Целью настоящей работы являлось исследование износостойкости образцов, полученных селективным сплавлением электроэрозионных титановых порошков, изготавливаемых путем переработки титановых металлоотходов марки ВТ20.

Методы. При выполнении исследований использовалось следующее оборудование: установка для получения электроэрозионных титановых порошков оригинальная запатентованная; сырье для получения титановых порошков сплав марки ВТ20; рабочая жидкость спирт изопропиловый; установка для селективного сплавления оригинальная запатентованная; оборудование для исследования параметров износостойкости аддитивного образца автоматизированная машина трения Tribometer, CSM Instruments. Материал контртела − сталь марки Stainless Steel AISI 420.

Результаты. В рамках поставленной задачи, направленной на исследование износостойкости образцов, полученных селективным сплавлением электроэрозионных титановых порошков, изготавливаемых путем переработки металлоотходов, установлено следующее: величина коэффициента трения поверхности исследуемого образца составляет от 0,126 до 0,435; величина объемного износа составляет 4,972 мм³ х 10^-5 . Экспериментально установлен скачок коэффициента трения в первоначальный момент трибологических испытаний образца, который связан с относительно высокой шероховатостью и износ характеризуется сглаживанием твердых выступов поверхности образца. Экспериментально установлено, что в контактирующей паре титановый образец контртело обе соприкасающиеся поверхности изнашиваются практически равномерно. При этом ширина дорожки износа исследуемого образца составила от 1,23 до 1,28 мм. Относительно высоким показателям износостойкости исследуемого образца, полученного селективным сплавлением электроэрозионных титановых порошков, способствовала беспористая бездефектная структура и относительно мелкий размер зерна.

Заключение. Полученные данные позволят выбрать наиболее рациональную область практического применения нового аддитивного материала.

Цель – изучение трибологических характеристик, износостойкости и адгезионной прочности вольфрамсодержащего покрытия, полученного методом электроискрового легирования со сплавом ВК6 на стальную подложку из стали 50ХГА, а также установление взаимосвязи между структурно-фазовыми особенностями, микротвердостью и поведением материала в условиях контактного трения. 

Методы. В качестве объектов исследования применяли образец 1 стальную подложку без покрытия из стали 50ХГА и образец 2 стальную подложку из аналогичного материала с вольфрамсодержащим упрочняющим покрытием, нанесённым методом электроискрового легирования электродным материалом на основе твёрдого сплава ВК6. Микроструктуру поверхности и поперечных шлифов исследовали на WIN SEM A8000. Элементный состав определяли методом энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа. Фазовый состав исследовали методом рентгеновской дифракции. Микротвердость определяли на автоматизированной системе AFFRI DM-8. Трибологические испытания проводили на Tribometer GSM Instruments. Адгезионную прочность покрытия оценивали на приборе Revetest. 

Результаты. Выявлено формирование на поверхности стальной подложки многофазной композиционной структуры, включающей фазы γ-Fe, W и α-Fe. Установлено, что нанесение упрочняющего покрытия способствует значительному повышению микротвердости поверхности: для образца с покрытием данный показатель составил 13,25 ГПа, тогда как микротвердость непокрытой подложки составляла 3,01 ГПа. По результатам трибологических испытаний по схеме «шарик диск» установлено снижение фактора износа с 374,8 до 80,76 мм³·Н ⁻ ¹·м ⁻ ¹. Скретч-тестирование показало, что критическая нагрузка разрушения покрытия составила 117,52 Н.

Заключение. Полученные данные позволяют обосновать перспективность практического применения вольфрамсодержащего покрытия, сформированного методом электроискрового легирования электродом ВК6, для повышения износостойкости деталей машиностроения, работающих в условиях трения и интенсивного контактного изнашивания.

Целью настоящей работы являлось исследование микротвердости образцов, полученных селективным сплавлением электроэрозионных железохромоникелевых порошков, изготавливаемых путем переработки металлоотходов.

Методы. При выполнении исследований, направленных на достижение поставленной цели, в соответствии с планом эксперимента использовалось следующее оборудование: установка для получения электроэрозионных железохромоникелевых порошков оригинальная запатентованная; сырье для получения железохромоникелевых порошков сплав марки 20Х25Н20С2; рабочая жидкость спирт изопропиловый; установка для селективного сплавления оригинальная запатентованная; оборудование для изучения микроструктуры аддитивного образца микроскоп электронный растровый Nova NanoSEM 450, обеспечивающий высокое пространственное разрешение и возможность детального анализа структурных элементов материала; оборудование для изучения микротвердости аддитивного образца микротвердомер Instron 402 MVD (Великобритания). Испытания проводились при нагрузке на индентор 100 г по десяти отпечаткам со свободным выбором места укола в соответствии с ГОСТ 9450-76. Время нагружения индентора составило 15 с. Перед проведением микроструктурного анализа аддитивного образца осуществлялась подготовка металлографического шлифа.

Результаты. На основании проведенных исследований, направленных на исследование микротвердости образцов, полученных селективным сплавлением электроэрозионных железохромоникелевых порошков, изготавливаемых путем переработки металлоотходов, установлено, что аддитивный образец имеет практически беспористую микрокристаллическую структуру; среднее значение микротвердости составляет порядка 6,4 ГПа. Данные значения микротвердости достигаются практически беспористой микрокристаллической структурой и наличием высокотвердых фазовых составляющих.

Заключение. Проведенные исследования позволят подобрать для нового сплава, полученного селективным сплавлением электроэрозионных железохромоникелевых порошков, наиболее рациональную область его практического применения.

Цель − исследование толщины и микротвердости полученного слоя при анодировании алюминиевого сплава Д16Т различными способами.

Методы. Для достижения поставленной цели были изучены и опробованы известные способы анодирования алюминия, а также предложен комбинированный способ: анодирование в водных растворах электролитов; анодирование в расплавах солей; плазменно-электролитическое анодирование; плазменно-электролитическое анодирование в расплаве солей. Было создано 4 установки для анодирования. Для исследования была выбрана простая деталь в виде кольца. Такая форма позволяет понять рост оксида как с внешней стороны, так и с внутренней поверхности образца.

При выборе сплава для экспериментальных исследований рассматривались различные алюминиевые сплавы: сплавы с низким содержанием легирующих элементов или легированные магнием (АМг3, АМг6) имеют более низкую микротвердость и прочность по сравнению с дюралюминиями (Д16Т), что также ограничивает их применение в некоторых областях промышленности.

В качестве испытуемого материала был выбран сплав Д16Т как один из самых распространённых и сложных для качественного толстослойного твердого анодирования.

Результаты. Было исследовано 4 способа анодирования. Разработан собственный метод анодирования − плазменно-электролитический в расплаве солей. Способ отличается электропроводящей средой, ее более высокой химической активностью при процессе анодирования. По сравнению с образцами, полученными известными способами, данный метод анодирования показал более высокие показатели микротвердости полученного покрытия порядка 1704 HV0.2.

Заключение. Проведённые эксперименты показали, что анодирование в водных растворах электролитов имеет микротвердость в 2 раза больше микротвердости сплава Д16Т, плазменно-электролитическое анодирование позволило увеличить микротвёрдость в 4 раза, а разработанный метод плазменно-электролитического анодирования в расплаве солей позволил повысить микротвердость в 9 раз.

Цель. Изучение кинетики роста усталостной трещины при циклическом изгибе спеченного диффузионно-легированного материала Fe-Ni-Cu-Mo (марка ПЛ-Н2Д2М) и установление количественных закономерностей влияния остаточной пористости (10-20%) и времени изотермической выдержки при спекании (30–90 минут) на усталостную долговечность.

Методы. Образцы изготавливали методом статического холодного прессования с последующим спеканием при 950[0] С в среде диссоциированного аммиака. Испытания на циклический изгиб проводили на вибростенде с частотой 7 Гц с амплитудой по циклу нагружения 3,5 мм. Регистрацию кинетики роста трещины осуществляли методом электропотенциалов с усилением сигнала аналого-цифровым преобразователем и записью в программе LGraph2. По тарировочным зависимостям разность потенциалов пересчитывали в длину трещины, после чего строили S-образные кривые в координатах «длина трещины число циклов».

Результаты. Установлен трехстадийный S-образный характер усталостного разрушения для всех исследованных образцов. Снижение пористости с 20 до 10% приводит к увеличению числа циклов до разрушения, удлинению начального этапа зарождения трещины и снижению скорости ее роста на линейном участке. Увеличение времени спекания с 30 до 90 минут положительно влияет на усталостную прочность, этот эффект максимален при пористости 10% и слабо выражен при 20%.

Заключение. Пористость является определяющим фактором усталостной долговечности, тогда как время спекания эффективно только для низкопористых материалов. Метод электропотенциалов подтвердил применимость для непрерывного контроля кинетики роста трещины в реальном времени. Полученные закономерности позволяют обоснованно выбирать технологические режимы для изготовления деталей из порошковых материалов, работающих при циклических нагрузках (шестерни, рычаги, эксцентрики, элементы трансмиссий).

Цель - изучение механизмов адсорбции атомов Li, Na и K на бороуглеродных нанослоях BC, BC₃ и BC₅ с периодическим замещением углерода бором и оценка влияния концентрации бора на энергетические и электронные характеристики, определяющие сенсорный отклик.

Методы. Расчёты выполнены в рамках теории функционала плотности с использованием гибридного функционала B3LYP и базиса 6-31G для кластерных моделей нанослоёв. Разорванные связи на границе кластера компенсировали атомами водорода для минимизации влияния краевых эффектов. Адсорбцию моделировали пошаговым сближением атомов щелочных металлов к трём ключевым центрам поверхности (центр гексагона, над атомом C, над атомом B) с шагом 0,2 Å в диапазоне 3,2 Å до равновесных расстояний. По рассчитанным значениям потенциальной энергии строили энергетические профили, определяли равновесные расстояния и энергии взаимодействия.

Результаты. Для всех систем получены устойчивые адсорбционные комплексы: равновесные конфигурации соответствуют отрицательным энергиям взаимодействия, а энергетически предпочтительным адсорбционным центром является центр гексагона. Энергия взаимодействия достигает максимальных по модулю значений для нанослоя BC ₅ (до −3,04 эВ для Li, −2,44 эВ для Na и −2,71 эВ для K). Перенос заряда носит выраженно донорный характер: атомы металлов приобретают положительный заряд (+0,40…+0,86 e), тогда как атомы бора на поверхности могут аккумулировать отрицательный заряд (до −0,86 e); в спектрах плотности электронных состояний фиксируется появление дополнительных состояний вблизи дна зоны проводимости и смещение уровня Ферми. Максимальная ширина запрещённой зоны характерна для структуры BC ₃ (1,25–1,40 эВ). 

Заключение. Все бороуглеродные нанослои демонстрируют энергетически выгодную адсорбцию щелочных металлов. Изменение концентрации бора позволяет управлять энергией взаимодействия и электронными характеристиками, что важно для задач сенсорного и сорбционного характера.

Цель – характеризация нанопленок BN из мишени h-BN, формируемых методом реактивного высокочастотного магнетронного распыления в смеси Ar + N2 на различных подложках.

Методы. Реактивное высокочастотное магнетронное распыление нитрида бора на подложки из плавленного кварца, кремния, сапфира, ситалла, поликора и полиамидных тканей осуществлялось в зависимости от изменений управляющих параметров распыления (мощность 50 – 80 Вт и время 1800 – 2700 с, температура твердотельных подложек ~ 430 К). Магнетронные нанопленки изучены методами атомно-силовой микроскопии, сканирующей и просвечивающей (включая режим высокого разрешения) электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального энергодисперсионного анализа, рентгенофазового анализа, комбинационного (рамановского) рассеяния света, инфракрасной Фурье-спектроскопии, спектрофотометрии оптического поглощения. Выполнено моделирование оптических характеристик в рамках теории функционала плотности в приближении рандомизированных фаз.

Результаты. Прецизионно изучены особенности наноструктурирования и измерены характерные размеры наноструктур в формируемых МНП из нитрида бора, по данным ЭДА подтверждена стехиометричность элементного состава МНП на всех подложках, по цветности отраженного света установлена линейность роста толщины в зависимости от мощности и времени магнетронного распыления. По данным КРС и РФА установлено, что в процессе РВЧ МР BN формируются поликристаллические МНП, с включениями гексагонального h-BN и кубического c-BN и свободного бора, кристалличность h-BN, в МНП возрастает с ростом температуры подложки начиная с Tп ~ 600 К. Проведенные модельные расчеты оптических характеристик согласуются с спектрофотометрическими измерениями коэффициента поглощения и подтверждают полиморфизм МНП.

Заключение. Комплексная характеризация магнетронных нанопленок из мишени h-BN на подложках из кремния, сапфира, ситала, поликора и полиамидных тканей, формируемых методом РВЧ МР, показала, что на процессы их наноструктурирования и фазовый состав наиболее существенно влияет Tп.

Цель – экспериментально и теоретически оценить динамику адсорбции паров трёх органических растворителей (ацетон, изопропанол, толуол) на активированном угле фильтров класса А1, выявить взаимосвязь между физико-химическими свойствами адсорбатов и параметрами защитного действия, а также определить эффективность термической регенерации адсорбента.

Методы. Адсорбционные эксперименты выполнены на оригинальной установке с неподвижным слоем адсорбента при расходе воздуха 0,02 л/с, температуре 24,5°C и относительной влажности 35%. Для каждого адсорбата измерены время защитного действия, масса сорбированного вещества и объём очищенного воздуха. Оценена степень восстановления сорбционной способности после термической регенерации (110°C, 1 ч). Методом Монте-Карло в большом каноническом ансамбле смоделированы изотермы адсорбции и рассчитаны изостерические теплоты.

Результаты. Прямой корреляции между массой поглощённого вещества и временем до проскока не обнаружено. Ацетон обладает максимальной сорбционной ёмкостью (0,22 г), но минимальным временем защиты (240 с) из-за высокой летучести. Изопропанол обеспечивает наибольшее время защитного действия (780 с) при меньшей массе сорбции (0,18 г) благодаря образованию водородных связей. Толуол занимает промежуточное положение (363 с, 0,14 г) из-за стерических ограничений. Степень восстановления после регенерации составила 82–85%, что указывает на наличие необратимо связанной фракции (15–18%). Моделирование подтвердило ключевую роль электростатических и водородных взаимодействий, а также энергетическую неоднородность поверхности углеродного каркаса.

Заключение. Полученные данные важны для прогнозирования ресурса угольных фильтров, выбора адсорбента под конкретные летучие органические соединения и оптимизации режимов термической регенерации с учётом полярности и летучести адсорбата.

Цель – комплексная характеризация композиционных материалов c Bi₂O₃, предназначенных для радиационной защиты биологических объектов и компонентов электронного оборудования от гамма-излучения в диапазоне энергий до 662 кэВ.

Методы. Экспериментальные образцы композиционного материала цилиндрической формы изготовлены из эпоксидно-диановой смолы ЭД-20 с отвердителем ПЭПА c добавлением либо порошка Bi₂O₃, либо со смесью Bi₂O₃ и ZnO в равном молярном соотношении. Характеризация их проводилась методами атомно-силовой и сканирующей (растровой) электронной микроскопии, а также энергодисперсионного и рентгенофазового анализа. Сравнивалось ослабление гамма-излучения лабораторного источника ¹³⁷Сs мощностью до 10 мкЗв/ч по интенсивности скорости счёта модулей газоразрядных счетчиков Гейгера – Мюллера СБМ20-1, заключенных в оболочку из композиционного материала и без него.

Результаты. С применением наноинструментария и структурного анализа определен гранулометрический состав наполнителей и распределение их в эпоксидной матрице, а также структура наночастиц оксидов висмута и цинка. С помощью источника гамма-излучения определены линейный и массовый коэффициенты ослабления композиционного материала, а также слой половинного ослабления полученных покрытий.

Заключение. В композиционном поглотителе на основе либо порошка Bi₂O₃, либо со смесью Bi₂O₃ и ZnO в указанном диапазоне гамма-излучения задействованы два механизма взаимодействия: фотоэффект и комптоновское рассеивание. При использовании веб-базы данных XCOM: Photon Cross Sections Database для всех композиционных материалов с учётом их химической формулы и массового содержания оценены спектральные диапазоны основных механизмов ослабления. Поглощение за счёт проявления фотоэффекта для композиционных материалов преобладает вплоть до 400 кэВ. Максимум излучения источника ¹³⁷Cs приходится на энергию фотонов при 662 кэВ, при котором массовые коэффициенты образцов с наночастицами Bi₂O₃ и со смесью Bi₂O₃ и ZnO равны с точностью до 10% и обусловлены эффектом Комптона.

Цель – обобщение современных методов получения нанокомпозиционных материалов на основе поливинилового спирта и поливинилпирролидона) путем допирования углеродными нанотрубками, а также теоретическое изучение механизмов взаимодействия этих полимеров с однослойными и двуслойными углеродными нанотрубками для создания композитных систем нового поколения с улучшенными свойствами.

Методы. Проведен анализ и систематизация данных научной литературы по технологиям получения нанокомпозитов; оригинальные квантово-химические расчеты в рамках теории функционала плотности, выполненные автором для исследования электронной структуры и механизмов взаимодействия компонентов с углеродными нанотрубками (ПВС / УНТ, ПВП / УНТ).

Результаты. Обзор научных работ подтвердил, что добавление сверхмалых количеств углеродными нанотрубками в полимерную матрицу позволяет кардинально изменять свойства полимеров без существенного увеличения себестоимости конечного материала; вычислительные эксперименты с использованием DFT позволили выявить механизмы взаимодействия поливинилового спирта и поливинилпирролидона с углеродными нанотрубками, установить характер сорбции (физическая или химическая), энергетические параметры связывания и степень перераспределения электронной плотности в комплексах, создать новую композитную полимерную систему; многомасштабное моделирование признано ключевым фактором технологического прогресса в органической электронике, позволяющим минимизировать затраты на разработку и прогнозировать стабильность материалов.

Заключение. Проведенное исследование привело к формированию целостных научных представлений о технологиях получения нанокомпозитов, а сочетание экспериментальных исследований и квантово-химического моделирования открывает перспективы для развития науки и техники – от базовых химических концепций до практических разработок в области проводящих полимеров и органической электроники.

Цель – оценить эффективность извлечения ионов цинка (II) из водных растворов гранулированным дефекатом в динамических условиях и выбрать оптимальное связующее для гранулирования, обеспечивающее максимальную сорбционную ёмкость и механическую прочность.

Методы. Дефекат – отход сахарного производства, содержащий 60-85 % CaCO₃, органические вещества, азот, фосфор и калий, – гранулировали с добавлением связующих: крахмал, поливиниловый спирт, поливинилацетат, силикатный клей и кристаллический силикат натрия. Гранулы получали с использованием шнекового гранулятора с последующей сушкой при 100°C. Модельные растворы ZnSO₄ с концентрацией 2,1 г/дм³ пропускали через колонку, заполненную гранулированным сорбентом (18,8 г). Рассчитывали полную динамическую обменную ёмкость как количество ионов цинка, поглощённое сорбентом до полного насыщения. Токсичность очищенной воды оценивали по всхожести семян горчицы белой; определяли коэффициент ингибирования прорастания

Результаты. Наивысшие значения ПДОЕ (23,4 мг/г) достигнуты для гранул с ПВС и ПВА, что объясняется формированием пористой полимерной матрицы, не блокирующей активные центры сорбции. Гранулы с крахмалом и силикатным клеем показали ПДОЕ 20,0-20,1 мг/г, что несколько ниже из-за частичной блокировки пор или меньшей механической стабильности. Оптимальной является масса связующего 5 г на 50 г дефеката: при меньшем содержании гранулы непрочны, при большем – возрастают затраты без значимого повышения сорбционной ёмкости. Все образцы очищенной воды нетоксичны, что подтверждает безопасность разработанных сорбентов для водных экосистем.

Заключение. Гранулирование дефеката с полимерными связующими (ПВС, ПВА) позволяет получить эффективный и безопасный сорбент для извлечения ионов цинка (II) из воды в динамическом режиме. Рекомендуемое связующее ПВС, обеспечивающее высокую ПДОЕ, механическую прочность и минимальную блокировку пор. Предложенная технология позволяет одновременно утилизировать крупнотоннажный промышленный отход и решать экологические задачи очистки сточных вод от тяжёлых металлов, что делает её перспективной для промышленного применения.

Цель - оценка содержания биологически активных компонентов в экстрактах, полученных из дикорастущих плодов боярышника, барбариса и шиповника, произрастающих на территории Курской области методом мацерации и непрерывной экстракции при температуре кипения растворителя в аппарате Сокслета и сравнительная оценка полученных значений с величинами, полученными при извлечении биологически активных веществ из смеси сухих плодов с целью выявления синергетического эффекта.

Методы: экстракции органических соединений; качественного и количественного определения биологически активных соединений; УФ-спектрофотометрия; кинетический метод определения константы скорости; методы определения «окислительной порчи».

Результаты. Рассмотрены известные варианты использования экстрактов плодов садовых и дикорастущих растений природных источников антиоксидантов в производстве функциональных напитков. Методом мацерации и непрерывной экстракции получены вытяжки из плодов боярышника, барбариса и шиповника с последующей сравнительной оценкой содержания в них витаминов, суммы флавоноидов и суммы сапонинов. Рассмотрен вариант извлечения БАВ из смеси сухих плодов в аппарате Сокслета при различном их массовом соотношении с оценкой количества извлеченных БАВ, выявлена комбинация с выраженным синергетическим эффектом. Для масляных экстрактов определена устойчивость к «окислительной порче».

Заключение. Установлено, что различия в способе извлечения разными методами проявляются уже на стадии оценки внешнего вида полученных экстрактов, и экстракция в аппарате Сокслета более эффективна для извлечения этих групп соединений. Мацерации в течение указанного времени и три цикла непрерывной экстракции недостаточно для полного извлечения в выбранных условиях. Переход к комбинациям из двух плодов выявил в большинстве случаев синергетический эффект при извлечении БАВ, причем наибольший эффект наблюдался при извлечении компонента С. При переходе к трёхкомпонентным смесям наблюдалось уменьшение синергетического эффекта и ускорение извлечения в указанных условиях и выход на максимальную концентрацию извлекаемых веществ.