Содержание Том 25 № 2 2023

1. В. А. Александров. Волноводные волны на поверхности воды в открытом канале со встроенными источником и резонатором капиллярных волн // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 135-148. Скачать

Обнаружено возбуждение волноводных волн на свободной поверхности воды в каналах со встроенными источником и резонатором капиллярных волн. Поверхность воды, ограниченная стенками канала, для капиллярных волн определенных частот является волноводом. Стержневой вибратор, присоединенный к пьезоэлектрическому преобразователю и подведенный к поверхности воды в канале, и резонатор с полостью U-образной формы при подаче переменного напряжения на электроды пьезоэлектрического преобразователя на поверхности воды возбуждают капиллярные полуцилиндрические волны. Волноводные волны создаются из-за частичного отражения полуцилиндрических волн одновременно от противоположных стенок канала и интерференции отраженных волн на поверхности воды в канале. Амплитуда волноводных волн является распределенной в виде стоячей волны, их амплитуда, плотность энергии и интенсивность являются максимальными по линии оси канала. Волноводные волны распространяются с групповой скоростью с ускорением и создают ускоряющийся поток поверхностной энергии и, соответственно, поверхностный поток воды. Поток поверхностной энергии в канале создается полуцилиндрическими волнами, исходящими от источника и волноводными волнами. Линии фронтов волн в канале, возбуждаемых источником в последующие периоды колебаний, из-за распространения в поверхностном потоке искажаются. Возбуждение волноводных волн подтверждается экспериментальными наблюдениями за волновыми процессами на поверхности воды в каналах при облучении импульсами света полупроводниковых лазеров. 
Ключевые слова: пьезоэлектрический преобразователь, капиллярные колебания и волны, поверхностный поток жидкости, канал, волноводные волны.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.13

2. Б. Я. Бендерский, С. В. Григорьев, А. А. Чернова. Влияние влажности насыщенного пара на обтекание лопатки энергетической турбины // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 149-159. Скачать

Работа посвящена изучению влияния степени насыщенности пара на обтекание лопатки энергетической турбины. Математическое моделирование проводилось на основе численного решения уравнений сохранения для вязкого, сжимаемого, теплопроводного газа с содержанием частиц несжимаемой жидкости, записанных в переменных двухфазного потока и дополненных уравнениями переноса объемных долей. Применен квазистационарный подход: учет вращения лопатки не производился. Рассматривалась модельная задача обтекания двухфазным насыщенным паром профильной части лопатки последней ступени цилиндра низкого давления конденсационной энергетической турбины. Численное исследование проводится методом контрольных объемов с применением подхода VOF. Анализ полученных результатов позволил выявить распределение массовой доли воды в локальных областях вблизи поверхности лопатки. Показано, что с увеличением влажности пара монотонно растет массовая доля воды. Выявлено, что локализация областей с максимальной массовой долей воды коррелируется с областями максимального давления и плотности вблизи поверхности лопатки.
Ключевые слова: паросиловая турбина, лопатка, насыщенный пар, гидродинамика, линия тока, контактные напряжения. 

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.14

3. А. В. Вахрушев, Ф. А. Виноградов, А. Ю. Федотов, А. С. Сидоренко. Моделирование улучшения интерфейса многослойных наносистем ниобий-кобальт прессованием турбины // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 160-169. Скачать

В данной работе описывается процесс формирования чётких границ раздела между составляющими многослойного нанокомпозита. Экспериментальные исследования и моделирование показывают, что качество интерфейса заметно ухудшается с увеличением количества слоев, что связано с накоплением количества дефектов и увеличением их размера на поверхности каждого последующего наносимого нанослоя многослойной системы. Подготовка или модернизация поверхности, на которую осаждаются атомы очередного слоя наносистемы для повышения ее качества, положительно влияет на формирование качественного интерфейса между слоями. В статье рассматривается такой способ модернизации поверхности, как прессование. В качестве метода исследования структуры и рельефа поверхности использовался модифицированный метод погруженного атома (MEAM). Вычислительный эксперимент проводился с помощью моделирования методом молекулярной динамики. При моделировании применялся программный пакет LAMMPS. Проводится моделирование процесса прессования подложки, позволяющего улучшить интерфейс наносистемы, и процесса напыления нанопленки. Моделирование осаждения происходило в стационарном температурном режиме. Вычислительный эксперимент проведен при пяти температурных режимах: 300, 250, 200, 100 и 50 K. Приводится анализ эффективности предлагаемой методики.
Ключевые слова: магнитные материалы, улучшение интерфейса, многослойные нанопленки, математическое моделирование, молекулярная динамика.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.15

4. Н. Г. Галкин, А. В. Шевлягин, В. М. Ильященко, Д. Т. Ян, К. Н. Галкин. Рост, структура и оптическое отражение пленок силицида магния, выращенных на пористом кремнии в условиях высокого вакуума // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 170-185. Скачать

В работе впервые апробирован рост силицида магния на пористом кремнии в условиях высокого вакуума (10^-5 – 10^-6 Тор) без химического удаления оксида кремния и в ограниченном температурном диапазоне предварительного отжига (Т_a = 450 °С). Установлено, что минимальной температурой подложки, при которой осаждаемый магний начинает разрушать оксид кремния и взаимодействовать с кремнием путем образования силицида магния (Mg₂Si), является температура 290 °С. При твердофазной реакции магния с пористым кремнием оптимальной температурой, при которой после разрушения оксида кремния начинается образование сплошной пленки Mg₂Si, стала температура 350 °С. Показано, что при температуре отжига Т_a = 420 °С формируется только островковая пленка Mg₂Si хорошего кристаллического качества. Формирование силицида магния во всех случаях подтверждено данными рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии, КРС спектроскопии или КРС микрокартирования. Установлено, что спектр отражения системы Mg₂Si/ПК/Si соответствует отражению от пористого кремния с частичным его увеличением при 500 – 900 нм за счет вклада в отражение от силицида магния, который возрастает с ростом толщины его пленки. Доказано, что после температурных обработок пористого кремния и роста силицида магния с толщинами до 90 нм сохраняется фотолюминесценция ПК, излучение которого регистрируется с частичным затуханием в пленке Mg₂Si без изменения спектрального состава, как сразу после роста, так и после длительного хранения в атмосферных условиях (до 8 месяцев).
Ключевые слова: мезопористый кремний, силицид магния, рост пленок, вакуум, спектры отражения. 

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.16

5. А. М. Липанов, С. А. Карсканов. Асимптотически взвешенный метод численного решения дифференциальных уравнений с частными производными // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 186-196. Скачать

Приводится алгоритм метода численного решения дифференциальных уравнений с частными производными. Вычислительный процесс начинается с использования на каждом шаге интегрирования по времени один раз явной разностной схемы для половины узловых точек. Это позволяет уменьшить объем вычислений при реализации псевдонеявного метода решения нелинейных уравнений в частных производных. В качестве тестовых задач рассмотрены два примера решения линеаризованных уравнений Эйлера. В первом случае имеет место распространение волны сложной формы в открытой области под влиянием основного потока. Во втором случае акустический импульс взаимодействует с твердой непроницаемой стенкой. В обоих примерах получено хорошее согласование численных и известных теоретических данных. Максимальные отклонения между результатами наблюдаются в областях экстремумов параметров. Приведены сравнения между численными значениями параметров и аналитическими во времени, показаны абсолютные ошибки интегрирования.
Ключевые слова: метод правых частей, линеаризованные уравнения Эйлера, нелинейное дифференциальное уравнение, неявный метод, акустическая волна.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.17

6. В. Г. Лебедев, К. Я. Шкляев, М. Г. Васин. Модель медленных процессов релаксации при плавлении стеклообразующих эвтектических растворов // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 197-208. Скачать 

Целью исследования представленной работы является понимание природы процессов медленной релаксации, наблюдаемых после плавления в стеклообразующих эвтектических расплавах. В качестве причины изучаемого явления рассматривается нелинейность диффузионных процессов в гетерогенном расплаве с включениями тугоплавкой стехиометрии (компаунда). Происхождение нелинейности связано с термодинамической неустойчивостью, подобной той, которая имеет место при спинодальном разложении. Обязательным условием рассматриваемого подхода является исходная неоднородность твердого раствора. Для подтверждения сделанных предположений изучены процессы релаксации в рамках модели жидкого раствора бинарной системы, эволюция которой описывается уравнением, аналогичным управнению Кана-Хиллиарда с эффективным потенциалом Гиббса, учитывающим наличие остатков стехиометрической фазы после плавления твердого раствора. На примере сплава Al-Y и на основе известных из экспериментов потенциалов Гиббса для Al-Y, представленных в стандартной базы данных, показано, что при условии начальной неоднородности в этих системах может развиться неустойчивость, приводящая к процессам медленной релаксации, и определены границы области этой неустойчивости на фазовых диаграммах. Практическая значимость работы состоит в оценке границ немонотонной релаксации в процессах плавления вблизи ликвидуса и возможности прогнозирования данного явления в металлических сплавах, что может представлять интерес в технологии проектирования новых материалов.
Ключевые слова: интерметаллические сплавы, релаксация, расплавы, вязкость.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.18

7. А. А. Шаков, М. А. Еремина, С. Ф. Ломаева. Механохимический способ приготовления высокодисперсного порошка гадолиния // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 209-216. Скачать

Получение высокодисперсных частиц гадолиния является непростой задачей. Основной проблемой является сохранение полученного порошка в металлическом состоянии на воздухе, так как многие мелкодисперсные металлы пирофорны, а особенно порошки активных металлов (щелочноземельных, лантаноидов). В работе предложен недорогой и эффективный способ получения высокодисперсных порошков гадолиния путем кратковременного (1 – 3 ч) совместного размола гадолиния с хлоридом калия в атмосфере аргона в шаровой планетарной мельнице с последующей промывкой полученной смеси от соли. После 1 часа измельчения частицы имеют вид пластинок с размерами от 0.1 до 2 мкм (средний размер 1 мкм), в фазовом составе 90 мас.% гадолиния, 10 мас.% гидрида гадолиния, порошок не обладает пирофорными свойствами, в том числе и при контакте с водой. После 3 часов измельчения средний размер частиц уменьшился до 0.2 мкм (разброс от 0.1 до 1 мкм), количество гидрида гадолиния увеличилось до 27 мас.%, порошок стабилен под слоем петролейного эфира.
Ключевые слова: высокодисперсный порошок гадолиния, механический размол, шаровая планетарная мельница, рентгенофазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.19

8. А. А. Шушков, П. В. Быков, В. Л. Воробьев, А. В. Вахрушев, В. Я. Баянкин, С. В. Суворов. Влияние имплантации ионов алюминия на физико-механические свойства поверхностных слоёв нержавеющей стали 12Х18Н10Т // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 217-230. Скачать

Проведен сравнительный анализ физико-механических характеристик (твердости, приведенного модуля упругости, отношения твердости к приведенному модулю упругости, характеризующего степень упрочнения материала, индекса пластичности, упругого восстановления, жесткости) поверхностного слоя толщиной до 2.2 мкм нержавеющей стали 12X18H10T в исходном состоянии и после имплантации ионов алюминия (доза 10¹⁷ ион/см², энергия 80 кэВ). Выявлено, что среднее значение твердости облученного образца выше в 4.6 раза, приведенного модуля упругости в 2.0 раза, отношение твердости к приведенному модулю упругости в 2.4 раза, упругого восстановления на 31 %, жесткости на 43 % по сравнению с необлученным образцом нержавеющей стали 12X18H10T на средней глубине проникновения алмазного наконечника в облученный образец ≈ 45 нм. При глубине вдавливания алмазного наконечника больше от ≈ 80 нм до ≈ 2200 нм наблюдается тенденция увеличения физико-механических характеристик до 20 %. Использование ионно-лучевого перемешивания ионами алюминия дозой 10¹⁷ ион/см², энергией облучения 80 кэВ приводит к большому росту всех физико-механических характеристик нержавеющей стали 12X18H10T особенно в активном рабочем слое до ≈ 80 нм и до глубины 2200 нм что делает возможным и перспективным практического внедрения данного метода в промышленности РФ.
Ключевые слова: твердость, приведенный модуль упругости, индекс упругой деформации, степень упрочнения, упругое восстановление, наноиндентирование, нержавеющая сталь 12X18H10T, ионы Al, ионно-лучевое перемешивание.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.20

9. В. В. Аксенова, О. М. Канунникова, И. Н. Бурнышев, В. И. Ладьянов. Разложение толуола при обработке в планетарной шаровой мельнице совместно с порошками алюминия и магния // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 231-238. Скачать

Методом ИК-спектроскопии выполнены сравнительные исследования продуктов жидкой фазы при механоактивации в шаровой планетарной мельнице толуола с порошками Al и Mg. Показано, что интенсивность структурно-химических превращений жидкой фазы зависит от взаимодействия продуктов разложения толуола с металлическим порошком. Гидридообразующий магний замедляет гидрирование бензольного кольца и разложение толуола не происходит даже после 30 ч обработки. Механокрекинг толуола в присутствии алюминия начинается после 20 ч. Размеры частиц Al и Mg в процессе измельчения практически не отличаются.
Ключевые слова: механоактивация, толуол, разложение, алюминий, магний, ИК-спектроскопия, термодесорбция водорода.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.21

10. А. В. Жихарев, С. Г. Быстров, В. Я. Баянкин, Е. В. Харанжевский, В. Ф. Кобзиев. Влияние лазера на формирование соединений Ni-Al в поверхностных слоях никелевой фольги в зависимости от плотности мощности лазерного излучения // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 239-249. Скачать

Проведено исследование о возможности получения интерметаллида Ni₃Al с помощью лазерного излучения при облучении никелевой матрицы с нанесенным на ее поверхность распылением слоя 99.9%-ного алюминия. В исследовании использовались методы РФЭС, АСМ и измерения микротвердости. Лазерное воздействие на образцы осуществлялось со стороны напыленного слоя алюминия сфокусированным лучом лазера в атмосфере аргона. Обработка поверхности образцов производилась одним импульсом, но с различной плотностью мощности лазерного излучения. В результате эксперимента было установлено, что при выбранных режимах облучения происходит высокотемпературный нагрев облучаемой поверхности, приводящий к высокотемпературному окислению поверхности с образованием сложного оксида NiAl₂O₄ типа шпинель. Получение интерметаллида Ni₃Al оказалось невозможно, т.к. в результате быстрого охлаждения образцов после прекращения действия лазера произошло "замораживание" всех протекающих в разогретом слое процессов.
Ключевые слова: интерметаллиды, Ni-Al, алюминид никеля, лазер, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, микротвердость, сканирующая зондовая микроскопия.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.22

11. М. С. Коновалов, В. И. Ладьянов, М. И. Мокрушина. О методике количественного анализа сталей Fe-Cr-Mn-Mo-N-C с армирующими частицами из оксидов и нитридов при помощи рентгенофлуоресцентного энергодисперсионного спектрометра БРА-135F // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 250-261. Скачать

Разработана методика количественного анализа, в основе которой лежит способ множественной регрессии, композиционных сталей Fe-Cr-Mn-Mo-N-C с армирующими частицами из оксидов и нитридов на спектрометре БРА-135F для определения концентраций хрома, марганца, молибдена, алюминия и железа. Рассмотрен вопрос о выборе пиков для анализа при совместном содержании хрома (11.50 – 15.03 мас. %), марганца (7.56 – 12.18 мас. %) и железа (66.54 – 74.08 мас. %). Предложены оптимальные линии спектра данных сталей для получения удовлетворительных результатов при качественном анализе с учетом наложения пиков. Показано, что из-за наложения пиков следует концентрацию хрома определять по пику, относящемуся к линии CrK_α, марганца – по пику, относящемуся к линии MnK_α, железа – по пику, относящемуся к линии FeK_β. Описан подход по выбору пиков для определения концентраций молибдена. Установлено, что из-за отсутствия возможности надежного разделения пиков, относящихся к линиям MoK_β1 и MoK_β2.5, определять содержание молибдена следует по пику, относящемуся к линии MoK_α. В качестве градуировочных образцов использовались слитки, для которых первоначально химический анализ на содержание металлических элементов проводили на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой Spectroflame Modula S, обеспечивающем высокие стабильность и воспроизводимость результатов анализа в широком диапазоне определяемых концентраций элементов, в том числе, с низким пределом их обнаружения. Анализ для определения концентраций азота и кислорода в градуировочных образцах проводили при помощи анализатора МЕТАВАК-ВАК, а содержание углерода определяли на МЕТАВАК CS-30.
Ключевые слова: рентгенофлуоресцентный анализ, энергодисперсионный спектрометр, БРА-135F, композиционная сталь.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.23

12. М. А. Шумилова, Н. Е. Суксин. Регенерационная утилизация отработанных растворов химического никелирования // Химическая физика и мезоскопия. 2023. Т. 25, № 2. С. 262-270. Скачать

Актуальной является разработка экологически эффективных и экономически целесообразных способов извлечения тяжёлых металлов из отходов гальванических производств, поскольку по степени негативного воздействия на окружающую среду они занимают одно из первых мест. Проведено исследование утилизации отработанного раствора химического никелирования с применением растворов гидроксида натрия, карбоната натрия и отработанного раствора обезжиривания в качестве осадителей. Определены оптимальные условия образования осадков и исследован их состав методами ИК-спектроскопии и термогравиметрического анализа. Описана схема приготовления рабочих растворов никелирования из полученных осадков и изучены свойства этих растворов по качеству наносимых никелевых покрытий.
Ключевые слова: отработанный раствор химического никелирования, гидроксид никеля, гидроксокарбонат никеля, ИК-спектры, термогравиметрический и дифференциально-термический анализ.

DOI: https://doi.org/10.15350/17270529.2023.2.24

Главный редактор: академик РАН А.М. Липанов

Подписано в печать 20.06.2023 г., дата выхода 12.07.2023 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)