Механика. Рубрика в журнале - Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)
Статья научная
Введение. Термические характеристики материалов, созданных на базе трижды периодических минимальных поверхностей (ТПМП), становятся все более важными в свете роста интереса к материалам с особыми теплофизическими свойствами и их применениям в инженерии, энергетике и других областях. Поскольку эти материалы обладают уникальными структурными и функциональными характеристиками, понимание взаимосвязи между их геометрией и теплофизическими параметрами играет ключевую роль в оптимизации их использования. Несмотря на значительное внимание, уделенное проблеме, исследование взаимосвязи между геометрией пористых структур и их термическими характеристиками остается неполным. Существующие научные работы охватывают лишь отдельные варианты, а полное понимание влияния сложной микро- и макроструктуры на теплопроводность требует дальнейшего изучения. Существующий пробел в научном знании заключается в недостаточной систематизации и обобщении существующих данных, что затрудняет разработку универсальных подходов к расчету теплопроводности в таких материалах. Целью данного исследования являлась разработка упрощенных формул для расчета показателя эффективной теплопроводности пористых структур, основанных на ТПМП-ячейках типа S, предложенных Фишером и Кохом. Авторы также ставили задачу анализа теплопроводного процесса в пластине с заданными параметрами пористости. Это позволит улучшить понимание термодинамических процессов, происходящих в таких системах.
Бесплатно
Электрический разряд между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом
Статья научная
Введение. Газовые разряды с жидкими электродами рассматриваются как перспективный инструмент для улучшения адгезионных свойств и подготовки поверхностей под нанесение покрытий. В литературе подробно изучены тлеющие и дуговые разряды с электролитическими электродами, однако большинство работ сосредоточено на конфигурациях с неподвижным электролитом. Для систем «струйный электролитический катод — металлический анод» при атмосферном давлении формы горения разряда, границы их устойчивости и энергетические характеристики процесса систематизированы недостаточно. Это препятствует масштабированию технологий локальной обработки алюминия. Цель настоящей работы — экспериментально классифицировать формы горения и области их устойчивости, определить электрические, спектральные и тепловые параметры разряда, а также обосновать практические режимы локальной подготовки алюминиевой поверхности под адгезию и покрытия. Материалы и методы. Для реализации поставленной цели была создана лабораторная установка: струя 3 %-го NaCl выполняла роль катода, алюминиевая пластина АМЦ-40 — анода; узел «струя-анод» размещён в термостатируемой электролитической ячейке с замкнутой циркуляцией раствора. Типичные условия: U ≈ 600 В, vk ≈ 0,6–0,7 м/с, d ≈ 2 мм, σ ≈ 0,10–0,12 Ω–1·см–1; источник питания до 4 кВ/10 А обеспечивал широкий диапазон настроек. Диагностика включала осциллографические измерения, высокоскоростную видеосъемку (Casio EX-F1, 600–1200 к/с), тепловизионную съёмку (FLIR A6500sc) и ОЭС на спектрометре PLASUS EC 150201 MC с оценкой ne по штарковскому уширению Hα. Результаты исследования. Обнаружены две топологии локализации плазмы: контактная зона на тройной линии «газ-жидкость-твёрдое тело» и область распада струи. Ток носит импульсный характер с амплитудой 0,8–1,6 А. В спектрах доминируют дублет Na I (~589 нм), полосы OH(A–X) и линия Hα; по ΔλL (Hα) ≈ 0,64 нм получена оценка ne ≈ 6,4 × 1016 см–3. Термовизионные карты показали максимум эффективной температуры ~47 °C в точке контакта и вытянутую вдоль струи зону энерговклада длиной ~7 мм (поперечник ~2 мм). Обсуждение. Импульсный характер тока с амплитудой 0,8–1,6 А при 600 В свидетельствует о периодическом формировании и срыве токового канала, что типично для разрядов с нестационарной геометрией катодной области и ранее отмечалось в работах по разрядам со стекающими струями. Оценка электронной концентрации nₑ ≈ 6,4×1016 см–3 по штарковскому уширению Hα попадает в диапазон 1015–1017 см–3, характерный для атмосферных разрядов с жидкими электродами, и указывает на относительно плотную плазму, достаточную для эффективной активации поверхности. Доминирование линий Na I в спектре подтверждает интенсивный перенос компонентов электролита в разрядный промежуток, что согласуется с механизмом аэрозольного распыления в прикатодной области. Компактность температурного пятна на аноде (поперечный размер ~2 мм, максимум 47°C) подтверждает локальный характер энерговклада без глобального перегрева детали, однако истинная температура поверхности может быть выше измеренной из-за неопределённости эмиссивности растущей оксидной пленки. Заключение. Экспериментально охарактеризован разряд между струйным электролитическим катодом и алюминиевым анодом при атмосферном давлении; показаны две устойчивые топологии горения, импульсная природа тока, спектральные маркеры и тепловая картина энерговклада. Результаты формируют базу для построения режимных карт локальной обработки алюминия и расширения технологических приложений. Полученные данные составляют основу для построения карты режимов обработки алюминиевых изделий и могут быть расширены за счёт варьирования расхода, диаметра сопла, состава электролита и применения более скоростной диагностики. Направления дальнейших работ: стандартизация энергетических метрик, количественная декомпозиция источников излучения и масштабирование методики.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Разработка покрытий, способных воспроизводить структурно-функциональные свойства зубной эмали, представляет значительный интерес для стоматологического материаловедения и биомиметической инженерии поверхностей. Несмотря на развитие биомиметических кальций-фосфатных систем, наиболее распространённые подходы по-прежнему основаны на многостадийных протоколах, чувствительных к условиям формирования межфазного слоя, и не обеспечивают в полной мере одновременного сокращения времени осаждения, контроля морфологии покрытия и воспроизводимого механического отклика поверхности. Цель данной работы состояла в экспериментальной оценке возможности одностадийного формирования биомиметического гибридного nHAp/PDA-покрытия в электрическом поле с использованием изолированных электродов, а также в установлении влияния режима осаждения на морфологию поверхности и микротвёрдость системы «покрытие–подложка». Материалы и методы. В качестве модели природной апатитовой подложки использовали сегменты нативной эмали постоянных зубов человека. Сравнивали четыре состояния поверхности: нативную эмаль; слой nHAp/AA, сформированный после кислотного кондиционирования; покрытие PDA/nHAp, полученное в последовательном режиме; гибридное покрытие, сформированное при одновременной электрополевой минерализации и ускоренной полимеризации дофамина. Осаждение выполняли в потенциостатической ячейке с изолированными медными электродами. Морфологию поверхности оценивали методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии. Поверхностный механический отклик исследовали по микротвёрдости Виккерса при нагрузке 50 г, AFM-картированию отпечатков и локальной наноиндентации. Результаты исследования. Установлено, что одностадийный электрополевой режим обеспечивает формирование наиболее плотного и равномерного поверхностного слоя толщиной порядка 1 мкм с минимальной шероховатостью около 20 нм. Для образца D зарегистрированы наибольшие значения поверхностной микротвёрдости — около 310 VHN; для нативной эмали они составили около 280 VHN, для образца B — около 120 VHN, для образца C — около 190 VHN. Однофакторный дисперсионный анализ подтвердил статистически значимое влияние типа образца на микротвёрдость (p < 0,001). AFM-картирование отпечатков подтвердило корректность оптической оценки диагоналей на текстурированной поверхности. Обсуждение. Повышение поверхностной микротвёрдости образца, сформированного в электрополевом режиме, связано, по-видимому, с более организованным межфазным взаимодействием при участии полидофамина и более плотной упаковкой минеральной составляющей покрытия. При этом микротвёрдость Виккерса и AFM-наноиндентация характеризуют различные масштабные уровни механического отклика и должны интерпретироваться как взаимодополняющие методы. Заключение. Показано, что одностадийное формирование гибридного nHAp/PDA-покрытия в электрическом поле с использованием изолированных электродов позволяет получить морфологически организованный слой с поверхностным механическим откликом, сопоставимым с интактной эмалью. Предложенный подход представляет интерес для ускоренного формирования функциональных органоминеральных покрытий на апатитсодержащих подложках.
Бесплатно
