Содержание Том 24 № 1 2022

Получены тонкие углеродные пленки на поверхности предметного стекла магнетронным распылением углеродной мишени в среде рабочего газа Ar с последующей бомбардировкой ионами азота и аргона с вариацией дозы облучения. Поверхностно чувствительными методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света изучены их химический состав и особенности атомной структуры. Методом атомно-силовой микроскопии оценены толщины и топографии полученных покрытий. Измерено электросопротивление углеродных пленок. Показано, что ионно-лучевая обработка может быть направленно использована для формирования углеродных пленок и покрытий с заданными электропроводящими свойствами.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.1.1

В статье предложена термодинамически согласованная модель фазовых переходов в твердых средах для случая чистых веществ. В качестве источника упругих напряжений рассмотрено изменение плотности сплошной среды при фазовом превращении, зависимость плотности фаз от температуры получена из аппроксимации экспериментальных данных. В таком подходе плотность вещества каждой фазы описывается своим уравнением, предполагающими, что при движении межфазной границы вещество убывающей фазы захватывается растущей фазой. Влияние изменения ориентации кристаллической структуры в данном подходе не рассматривается. Предлагаемая модель основана на методе фазового поля и описывает взаимодействие фазовых превращений с упругими напряжениями, вызванными изменением плотности вещества в фазах. Термодинамическое описание отдельных фаз основано на экспериментальных потенциалах Гиббса. Предельные случаи полученной модели соответствуют изотермической фазово-полевой модели в чистых веществах и модели термоупругих напряжений. Модель использована для численного анализа роста сферического зародыша феррита из аустенита и может являться основой для учета напряжений в процессах формирования внутренней структуры, в частности дендритов, в металлических растворах. Представлены графики профилей фазового поля и смещений деформации, полученные в результате численного расчета.

Методом преобразования расходуемого 2D-слоя Mg₂Si в затравочный слой Ca₂Si были впервые сформированы нанокристаллические пленки Ca₂Si на Al₂O₃(0001) с предварительным формированием аморфного 2D-слоя Si. Установлено, что затравочный слой Ca₂Si на сапфировой подложке позволяет выращивать ориентированные пленки Ca₂Si методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре 250 ^оС, для которых наблюдается одно эпитаксиальное соотношение: Ca₂Si(211)/Al₂O₃(0001). Исследования оптических свойств и параметров зонной структуры Ca₂Si на сапфире выявили природу прямого фундаментального перехода с энергией 0.88±0.01 эВ. Установлено, что в зонной структуре Ca₂Si наблюдаются четыре прямых межзонных перехода: 0.88, 1.16, 1.49 и 1.61 эВ с увеличивающейся силой осциллятора. При энергиях фотонов от 0.78 эВ до 0.88 эВ основной вклад в поглощение вносит хвост Урбаха на дефектах в нанокристаллах Ca₂Si. Поглощение на межзеренных границах наблюдается при энергиях фотонов от 0.6 эВ до 0.78 эВ, а на свободных носителях – при

Проведено численное исследование внутренней гидродинамики предохранительного клапана, работающего на режиме, близком к критическому, когда существенно снижается вязкость жидкости. Математическое моделирование проведено на основе численного решения уравнений Навье-Стокса для вязкой, несжимаемой жидкости с использованием квазистационарного подхода к описанию работы динамической гидравлической системы. Выявлены конструктивные особенности элементов предохранительного клапана, обуславливающие формирование чередующихся зон повышенного и пониженного давлений в потоке, приводящие к кавитации. Проведены численные исследования новых конструкций элементов предохранительного клапана. Выполнен анализ эффективности антикавитационной оптимизации исполнения клапана в виде диска с перфорацией, и штока с гладкой образующей боковой поверхностью. Для нивелирования эффекта кавитации рекомендуется численно обоснованный переход к штоку с гладкой поверхностью.

В статье представлены результаты применения нового алгоритма статистического анализа данных многозональной съемки, позволяющего выявить и интерпретировать участки культурного слоя археологических памятников (поверхностно-трансформированный, переотложенный, замещенный). Алгоритм включает в себя следующие этапы: построение текстурных признаков Харалика по данным многозональной съемки, сокращение признакового пространства методом главных компонент, сегментация методом k-means. В качестве исходных данных использовались многозональные снимки (каналы Green, Red, NIR), полученные при съемке с беспилотного летального аппарата территории средневекового городища Садейкар (Удмуртия, Глазовский район), культурный слой которого разрушен многолетней распашкой.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.1.5

6. Н. Г. Бобенко, Ю. А. Чумаков, А. А. Белослудцева
Особенности адсорбции фтора и водорода на поверхности турбостратного графена. стр.69-81. Скачать.

На основе метода имитационного моделирования проведено исследование структуры идеального и дефектного турбостратного графена для большого числа атомов. Разработан и реализован алгоритм выделения сверхструктур с АА-, АВ- и ВА-укладками на поверхности турбостратного графена. Исследована зависимость концентрации фтора и водорода от угла поворота между слоями для четырех типов центров адсорбции. Определена максимальная концентрация атомов адсорбата при полном покрытии исследуемых центров адсорбции и углы поворота между слоями, при которых она достигается. Рассчитаны параметры ближнего порядка, на основе анализа которых для двух конфигураций сделаны выводы о возможности формирования ближнего и дальнего порядка различного типа на интервале углов от 2° до 58° при фторировании и гидрировании турбостратного графена. Полученные результаты могут быть полезны при изучении функционализации материалов с гексагональной структурой с такими же типами центров адсорбции, что и в турбостратного графена. 

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.1.6

7. Л. С. Горулева, Е. Ю. Просвиряков
Новый класс точных решений уравнений Навье-Стокса с учетом внутреннего тепловыделения. стр.82-92. Скачать.

Представлены новые точные решения трехмерных уравнений Навье-Стокса, которые учитывает диссипацию энергии в уравнении переноса тепла в движущейся жидкости. Течения вязкой несжимаемой жидкости могут быть как установившимися, так и неустановившимися. Для построения точных решений за основу взят класс точных решений Линя-Сидорова-Аристова. Характерная особенность представления поля скоростей заключается в том, что оно описывается линейными формами относительно двух координат (горизонтальных или продольных). Коэффициенты линейных форм зависят от третьей координаты (вертикальной или поперечной) и от времени. Давление и температура жидкости являются квадратичными формами с аналогичной структурой для скорости. Данное семейство точных решений описывает течения вязкой несжимаемой жидкости с пространственным ускорением. Иными словами, учитываются нелинейные эффекты сил инерции, которые выражаются через конвективную производную вектора скорости и температуры в уравнениях Навье-Стокса и уравнении теплопроводности соответственно. Принимая во внимание рассеяние энергии в жидкости, конкурируют два квадратично нелинейных эффекта. Это обстоятельство существенно затрудняет исследование течений, поэтому в статье приводятся формулы, описывающие ползущее течение (приближение Стокса) и движение Озеена. Таким образом, показана возможность построения точных решений уравнений движения с диссипацией механической энергии в тепловую энергию для полных уравнений Навье-Стокса, а также для их линеаризованных аналогов в приближении Стокса и Озеена. 

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.1.7

8. А. Ю. Армянин, Е. С. Байметова, М. Е. Хвалько
Особенности теплового режима маслоохладителя с развитой внешней поверхностью. стр.93-103. Скачать.

Для отвода образующихся при работе гидравлических систем на периодических режимах излишков тепла от рабочей жидкости требуется применение специальных конвективных теплообменных аппаратов – маслоохладителей, геометрия которых напрямую влияет на их эффективность. В данной работе рассмотрены вопросы реализуемых в проточных трактах и корпусе промышленного маслоохладителя тепловых режимов. Методами математического моделирования решена задача сопряженного теплообмена в каналах и корпусе маслоохладителя. Решение нелинейной системы уравнений сохранения строится методом конечных объемов с использованием Open source платформы openFoam. В результате вычислительного эксперимента выявлены и описаны реализуемые тепловые и аэрогидродинамические режимы работы элемента охлаждающей секции. Показана неравномерность нагрева корпуса охлаждающей секции. На основе анализа полученных полей газодинамических и теплофизических величин показана целесообразность конструктивной оптимизации исполнения внешнего оребрения.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.1.8

9. Н. Е. Суксин, М. А. Шумилова, И. С. Казанцева
Отходы гальванического производства как сырье для получения ингибитора коррозии нитрилотрисметиленфосфонатоцинката натрия. стр.104-110. Скачать.

В результате переработки отходов гальвано-химического производства был выделен ZnO, являющийся основой для получения ингибитора коррозии –нитрилотрисметиленфосфонатоцинката натрия (Na₄[N(CH₂PO₃)₃Zn]∙13H₂O). Проведены исследования защитной способности данного соединения для различных марок стали в кислой среде. Установлено существование корреляция между скоростью коррозии и концентрацией ингибитора. Отмечено, что защитный эффект наблюдается не для всех марок исследуемой стали. Определена оптимальная концентрация ингибитора, обеспечивающая максимальную степень защиты исследуемых сплавов. Констатировано, что выделенный оксид цинка может эффективно использоваться для получения координационного соединения, обладающего ингибирующими свойствами.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.1.9

10. П. В. Гуляев, Е. Ю. Шелковников
Поиск и распознавание исследуемого участка в зондовой микроскопии с использованием маркировки, наносимой силовой литографией или наноиндентированием. стр.111-120. Скачать.

В статье описаны процессы поиска и распознавания маркированной зоны в сканирующей зондовой микроскопии. В качестве маркировки рассмотрены реперные отметки, наносимые с помощью наноиндентора или кантилевера зондового микроскопа. Приведены типовые изображения реперных отметок. Рассмотрены возможности свободно распространяемого программного обеспечения для выделения и распознавания реперных отметок на разных типах изображений. Показано, что для выделения отметок подходят некоторые методы бинаризации и кросс-корреляционный метод сравнения с шаблоном. Установлено, что данные методы эффективны при условии разработки алгоритмов фильтрации особых точек, в качестве которых предложено использовать локальные экстремумы корреляционной функции. Представлен алгоритм такой фильтрации на основе варьирования пороговых значений коэффициента корреляции и  размера окрестности особой точки. Для распознавания реперных отметок предложен метод структурного анализа, основанный на определении расстояний между особыми точками изображения. Приведены результаты распознавания на различных типах изображений.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.1.10

11. А. А. Шушков, П. Э. Яникаева, А. В. Вахрушев
Сравнительный анализ физико-механических свойств поверхностных слоев до 200 нм чугунов марок СЧ 20, ВЧ 40. стр.121-129. Скачать.

Проведено исследование и сравнительный анализ физико-механических свойств поверхностных слоев глубиной до 200 нм сплавов чугуна СЧ 20, ВЧ 40. На участках поверхности двух исследуемых образцов обнаружена фаза "сильно твердая" с одинаковыми значениями твердости. Среднее значение твердости исследуемой "сильно твердой" области образца ВЧ 40
Н_{ВЧ 40} = 34.71±12.23 ГПа, СЧ 20 Н_{СЧ 20} = 34.57±14.56 ГПа. Обнаружено, что среднее значение твердости образца СЧ 20 без учета областей с "сильно твердой" фазой Н_{СЧ 20} = 8.96±6.93 ГПа и является на 65 % выше среднего значения твердости образца ВЧ 40 Н_{ВЧ 40} = 5.43±2.57 ГПа, также без учета областей с "сильно твердой" фазой. Среднее значение индекса пластичности образца СЧ 20 без учета "сильно твердой" фазы PI_{СЧ 20} = 0.66±0.15 ГПа, ВЧ 40 PI_{ВЧ 40} = 0.72±0.11 ГПа. Таким образом, поверхность образца сплава чугуна ВЧ 40 немного более пластична на 9 %. Параметр упругого восстановления образца СЧ 20 без учета "сильно твердой" фазы ERP_{СЧ 20} = 0.23±0.13 ГПа, выше, чем у образца ВЧ 40 ERP_{ВЧ 40} = 0.17±0.08 ГПа.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.1.11