Содержание Том 24 № 4 2022
1. А. Г. Князева, М. А. Анисимова. Взаимовлияние диффузии и напряжений в переходной зоне между частицей и матрицей при синтезе композита // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 421-435. Скачать
Представлена модель взаимодействия твердой частицы с металлическим расплавом. В модели учтены некоторые возможные механизмы появления напряжений в переходной зоне, формирующейся между частицей и матрицей в процессе синтеза композита. В примерах предполагается, что между исходной частицей тугоплавкого компонента и расплавом образуется либо только одна новая фаза, либо только 2 новые фазы. Механические напряжения, сопровождающие диффузию и рост новой фазы, следуют из решения задач о равновесии. Даны приближенные аналитические решения связанных задач, в том числе при учете явной зависимости коэффициента диффузии от напряжений.
Ключевые слова: синтез композита, переходная зона, рост фаз, диффузия, напряжения, связанная задача.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.34
2. А. В. Вахрушев, А. Ю. Федотов, О. Ю. Северюхина, А. С. Сидоренко. Исследование влияния структуры кобальта на магнитные свойства нанопленок // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 436-453. Скачать
Результаты исследования получены с помощью математического моделирования на основе комплексной модели. Рассмотрены результаты моделирования двух вариантов наносистем. Первая наносистема представляла собой кобальт со структурой, близкой к идеальной гексагональной плотноупакованной кристаллической решетке. Во второй наносистеме кобальт имел дефекты строения и отклонения от идеальной структуры, так как был сформирован в ранее проведенном вычислительном эксперименте многослойного осаждения нанокомпозита ниобий-кобальт. Средствами моделирования показано, что дефекты в строении и локальном расположении атомов могут являться причиной ухудшение магнитных характеристик материала, например снижения модуля намагниченности и приводить к скачкам спиновой температуры.
Ключевые слова: магнитные материалы, нанопленки, нанокомпозиты, спинтроника, молекулярная динамика, LAMMPS.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.35
3. М. Ю. Альес, А. И. Калугин, Д. Н. Кочурова, Е. А. Антонов, В. Ю. Трубицын. Отражение лазерного излучения с гауссовым распределением интенсивности от шероховатой поверхности // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 454-462. Скачать
Отражательную способность объекта важно знать во многих практических задачах. Она зависит от материала и состояния поверхности объекта, в том числе от его шероховатости и от параметров падающего излучения. Представлена теоретическая модель для расчёта мощности лазерного излучения, принятой после отражения пучка с гауссовым распределением интенсивности от шероховатого круглого диска. Экспериментально получены мощности лазерного излучения, отражённого от пластиковых (поливинилхлорид) белых дисков различного радиуса, в зависимости от дистанции от фотоприёмного устройства до объекта. Установлено соответствие теоретической модели экспериментальным зависимостям.
Ключевые слова: отражательная способность, двунаправленная функция отражательной способности, ламбертово отражение, шероховатая поверхность.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.36
4. Г. Морар, А. И. Карпов, А. А. Шаклеин. Численное исследование тепловой структуры турбулентного диффузионного пламени на горизонтальной поверхности ПММА // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 463-472. Скачать
Проводится численное исследование параметров турбулентного диффузионного пламени на поверхности твердого горючего материла. Расчеты проведены с использованием пакета с открытым кодом Fire Dynamic Simulator (FDS), использующего подход LES для моделирования турбулентного переноса. В качестве газообразного горючего принят метилметакрилат (как продукт пиролиза ПММА) с соответствующими значениями молярной массы и теплоты реакции горения. По полученным распределениям мгновенных значений температуры определена высота от поверхности горения твердого материала, на которой происходит формирование турбулентных вихревых структур. Показано, что вблизи поверхности горения при отсутствии турбулентных пульсаций распределение температуры соответствует значениям, полученным в ламинарном приближении. Предлагается алгоритм решения сопряженной задачи распространения пламени по поверхности горючего материала, основанный на совместных расчетах параметров ламинарного пламени у поверхности и турбулентного горения в факеле пламени и сопряжения решений на заданной границе.
Ключевые слова: диффузионное пламя, турбулентное горение, численное моделирование, Fire Dynamic Simulator, горение метилметакрилата.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.37
5. Т. С. Картапова, Ф. З. Гильмутдинов, М. А. Еремина, А. А. Колотов, К. Г. Михеев, В. Ф. Кобзиев, Г. М. Михеев. Влияние частоты повторения импульсов ионного тока на характеристики и свойства углеродных пленок, полученных методом магнетронного напыления // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 473-486. Скачать
На стеклянных подложках методом магнетронного напыления получены тонкие углеродные пленки толщиной 36 нм. Синтезированные пленки подвергнуты импульсному облучению ионами аргона с вариацией частоты f следования импульсов ионного воздействия при фиксированных значениях энергии ионов Еi = 30 кэВ и дозы облучения D = 1017 ион/см2. Экспериментально установлено, что удельное электросопротивление углеродных пленок немонотонно зависит от f. Методами спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) показано, что полученные пленки до и после ионного облучения имеют структуру аморфного (разупорядоченного) углерода, отличную от структур графита и алмаза. При этом спектры КРС и РФЭС углеродных пленок заметно зависят от f. Анализ измеренных спектров указывает на сложную зависимость размеров кластеров углеродных структур в пленке от f, что может объяснять немонотонную зависимость электросопротивления пленок от f.
Ключевые слова: магнетронное напыление, углеродные пленки, удельное электросопротивление, спектроскопия комбинационного рассеяния света, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.38
6. С. А. Карсканов. Анализ пульсационных характеристик потоков вязкого газа в расширяющихся конических соплах // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 487-496. Скачать
Показаны результаты теоретического решения задачи дозвукового протекания вязкого газа сквозь расширяющиеся конические сопла на основе прямого численного моделирования путем интегрирования уравнений Навье-Стокса. Интегрирование уравнений Навье-Стокса осуществляется с помощью алгоритмов высокого порядка аппроксимации на многопроцессорной вычислительной системе. Приводятся поля распределения пульсационных характеристик (компонент вектора скорости) в соплах. Выявляются зависимости распределения пульсаций от угла расширения. Показано, что максимальные значения пульсаций продольной компоненты скорости сосредоточены в ядре потока, а радиальные пульсации распространяются от точки отрыва потока в области резкого расширения сопла. На основе дискретного преобразования Фурье строятся спектры частот, на которых происходит колебание компонент тензора напряжений Лайтхилла отвечающих за сдвиговый и собственный шум. Показано, что в точке на оси распределения частот не зависят от угла конусности, в то время как амплитуды колебаний в точке близкой к зоне расширения растут вместе с ростом угла конусности.
Ключевые слова: прямое численное моделирование, расширяющееся коническое сопло, вязкий поток, высокий порядок аппроксимации, дискретное преобразование Фурье.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.39
7. А. М. Липанов, д. К. Жиров. Устройство для разрушения материалов сбросом давления // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 497-502. Скачать
Для измельчения большинства существующих материалов достаточно применения традиционных способов разрушения: удар, истирание, резание, распиливание, раскалывание, раздавливание. Однако не все материалы можно измельчить эффективно с позиции энергозатрат и качества конечного продукта помола указанными выше способами. Например, для измельчения волокнистых материалов более предпочтительно, с позиции затрат энергии, использование иного метода – разрушение "взрывом" или сбросом давления. Этот метод наиболее эффективен для разрушения пористых материалов, способных легко набирать влагу, изменяя при этом требования к разрушению. С успехом может применяться иной способ разрушения, основанный на сжатии кристаллических решеток частиц, дальнейшей резкой разгрузки частиц и их разрыве под действием внутренних напряжений. Представленная в работе конструкция устройства для разрушения материалов природного и техногенного образования сбросом давления может быть с успехом применена для разрушения пористых материалов, способных легко набирать влагу, изменяя при этом требования к разрушению. Коллоидные капиллярно-пористые материалы при изменении влажности окружающей среды могут потребовать для их разрушения до требуемых размеров значительного увеличения затрачиваемой энергии за счет увеличения демпфирующих свойств и сделать совершенно невозможным разрушение их такими способами как стесненный удар, свободный удар, сдавливание. В этом случае разрушение сбросом давления будет возможно без предварительной сушки измельчаемых материалов.
Ключевые слова: разрушение, сброс давления, взрыв, измельчение, частица, загрязняемость.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.40
8. В. Ю. Трубицын, К. А. Шляхтин, Т. Е. Шелковникова. Модель искусственной нейронной сети биологического типа и симуляция её работы // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 503-510. Скачать
Статья посвящена разработке нейронной сети биологического типа, исследованию основных концепций её функционирования. В основу работы положено компьютерное моделирование процесса образования нейронных связей для системы нейронов, случайно расположенных в пространстве. Выполнен обзор различных моделей импульсных нейронных сетей, которые являются наиболее приближенными к биологическому аналогу. Предложена математическая модель обмена нейромедиаторами между нейронами в разрабатываемой сети биологического типа. Рассмотрено два метода реализации роста дендритов. Предложен алгоритм работы сети и взаимодействия нейронов с применением разработанных математических моделей. Реализована модель нейронной сети на языке Python, с применением библиотеки для распараллеливания вычислений Numba и графической библиотеки Matplotlib для визуализации модели и результатов вычислений. Проведены экспериментальные исследования разработанной модели сети биологического типа путем подачи на вход сети нескольких паттернов сигналов.
Ключевые слова: нейронная сеть биологического типа, нейрон, аксон, дендрит, нейромедиатор.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.41
9. А. И. Баженова, В. А. Широков, В. Н. Милич. Верификация пространственного положения датчиков при создании мультистатической системы подводного видения // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 511-522. Скачать
В работе представлен метод верификации координат датчиков, основанный на применении метода вариации произвольных постоянных, где в качестве постоянных выступают сами координаты датчиков. Метод включает в себя два этапа обработки результатов измерений. Первый этап заключается в определении координат объектов, отражающих акустический сигнал, и реализуется путём использования избыточности числа датчиков приёма. На втором этапе с помощью итерационного процесса методом градиентного спуска производится корректировка координат датчиков. Применение предложенного метода для корректировки координат датчиков в опытовом бассейне позволило получить более точные данные о расположении элементов мультистатической системы подводного видения.
Ключевые слова: гидроакустика, мультистатическая система, избыточность числа датчиков, вариация произвольных постоянных, градиентный спуск, трилатерация.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.42
10. О. Б. Барышев, О. Ю. Гончаров, А. В. Степанов, С. В. Рыбин, С. П. Старостин, В. А. Волков. Взаимосвязь механических свойств пористых тел анодов с электрическими и надежностными характеристиками танталовых конденсаторов // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 523-532. Скачать
Исследования механических свойств пористых тел анодов конденсаторов проводились после спекания и после формирования диэлектрика. При проведении исследований использовалось два типа образцов серийно изготовленных конденсаторов, первый из которых был изготовлен из низкозарядного танталового порошка, осколочного типа, а второй из высокозарядного танталового порошка, агломерированного типа. У конденсаторов оценивались электрические параметры, выход годных и наличие отказов. Была исследована зависимость предела текучести от допустимого напряжения (допустимой толщины диэлектрика) при электрохимическом окислении тантала при формировании диэлектрика. Выявлена зависимость полученных значений предела текучести пористого тела анодов до и после электрохимического окисления от качества (уровня надежности) танталовых конденсаторов. На основании проведенных исследований может быть разработана методика прогнозирования свойств конденсаторов на ранних этапах их изготовления, которая позволит снизить временные и экономические издержки при производстве танталовых конденсаторов.
Ключевые слова: тантал, пористое тело, анод, диэлектрик, механические характеристики.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.43
11. Е. Ю. Просвиряков, А. С. Соколов. Численное построение множества нулевых значений скоростей и противотечений для установившихся динамических равновесий // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 533-543. Скачать
Рассматривается установившееся сдвиговое конвективное течение жидкости, движущейся между двумя вращающимися бесконечными плоскостями (дисками). Угловые скорости границ бесконечного горизонтального слоя описываются различными величинами. Иными словами, изучается не твердотельное вращение жидкости (конвективное течение Экмана), а дифференциальное вращение среды (динамические равновесия). Рассматривается точное решение уравнений Обербека-Буссинеска. Она является переопределенной, поскольку для определения четырех неизвестных функций для сдвигового конвективного течения необходимо проинтегрировать нелинейную систему уравнений в частных производных из пяти уравнений. Поле скоростей определяется линейными формами. Поле температуры и поле давления описываются квадратичными формами. Формы зависят от двух координат (горизонтальных или продольных). Коэффициент формы определяются связью от вертикальной (третьей, поперечной) координаты. Используемое в статье точное решение позволяет удовлетворить "лишнему" уравнению (уравнению несжимаемости) и построить нелинейную систему обыкновенных дифференциальных уравнений. Проведено численное интегрирование уравнений для определения гидродинамических полей. Исследована структура противотечений, возникающих при установившейся конвекции жидкости. С применением численных алгоритмов для систем обыкновенных уравнений построены области существования противотечений в зависимости от параметров жидкости и граничных условий для бесконечного горизонтального слоя.
Ключевые слова: точное решение, уравнение Навье-Стокса, несжимаемая жидкость, уравнение переноса тепла, противотечения, застойная точка, динамические равновесия.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.44
12. Н. М. Барбин, М. А. Шумилова, О. Ю. Гончаров. Термическая стабильность арсенатов и арсенитов щелочных металлов // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 4. С. 544-553. Скачать
Изучение физико-химических процессов с участием арсенатов имеет важное теоретическое и прикладное значение для понимания неорганической химии мышьяксодержащих соединений в различных отраслях производства. Метод термодинамического моделирования был использован для исследования высокотемпературного поведения Na3AsO4, K3AsO4, Na3AsO4+NaF, K3AsO4+KF и сравнения с соответствующими показателями арсенитных систем. Рассчитаны равновесные составы конденсированной фазы при температурах до 1900 К в атмосфере аргона. Показано, что арсенаты натрия и калия являются более устойчивыми соединениями по сравнению с арсенитами; они могут образовывать расплавы без резких изменений состава компонентов. Дан анализ полученных результатов, характеризующих устойчивость конденсированной фазы.
Ключевые слова: арсенат натрия, арсенат калия, фториды натрия, фториды калия, термодинамическое моделирование.
DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.45
Учредитель и Издатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН»
Главный редактор: академик РАН А.М. Липанов
Подписано в печать 30.11.2022 г., дата выхода 21.12.2022 г.
Адрес редакции и издателя: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34, тел. (3412)20-35-14
Свидетельство о регистрации средства массовой информации:
Эл № 77-6666 от 10.12.2002 г. в Министерстве Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций
ISSN 1727-0529 (Online)