сглаживание поверхности с увеличением площади ее поверхности.
Влияние
друг
на
друга
зернистости
абразива
и
исходной
поверхности деталей из стали 45 по различным источником приведены в
табл. 2, 3.
Таблица 2
Взаимное влияние исходной шероховатости поверхности и зернистости
абразива при пескоструйной обработке стали 45
Угол
атаки в
град.
30
37
Угол
атаки в
град.
30
Шероховатость после обработки абразивами
Шероховазернистости, мкм
тость до
обработки,
450
325
170
мкм
– 0,25
– 0,62
0,4-0,5
0
1,37-1,5
0,3
0,5
0,37
–
0,75
1,0
2,12-2,25
–
–
–
4-5
–
5-6,26
–
–
0,45-0,63
0,12
0
– 0,3
1,37-1,5
–
0,5
0,5
2-2,25
–
–
–
Шероховатость после обработки абразивами зернистости, мкм
100
36
24
– 0,75
0,13
0,62
1,75
3,0
– 2,25
– 1,5
– 0,62
1,37
2,0
–
–
–
– 0,25
0,5
714
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
37
– 0,88
0,25
0,50
– 4,0
– 3,0
– 2,75
– 4,5
–
–
Примечание. Знак минус означает, что шероховатость поверхности возросла.
Таблица 3
Зависимость достигаемой шероховатости поверхности стали 45
от зернистости абразива
Зернистость абразива
Достигаемая шероховатость, мкм
Нск
Нmax
36
3,0-5,0
–
60
2,0-4,0
17,0-20,0
100
1,1-1,6
–
150
0,7-1,5
7,0-8,0
250
0,5-0,9
5,2-5,5
325
0,4-0,8
–
400
0,3-0,5
1,0-1,5
Применяемые
для
абразивной
обработки
материалы
весьма
разнообразны. Твердые неметаллические материалы разделяются на
органические и минеральные. Органические материалы, в свою очередь
делятся на растительные и искусственные. Растительные материалы:
кофейные зерна, зерна и шелуха риса, ореховая скорлупа, дробленная
древесина, абрикосовые косточки и дробленные початки кукурузы –
применяют при очистке обдувкой сильно загрязненных поверхностей
деталей машин (например, при удалении нагара с поршней и цилиндров
двигателей внутреннего сгорания). Обдувка растительными частицами
широко регулируется, давление эжектирующего воздуха колеблется
обычно в пределах 4-6 кг/см2; размеры частиц находятся в пределах
зернистости от 12 до 60. На эффективность процесса оказывает влияние
715
25-26 сентября 2013, Саратов
также
форма
частиц,
процентное
содержание
влаги
и
степень
загрязненности [27].
При изготовлении титановых имплантатов применяется воздушноабразивная обработки поверхности порошком корунда (в том числе
электрокорундом БЕЛЭКТ, F54, ЗАО «Владмива») [28-30]. Внешний вид
поверхности
титанового
имплантата
после
воздушно-абразивной
обработки представлен на рис. 2 б.
а
б
Рис. 2. Поверхность титанового имплантата после токарной (а)
и воздушно-абразивной (б) обработки
В результате анализа литературных данных, можно заключить, что
оптимальное расстояние зависит от размера абразивных частиц и от
избыточного давления воздуха, т.е. от скорости частиц. Обобщая эту
зависимость можно сделать вывод, что чем больше кинетическая энергия
абразивных частиц, тем более шероховатые поверхности мы получаем,
поскольку кинетическая энергия абразивных зерен преобразуется в работу
резания по отделению частиц материала с обрабатываемой поверхности.
При одинаковой скорости более крупные абразивные зерна обладают
большим запасом кинетической энергии и поэтому с увеличением
размеров зерен процесс протекает более интенсивно.
716
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Рис. 3. Зависимость Rz - L для дробеструйной обработки стали
Кроме того установлено, что каждому размеру абразивного зерна
соответствует
оптимальное
давление
воздуха
при
пескоструйной
обработке.
Обдувка абразивными материалами позволят также удалять тонкие
слои масел и жиров, находящихся на обрабатываемой поверхности. При
этом повторное использование абразива следует исключить, поскольку это
сильно снижает адгезию напыляемых покрытий [31]. Сжатый воздух,
используемый для обдувки должен быть очищен от влаги и масел.
Обработанная сухим абразивом металлическая поверхность обеднена
оксидными пленками и поэтому очень восприимчива к влиянию
окружающей атмосферы, вследствие чего перерыв между операциями
абразивно – воздушной обработки и напыления должен быть минимален.
При необходимости длительного технологического межоперационного
порыва детали необходимо пассивировать или покрывать специальными
консервационными составами [32].
Некоторые
рекомендуемые
режимы
обработки порошком корунда приведены в таблице.
717
воздушно-абразивной
25-26 сентября 2013, Саратов
Таблица 6
Абразив
Плотность
г/см3
Корунд
3,3
Режимы воздушно-абразивной обработки
Избыточное
Толщина
давление
Размер
стенок
сжатого
зерна, мм
детали, мм
воздуха,
МПа
0,5-2
1
0,1-0,15
1,5-2
3
0,15-0,25
2-2,5
5
0,3-0,4
В работах [32-36] проводились исследования влияния шероховатости
после пескоструйной или дробеструйной обработки на адгезионные
характеристики плазмонапыленных покрытий. С ростом шероховатости
увеличивается прочность сцепления покрытия с подложкой [37,38], что
связано в первую очередь с увеличением истинной поверхности
шероховатых деталей.
Резюмируя вышеизложенное можно заключить, что стандартные
схемы и процессы воздушно-абразивной обработки нельзя признать
оптимальными
для
формирования
микрорельефа
на
поверхности
медицинских имплантатов. В качестве альтернативы можно предложить
получение
шероховатой
поверхности
путем
электрохимического
травления с воздействием ультразвука, а также применением других
комбинированных технологий [39-42].
Литература
1. О
дробеструйной
подготовке
поверхностей
плазменного
напыления / Д.М. Карпинос, В.Г. Зильберг, А.М. Вяльцев и др. //
Порошковая металлургия – 1978 – №9. – с.25-28
2. Строганов А.И., Дробешевский А.С., Гоц А.Б. Влияние
шероховатости стальной подложки на прочность сцепления с плазменным
покрытием.//Порошковая металлургия. – 1982. – №10
718
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
3. Медведев Ю.А., Морозов И.А. О влиянии шероховатости и
степени наклепа на прочность сцепления плазменных покрытий//Физика и
химия обработки материалов. – 1975. – №4
4. Э.К.
Кондрашев,
В.Н.
Владимирский,
Э.Я.
Бейдер
Эрозионностойкие лакокрасочные покрытия. М: Химия.1989
5. Ш.М. Билик Абразивно-жидкостная обработка металлов. М.
Машгиз, 1960
6. Пазюк
Е.И.
Современные
установки
и
технология
гидроабразивной обработки, Лениздат, 1953
7. Билик Ш.М. Качество поверхности и равномерность съема
металла при абразивно-жидкостном полировании «Станки и инструмент»,
№1, Машгиз, 1957
8. Билик Ш.М., Штаерман А.Ю. Некоторые технологические
параметры процесса полировки // «Вестник машиностроения» №6,
Машгиз, 1949
9. Билик Ш.М. Современные способы абразивно-жидкостной
обработки металлов// «Современные направления в области технологии
машиностроения», Машгиз, 1957
10. Горецкий Н.И. Жидкостно-абразивная обработка// «Станки и
инструмент», №7, Машгиз, 1951
11. Данилин
М.А.
Гидропескоструйная
очистка
деталей//
«Автомобильная промышленность», №5, Машгиз, 1958
12. Зарецкий
Е.М.
Жидкостно-абразивное
полирование
и
электролитическая обработка деталей высокого класса чистоты//Филияал
Всесоюзного института научной и технической информации, М., 1957
13. Идельсон М.Я. Очистка и отделка поверхности металлических
деталей (Зарубежная техника), вып.17, Минтрансмаш СССР, ВПТИ, 1955
14. Износ частиц абразива, «Подшипник», №7, Машгиз, 1953
719
25-26 сентября 2013, Саратов
15. Кащеев В.Н. Об остроте режущих углов абразивных зерен //
«Станки и инструмент», №8, Машгиз, 1953
16. Кащеев В.Н. Разрушение поверхности металла в зависимости от
удара абразивной частицы // Журнал технической физики, №13, изд.АН
СССР, 1955
17. Кочетков К.П. Жидкостно-абразивная обработка металлов,
«Станки и инструмент», № 10, Машгиз, 1953
18. www.rm-dental.de – дата обращения 05.09.2013г.
19. http://ind-techno.com.ua – дата обращения 05.09.2013г.
20. http://stomamart.ru – дата обращения 05.09.2013г.
21. http://ellie-goulding.ru – дата обращения 05.09.2013г.
22. http://gsk-ervis.umi.ru – дата обращения 05.09.2013г.
23. http://s-awangard.ru – дата обращения 05.09.2013г.
24. Бекренев Н.В. Обеспечение качества деталей высокоточных
изделий на основе формирования однородных структур покрытий при их
плазменном напылении и абразивно-алмазной обработке с воздействием
ультразвука: дисс…докт.техн.наук – Саратов: СГТУ, 1999 – 563с.
25. И.Р.Клейнс,
Х.Х.Уэймс
Износостойкость
элементов
измельчителей ударного действия, М., Машиностроение, 1986 – 160с.
26. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание М.,
Наука, 1970 – 251с.
27. Таран В.М., Митин Б.С., Бобров Г.В. и др. Очистка поверхностей
изделий перед напылением газовыми разрядами// Теория и практика
газотермического нанесения покрытий. – Дмитров, 1983
28. Лясникова А.В., Гришина И.П., Дударева О.А., Маркелова О.А.
Исследование влияния характеристик исходных порошков и режимов
плазменного напыления на свойства металлокерамических покрытий
эндопротезов \ А.В. Лясникова, И.П. Гришина, О.А. Дударева, О.А.
720
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
Маркелова \\ Конструкции из композиционных материалов. – 2013. – №1. –
C.31-36.
29. Лясникова
А.В.,
Дударева
О.А.
Технология
создания
многофункциональных композиционных покрытий / А.В. Лясникова, О.А.
Дударева. – М.: Спецкнига, 2012. – 301 с.
30. Лясникова А.В., Лясников В.Н. Внутрикостные исплантаты в
стоматологии / А.В. Лясникова, В.Н. Лясников. - Саратов: электронное
научное
издание.
–
ФГУП
НТЦ
«Информрегистр»,
Депозитарий
электронных изданий, 2013. – 759с. (Регистрационное свидетельство
№0321303181).
31. Строганов А.И., Дробышевский А.С., Гоц А.Б. Влияние
шероховатости стальной подложки на прочность сцепления плазменных
покрытий // Порошковая металлургия, 1982, №10
32. Голяго Н.Л., Панамарчук В.Г. О влиянии шероховатости
материала с титановой основой на прочность сцепления плазменных
покрытий // Физико-химическая механика материалов. 1974, №6
33. Ивамото Н. Влияние предварительной обработки металлов на
адгезию
покрытий
//
10-я
Международная
конференция
по
термонапылению, Эссен, 1983.
34. Строганов А.И., Дробышевский А.С., Гоц А.Б. Влияние
шероховатости стальной подложки на прочность сцепления плазменных
покрытий // Порошковая металлургия, 1982, №10
35. Медведев Ю.А., Морозов И.А. О влиянии шероховатости и
степени наклепа на прочность сцепления плазменных покрытий // Физика
и Химия обработки материалов, 1975, №4
36. Лясников В.Н. Физико-химические свойства плазмонапыленных
покрытий // Физико-химическая механика материалов, 1987, №2 – с.100109
721
25-26 сентября 2013, Саратов
37. Протасова Н.В. Управление формообразованием и свойствами
биокомпозиционных
покрытий
дентальных
имплантатов
при
электроплазменном напылении: Дис…канд.техн.наук – Саратов: СГТУ,
2000. – 251с.
38. Бергман Л. Ультразвук / Пер. с нем. под ред. В.С. Григорьева и
Л.Д. Розенберга // М.: Изд-во иностранной литературы, 1957. – 726с.
39. Лясникова А.В. Влияние ультpазвука на хаpактеpистики
микpоpельефа повеpхности биокомпозиционных покpытий, напыленных
на титановый подслой / А.В. Лясникова, Н.В. Бекренев // Технология
металлов. – 2008. – № 4. – С. 42-45.
40. Лясникова А.В. Комбинированная технология механической и
физико-химической обработки титановых деталей машин и приборов в
ультразвуковом поле с последующим электроплазменным напылением
наноструктурированных
покрытий
/
А.В.
Лясникова
//
Вестник
Саратовского государственного технического университета. – 2009. – № 3
(41). – Вып. 2. – С. 135-138.
41.
Лясникова А.В. Материалы и покрытия в медицинской
практике / В.Н. Лясников, А.В. Лясникова, Т.Г. Дмитриенко. – Саратов:
Научная книга, 2011. – 300 с.
42.
Протасова
Н.В.
Технологическое
обеспечение
качества
плазменных покрытий на основе применения комбинированных физикотехнических методов активации поверхности / Н.В. Протасова, В.М.
Таран, А.В. Лясникова, О.А. Дударева, И.П. Гришина. – М.: Спецкнига,
2012. – 350 с.
722
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ
ПРИ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ
С.П. Колобухова, С.С. Рыбачок, В.А. Протасова
Научный руководитель: к.т.н., доцент Н.В. Протасова
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Согласно исследованиям распределения частиц по площади пятна
напыления, установлено, что оно подчиняется закону нормального
распределения Гаусса. Такое распределение толщины покрытия имеет
важное практическое значение, поскольку от него зависит возможность
напыления равномерных по толщине и плотности покрытий. Поэтому
приходится применять различного рода экраны, отсекающие часть струи с
периферии или устанавливать определенную кинематическую связь между
движением
плазмотрона
по
поверхности
изделия
и
допустимым
отклонением покрытия от заданной толщины. Методы, хотя и достаточно
эффективны, тем не менее, не всегда просто осуществимы, в частности при
напылении
покрытий
на
малогабаритные
изделия
сложной
пространственной формы типа стоматологических имплантатов или сеток
электровакуумных
приборов.
Поэтому
очевидно,
что
необходимо
продолжение исследований процесса плазменного напыления с целью
создания
способа,
обеспечивающего
максимально
возможную
однородность структуры, поверхности и равнопрочность покрытия. Изложенное
свидетельствует
о
том,
что
процесс
формирования
плазмонапыленного порошкового покрытия является достаточно сложным
и
многофакторным.
При
этом
покрытие
723
обладает
значительной
25-26 сентября 2013, Саратов
анизотропией физико-химических и механических свойств, как по
толщине, так и по площади.
Литература
1. Плазмонапылённые материалы и покрытия. Свойства, технология,
оборудование и применение: учеб. пособие / В.Н. Лясников, Н.В.
Протасова, К.С. Толмачёв. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2012. - 489 с.
2.
Протасова
Н.В.
Технологическое
обеспечение
качества
плазменных покрытий на основе применения комбинированных физикотехнических методов активации поверхности / Н.В. Протасова, В.М.
Таран, А.В. Лясникова, О.А. Дударева, И.П. Гришина. - М.: Спецкнига,
2012. - 350 с.
3. Лясникова А.В., Протасова Н.В. Процессы формирования
плазменных покрытий. Теоретические и экспериментальные исследования.
Технология и оборудование: учеб. пособие / Н.В. Протасова, А.В.
Лясникова. Саратов: электронное учебн. издание. - ФГУП НТЦ
«Информрегистр», Депозитарий электронных изданий, 2013. - 485 с.
(Регистрационное свидетельство №0321303182).
724
Всероссийская молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ СПОСОБА ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО
МАКСИМАЛЬНО ВОЗМОЖНУЮ ОДНОРОДНОСТЬ
СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ
М.С. Гавкина, С.П. Колобухова, В.А. Протасова
Научный руководитель: к.т.н., доцент Н.В. Протасова
Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., г. Саратов
Последними
исследованиями
использовании дентальных
на
подопытных
животных
при
имплантатов с различной пористостью
покрытия установлено, что остеоинтеграция напрямую зависит как от
общей пористости, так и от среднего размера пор покрытия. Т.е. различия
в характеристиках пористой структуры и морфологии имплантата
вызывают неравномерность врастания костной ткани, что осложняет
функционирование протеза в челюсти пациента из-за неравномерности
демпфирующих
восприятия
характеристик
жевательных
Электроплазменное
способом
напыление
получения
и,
следовательно,
нагрузок
является
биологически
неоднозначности
челюстью
наиболее
активных
пациента.
перспективным
покрытий
на
стоматологических имплантатах с требуемым комплексом свойств.
Важнейшими требованиями, предъявляемыми к этим покрытиям, являются
высокая адгезия к основному материалу, строго определенная пористая
структура и суммарная пористость.
Установлено, что плазмонапыленные покрытия из гидроксиапатита
имеют достаточно высокую адгезию, сопоставимую с таковой для
титановых по
