«МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА МАГИСТРОВ ПО ОЧНО-ЗАОЧНОЙ (ВЕЧЕРНЕЙ) И ЗАОЧНОЙ ФОРМАМ ОБУЧЕНИЯ Москва 2009 СОДЕРЖАНИЕ Разработка учебного плана магистратуры..2 Подготовка магистров по ...»

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ УЧЕБНОГО

ПРОЦЕССА

МАГИСТРОВ ПО ОЧНО-ЗАОЧНОЙ (ВЕЧЕРНЕЙ) И ЗАОЧНОЙ

ФОРМАМ ОБУЧЕНИЯ

Москва 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Разработка учебного плана магистратуры………………………………………………………...2 Подготовка магистров по очно-заочной форме обучения………………………………………..2 Подготовка магистров по заочной форме обучения……………………………………………...3 Учебный план подготовки магистров по очно-заочной форме обучения………………………4 Примерные программы практик…………………………………………………………………... Приложение: примерные программы дисциплин………………………………

Разработка учебного плана Подготовка магистров по очно-заочной форме обучения Подготовка магистров по очно-заочной форме обучения имеет следующие особенности:

1. Наименование дисциплин в учебных планах вуза и их группирование но циклам идентичны учебным планам для очного обучения.

2. В учебном плане указываются все виды практик в объеме очной формы обучения.

Студенты, работающие по данному профилю, все виды практик, за исключением подготовки выпускной квалификационной работы, организуют самостоятельно. Для остальных категорий студентов места прохождения и программы практик определяются вузом. По результатам освоения программы практики обучающиеся представляют в образовательное учреждение письменный отчет с последующей аттестацией.

3. Срок освоения ООП-М при очно-заочной форме обучения составляет 104 недель. Он включает в себя:

теоретическое обучение, в том числе практические занятия лабораторные практикумы - 53 недели;

экзаменационные сессии – 9 недель;

практику - 8 недель;

итоговая государственная аттестация, включая подготовку и защиту магистерской диссертации - 8 недель;

каникулы - 34 недели (включая 8 недель последипломного отпуска).

4. Максимальный объем учебной работы студента устанавливается 54 академических часа в неделю, включая все виды его аудиторной и внеаудиторной (самостоятельной) работы.

5. Одна зачетная единица эквивалентна 36 часам всех видов учебной работы студента с округлением до 0,5.

6. Одна неделя практики и итоговой государственной аттестации, а также выполнение выпускной квалификационной работы соответствует 1,5 зачетным единицам.

7. При очно-заочной форме обучения объем аудиторных занятий должен быть не менее часов в неделю.

8. Общий объем каникулярного времени в учебном году должен составлять 7-10 недель, в том числе не менее двух недель в зимний период.

Подготовка магистров по заочной форме обучения 1. В учебном году работа с преподавателем устанавливается не менее 160 часов, которые должны включать лекции, семинарские и практические занятия, лабораторные работы, проводимые в период сессий с преподавателем.

2. Аудиторные занятия для студентов заочной формы обучения, которые могут систематически посещать аудиторные занятия в межсессионный период, рекомендуется планировать - 8-12 часов в неделю. Для студентов, не имеющих возможность посещать аудиторные занятия в межсессионный период, аудиторные занятия проводятся в экзаменационную сессию.

3. Рекомендуемые нормы времени по отдельным видам учебной работы при составлении учебных планов:

среднее время выполнения одной контрольной (домашней) работы 8- 10 часов.

Общий объем времени на выполнение всех контрольных (домашних) работ в течение всего периода обучения должен составлять примерно 8-12% от общего объема часов теоретического обучения;

курсовые работы рассматриваются как вид учебной работы по дисциплине и выполняются в пределах часов, отводимых на ее изучение.

Московский авиационный институт (государственный технический университет) Примерная программа практик Профессиональная Научно-исследовательская Учебным планом подготовки магистра по направлению «Нанотехнологии» с программой подготовки «Функциональные наноматериалы для космической техники»

предусмотрены два вида практик:

научно-исследовательская практика 4 недели в 12 семестре.

приобретение компетенций, необходимых для формирования профессиональной компетентности магистра по направлению «Нанотехнологии», и его подготовка к практической профессиональной деятельности.

Цель профессиональной практики заключается в расширении и закреплении теоретических знаний, полученных в процессе освоения основной образовательной программы, формирования умения применять полученные знания на практике, формирования и закрепления практических навыков работы в области профессиональной деятельности магистра, накопление опыта работы в коллективе.

Профессиональная практика проводится на основе индивидуального подхода к планированию работы студентов. Так, распределение студентов по предприятиям, учреждениям и организациям производится с учетом планируемого профиля профессиональной деятельности выпускника – технологической, проектно-конструкторской или научно-исследовательской.

Задачи практики:

ознакомление с организационной структурой отделов и подразделений предприятия или научно-исследовательской организации в соответствии с профилем и направленностью практики, ознакомление со связями между подразделениями, областями ответственности отдельных сотрудников отделов;

приобретение практических навыков работы в условиях реального технологического, проектно-конструкторского или научно-исследовательского процесса в составе трудового коллектива, закрепление навыков работы с производственными инструкциями и конструкторской документацией, а также с системами электронного документоооборота предприятия;

приобретение и закрепление навыков работы с системами автоматизированного управления технологическими процессами;

приобретение и закрепление навыков работы с CAD-, CAE-, CAM- системами при работе над составными частями реальных проектов;

приобретение и закрепление навыков работы с компьютерными системами математического моделирования и осуществления вычислительного эксперимента;

приобретение навыков постановки и решения конкретных задач в рамках научноисследовательских работ;

приобретение и закрепление навыков постановки и проведения экспериментальных исследований, проведения измерений, наблюдений, систематизации и анализа результатов;

углубление знаний по технике безопасности и экологической безопасности на производстве;

сбор данных для формулировки темы научных исследований и выбора предполагаемой темы магистерской диссертации.

Основой усвоения студентами данного курса являются знания, полученные ранее при изучении следующих дисциплин программы магистратуры:

современные проблемы нанотехнологии;

наноматериалы и нанотехнологии в производстве пленок и покрытий для ракетнокосмической техники;

математическое моделирование наносистем;

компьютерные технологии в науке и образовании;

физико-химическая кинетика и термодинамика наночастиц;

механика гетерогенных сред;

наномеханика композиционных материалов;

волновые процессы в гетерогенных наноструктурных средах;

термодинамика гетерогенных наноструктурных сред;

нанокристаллические и консолидированные материалы.

Результатом освоения программы профессиональной практики является уровень формирования компетенций, достаточный для эффективного обучения специальным дисциплинам основной образовательной программы магистратуры, ведения научноисследовательской работы, подготовки, написания и защиты магистерской диссертации и последующей профессиональной деятельности магистра.

Итоговая аттестация по профессиональной практике – зачет.

Цель научно-исследовательской практики состоит в окончательном формировании основных компетенций, составляющих профессиональный облик выпускника магистратуры, и подготовке к написанию магистерской диссертации.

В процессе научно-исследовательской практики студенты должны провести подготовительную часть работы над магистерской диссертацией на базе ранее выполненных разработок и научных исследований. Программа научно-исследовательской практики составляется для каждого студента магистратуры индивидуально с целью ориентировать студента на проведение самостоятельных исследований и разработок.

При проведении научно-исследовательской практики в технологических отделах предприятий аэрокосмической отрасли необходимо:

проанализировать результаты ранее выполненных аналогичных работ;

выполнить технологическое обоснование проектируемого оборудования;

принять участие в исследованиях и испытаниях аналогичных устройств, выполняемых в отделах и лабораториях предприятия.

При проведении научно-исследовательской практики в конструкторских отделах предприятий аэрокосмической отрасли необходимо:

проанализировать результаты ранее выполненных аналогичных работ;

выполнить рабочий проект детали или узла в соответствии с заданием;

принять участие в разработках аналогичных объектов, выполняемых в отделах и предприятия.

При проведении научно-исследовательской практики в научно-исследовательских учреждениях, отраслевых и проблемных лабораториях высшего учебного заведения необходимо:

провести анализ состояния решаемой задачи научного исследования, выполнить библиографический обзор;

выполнить теоретическую разработку по теме исследования (в случае задания на теоретическую работу) либо планирование и подготовку эксперимента (в случае задания на экспериментальную работу);

проанализировать полученные результаты исследований и сформулировать выводы.

При прохождении научно-исследовательской практики необходимо изучить порядок подготовки и написания магистерской диссертации и сформулировать тему диссертации.

Результатом освоения программы научно-исследовательской практики является уровень формирования компетенций, достаточный итоговой аттестации магистра и его последующей профессиональной деятельности. Итоговая аттестация по научно-исследовательской практике – зачет.

Раздел 2. Порядок прохождения практик, организация и руководство.

Профессиональная практика проводится на профильных предприятиях и организациях аэрокосмической отрасли, осуществляющих технологический процесс производства функциональных наноматериалов, а также деталей, узлов, агрегатов, приборов и оборудования космической техники на основе функциональных наноматериалов.

Распределение рабочих мест на профессиональную практику и рабочего времени студентов планируется, исходя из возможностей предприятия на основе индивидуального подхода к формулировке заданий для студентов.

В процессе профессиональной практики целесообразна организация работы студентов малыми группами и индивидуально в составе трудовых коллективов подразделений профильных предприятий, осуществляющих производство наноматериалов, деталей, узлов изделий космической техники на их основе, лабораторий научно-исследовательских учреждений и лабораторий высшего учебного заведения, специализирующихся на научноисследовательской работе в области планируемой профессиональной деятельности магистра.

Руководство профессиональной практикой осуществляется:

квалифицированными преподавателями кафедр высшего учебного заведения, нанотехнологий или проектирования и конструирования деталей и узлов изделий космической техники на основе функциональных наноматериалов;

квалифицированными преподавателями профильных кафедр высшего учебного технологического обеспечения производства деталей и узлов изделий космической техники на основе функциональных наноматериалов.

К руководству профессиональной практикой целесообразно привлекать научных консультантов из числа инженеров и научных работников профильных предприятий, специализирующихся на опытном и промышленном получении наночастиц, производстве функциональных наноматериалов или проектировании и конструировании деталей, узлов и агрегатов изделий космической техники на основе функциональных наноматериалов, и научных сотрудников профильных научно-исследовательских подразделений высшего учебного заведения, имеющих достаточную квалификацию для консультаций студентов магистриата, являющихся специалистами в области процессов формирования наночастиц, и наноматериалов, в том числе функциональных.

Руководитель практики от обеспечивающей кафедры осуществляет общую подготовку и организацию практики, контроль работы студентов и методическое руководство. В его обязанности входит:

подбор рабочих мест, руководителей и консультантов по практике от предприятий и организаций – мест проведения практики, и прочие организационные мероприятия;

подготовка необходимых методических материалов;

разработка совместно с консультантами индивидуальных или групповых заданий на практику;

обеспечение организованного прибытия студентов на предприятия и организации – места проведения практик, оформление пропускных документов;

составление совместно с руководителями и консультантами по практике от предприятий и организаций графика прохождения практики;

контроль работы студентов, выполнения программы практики и заданий, выданных консультантами, оформление отчетов по практике совместно с руководителями практики от предприятий и организаций;

прием зачета по практике.

Руководитель практики от предприятия организует совместно с руководителем практики от кафедры работу студента в соответствии с программой практики. В его обязанности входит:

участие в составлении графика практики, составление распределения групп студентов или индивидуального распределения студентов по отделам и подразделениям предприятия;

обеспечение проведения инструктажей по охране труда и техники безопасности;

контроль соблюдения студентами производственной дисциплины на предприятии;

составление отзыва на выполненную студентами работу.

Консультант конкретизирует содержание индивидуальных заданий на отдельные виды практик. В обязанности консультанта по практике от предприятия или организации входит:

консультирование студентов при выполнении задания на практику;

знакомство студентов с организацией рабочих мест, оборудованием, особенностями конструкторских работ или технологического процесса, правилами техники безопасности, режимом соблюдения класса чистоты помещений и т.д.

Зачет по профессиональной практике проводится в виде защиты отчета по практике, представляемого студентами в письменной форме.

Научно-исследовательская практика проводится на профильных предприятиях, организациях и учреждениях аэрокосмической отрасли, в научно-исследовательских организациях, отраслевых или проблемных научно-исследовательских лабораториях высшего учебного заведения, реализующего основную образовательную программу подготовки магистров, а также непосредственно на выпускающих кафедрах.

Распределение рабочих мест на научно-исследовательскую практику и рабочего времени студентов планируется индивидуально в соответствии с поставленными задачами на практику и предполагаемой тематикой магистерских диссертаций.

Руководство научно-исследовательской практикой осуществляется:

квалифицированными преподавателями кафедр высшего учебного заведения, являющихся специалистами в области нанотехнологий и функциональных наноматериалов для космической техники, а также в смежных областях, ведущих активную фундаментальную или прикладную научно-исследовательскую работу;

научными сотрудниками кафедр, отраслевых и проблемных лабораторий высшего учебного заведения, реализующего основную образовательную программу подготовки магистров, являющихся специалистами в области нанотехнологий и функциональных наноматериалов для космической техники, а также в смежных областях;

специализирующимися на нанотехнологиях, функциональных наноматериалов для космической техники, а также в смежных областях;

научными сотрудниками научно-исследовательских институтов РАН и ортаслевых научно-исследовательских институтов.

руководитель научно-исследовательской практики является, как правило, руководителем работы студента над магистерской диссертацией.

Для организации научно-исследовательской практики от выпускающей кафедры назначается ответственное лицо – руководитель научно-исследовательской практики.

Руководитель практики осуществляет общую подготовку и организацию практики, контроль за своевременной выдачей студентам заданий на практику и организацию зачета.

Зачет по научно-исследовательской практике проводится в виде научно-технической конференции студентов. Результаты работы каждый из студентов представляет в виде научного доклада или отчета о проведенной конструкторской разработке в зависимости от тематики работ конкретного студента. Представляется целесообразным проведение нескольких секций научно-технической конференции студентов в соответствии с местами прохождений практик и профилем работы.

Заседания секций научно-технической конференции студентов проводятся, как правило, в учебном заведении или (в случае необходимости) на предприятиях проведения практики. На заседаниях секций присутствуют руководители практики студентов и ответственный за проведение практики от высшего учебного заведения. Форма проведения заседания секций, а также форма представления докладов студентами устанавливается высшим учебным заведением, реализующим основную образовательную программу подготовки магистров.

Целью проведения научно-технической конференции является привитие студентам навыков подготовки и выступления с научными докладами, подготовки научных публикаций, а также формирование компетенций на основе закрепления данных навыков.

По результатам научно-технической конференции осуществляется зачет по научноисследовательской практике.

Непосредственно после завершения научно-исследовательской практики рекомендуется провести утверждение тем магистерских диссертаций и закрепление за научными руководителями студентов-диссертантов.

Раздел 3. Рекомендуемые места проведения практик Московский авиационный институт (государственный технический университет) Примерные программы дисциплин

СОДЕРЖАНИЕ

Федеральный компонент…………………..……………………………………………..…….. 1. Современные проблемы нанотехнологии……………………………………….. 2. История и методология науки и техники…………………………………........... 3. Компьютерные технологии в науке и образовании…………………………….. Национально-региональный (вузовский) компонент Дисциплины устанавливаемые вузом 4. Математическое моделирование наносистем…………………………………… 5. Физико-химическая кинетика и термодинамика наночастиц………………….. 6. Наномеханика композиционных материалов…………………………………... 7. Нанокристаллические и консолидированные материалы……………………… 8. Механика гетерогенных сред…………………………………………………….. Дисциплины по выбору студента, устанавливаемые Вузом 9. Волновые процессы в гетерогенных наноструктурных средах.……………….. 9. Термодинамика гетерогенных наноструктурных сред……………………......... СПЕЦИАЛЬНЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ…………………………………………………………... 10. Интеллектуальные наноматериалы для космической техники………………… 11. Наноматериалы и нанотехнологии в производстве пленок и покрытий для ракетно-космической техники………………………………………………................. 12. Сверхтонкие покрытия для двигателей космических аппаратов…………........ функциональных наноматериалов и наноразмерных покрытий элементов и узлов техники………………………………………………………………………………... 14. Модели образования наночастиц в потоках газа…………………………........... Дисциплины по выбору студента, устанавливаемые Вузом………………………… 15. Технология производства космических двигателей и энергоустановок c использованием наноматериалов………………………………………………………. 15. Наноразмерные эффекты в технологии изготовления аэрокосмической техники…………………………………………………………………………………

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ КОМПОНЕНТ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Современные проблемы нанотехнологии Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Главной целью дисциплины «Современные проблемы нанотехнологии» является изучение основных проблем, возникающих в перспективных направлениях науки и техники, а также рассмотрение возможных вариантов и способов их решения.

В процессе изучения дисциплины студенты знакомятся с основными постулатами нанотехнологии и нанодиагностики, такими как: наноточность, наночувствительность, нанолокализация, наноизбирательность, нанокатализ, самосборка, самоорганизация.

Также рассматриваются фундаментальные основы наноиндустрии: размерные эффекты и масштабирование, синергетические, ассоциативные, «гигантские» эффекты, системотехника наносистем.

Дается представление о материалах наносистемной техники: конструкционные, функционально активные, адаптивные, самоорганизующиеся среды.

наноструктурированных материалов, атомно-молекулярные нанослоевые технологии, нанозондовый локальный синтез и модификация, самосборка и самоорганизация, компоненты наносистемной техники, наноэнергетика, наноаналитические системы, а также биомедицинские нанотехнологии.

Тема 1. Введение в нанотехнологию (НТ) (2 ч.).

Цели и задачи НТ. Основные понятия и определения. Физические и технологические проблемы и ограничения микроминиатюризации полупроводниковых устройств.

Применение методов НТ для уменьшения размеров приборов. Перспективные наноматериалы и направления нанотехнологии. Основные требования по созданию объектов наноэлектроники и нанофотоники. Представление о реализации квантово-размерных эффектов, оценка предельных геометрических величин элементов, где реализуется эффект размерного квантования (квантовые точки, квантовые проволоки, квантовые ямы).

Тема 2. Иерархическая система математических моделей (2 ч.).

Распределение математических моделей нанообектов по уровням различной подробности описания. Шредингеровские модели. Модели молекулярной динамики на первых принципах. Модели классической молекулярной динамики. Решеточные детерминистические модели и решеточные алгоритмы метода вероятностных асинхронных клеточных автоматов. Модели типа реакция-диффузия. Примеры моделирования.

Тема 3. Материалы нанотехнологий (4 ч.).

Наноструктурные элементы вещества: атомы, молекулы, фуллерены, нанотрубки, кластеры. Квантовые точки - искусственные молекулы. Наноструктурные полимеры.

Материалы на основе наноструктурных элементов: нанокристаллы, нанотрубки, наностержни и их производные. Структурные элементы для наноматериалов более высокого порядка. Углеродные нанотрубки, технология изготовления, структура и свойства. Области применения.

Тема 4. Свойства наноструктурных материалов (4 ч.).

Механические и тепловые свойства наноструктурных материалов Механические свойства наноструктур. Тепловые свойства наночастиц и молекулярных кластеров.

Электронные и магнитные свойства наноструктурного твердого тела Теория низкоразмерных электронных систем (Квантовые пленки, проволоки, точки).

Электронный транспорт (туннельный эффект, кулоновская блокада). Свойства наноструктурынх магнитных материалов и частиц. Эмиссионные свойства наноструктур.

Оптические свойства наноструктурного твердого тела.

Тема 5. Методы нанотехнологий (10 ч.).

СОЗДАНИЕ ОБЪЕКТОВ ПО ПРИНЦИПУ "СВЕРХУ-ВНИЗ":

Субмикронная литография. Уменьшение размеров элементов методами традиционной планарной технологии за счет разработки, создания и применения экстремальных ультрафиолетовых источников излучения со сверхкороткой длиной волны (13,5 нм) при процессах литографии. Источники экстремального ультрафиолета. Лазерное излучение: взаимодействие с поверхностью и применение в НТ. Лазерная абляция.

Многослойные брэгговские зеркала. Резисты на основе неорганических материалов. ДВУФнанолитограф. Нанолитография. Электронная, ионная и рентгеновская литографии.

Применение "линзы Кумахова" для нанолитографии. Маски и резисты для разных типов литографии. Сравнительный анализ перспектив ультрафиолетовой, электронной, ионной и рентгеновской литографий. Нанопечатная литография. Понятие о литографическииндуцированной самосборке наноструктур.

Атомно-силовая микроскопия.

СОЗДАНИЕ ОБЪЕКТОВ ПО ПРИНЦИПУ "СНИЗУ-ВВЕРХ":

Основы теории зародышеобразования. Зародышеобразование в тонких пленках.

Понятие критического зародыша. Термодинамическая теория зародышеобразования.

Молекулярно-кинетическая теория зародышеобразования.

Механизмы эпитаксии. Гомо- и гетероэпитаксия. Механизмы гетероэпитаксиального роста: Франка-ван-дер-Верме, Фольмера-Вебера, Странски-Крастанова.

Эпитаксиальные методы. Физическое осаждение из паровой фазы (MBE). Получение аморфных, поликристаллических и монокристаллических пленок. Молекулярно-лучевая эпитаксия элементарных полупроводников и полупроводников на основе соединений А3В5, осаждение пленок диэлектриков и металлов. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD):

его виды, основные закономерности и методика.

Самоорганизация квантовых точек и нитей. Квантовые точки. Самоорганизованный рост по механизму Странского-Крастанова. Теория самоорганизованного роста квантовых точек. Системы полупроводниковых материалов для выращивания структур с КТ. Рост наноструктур на фасетированных плоскостях. Трехмерные массивы когерентнонапряженных островков. Массивы вертикально-связанных КТ. Периодические структуры плоских доменов. Структуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников. Полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур с квантовыми точками.

Самоорганизация нанотрубок. Преобразование планарных напряженных гетероструктур в трехмерные, имеющие радиальную симметрию (нанотрубки). Перспективы изготовления электронных приборов с применением нанотрубок.

Локальное анодное окисление металлов.

Тема 6. Методы исследования наноструктур (4 ч.).

Растровый электронный микроскоп. Просвечивающий электронный микроскоп.

Полевой электронный микроскоп. Полевой ионный микроскоп.

Сканирующий электронный микроскоп. Зондовый сканирующий микроскоп.

Сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовой микроскоп. Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля.

Тема 7. Математические модели некоторых применений нанотехнологий (10 ч.).

Часть 1. Наноэлектроника. Квантово-механические (шредингеровские) модели наноэлектроники (7 ч.).

Особенности энергетического спектра частиц в системах пониженной размерности.

Рассеяние частиц на потенциальной ступеньке. Потенциальный барьер конечной ширины.

Интерференционные эффекты при надбарьерном пролете частиц. Частица в прямоугольной потенциальной яме. Особенности движения частиц над потенциальной ямой. Движение частицы в сферически симметричной прямоугольной потенциальной яме. Энергетический спектр и волновые функции линейного, плоского и сферического осциллятора.

Энергетические состояния в прямоугольной квантовой яме сложной формы. Структура со сдвоенной квантовой ямой. Прохождение частиц через многобарьерные квантовые структуры. Энергетический спектр сверхрешеток. Классификация полупроводниковых сверхрешеток. Низкоразмерные системы с цилиндрической и сферической симметрией.

Влияние однородного электрического поля на энергетический спектр систем пониженной размерности. Энергетический спектр бесконечной прямоугольной потенциальной ямы в однородном электрическом поле. Оценка смещения энергетических уровней под действием электрического поля в прямоугольной КЯ конечной глубины.

Влияние однородного электрического поля на энергетический спектр параболической потенциальной ямы. Интерференционная передислокация электронной плотности в туннельно-связанных квантовых ямах. Потенциальная ступенька в однородном электрическом поле. Прохождение частиц через двухбарьерную структуру в электрическом поле. Влияние однородного электрического поля на двухэлектронные состояния в двойной квантовой точке. Энергетический спектр сверхрешетки из квантовых точек в постоянном электрическом поле.

Распределение квантовых состояний в системах пониженной размерности.

Особенности распределения плотности состояний в 2D-системах. Зависимость положения уровня Ферми от концентрации электронов и толщины пленки для 2D-систем.

Распределение плотности состояний в квантовых проволоках и квантовых точках.

Энергетический спектр мелких примесных состояний в системах пониженной размерности.

Влияние размерного квантования на состояния мелкого экситона. Энергетический спектр полупроводниковых пленок типа n-GаАs. Энергетический спектр электронов в размерноквантовых пленках Gе и Si. Энергетический спектр в полупроводниковых пленках с вырожденными зонами. Энергетический спектр в квантовой точке с параболическим удерживающим потенциалом.

Экранирование электрического поля в структурах пониженной размерности.

Приповерхностная область пространственного заряда. Уравнение Пуассона. Разновидности областей пространственного заряда. Решение уравнения Пуассона. Определение зависимости потенциала в области пространственного заряда от координаты. Поверхностное квантование.

Экранирование электрического поля в 2D-системах. Особенности экранирования электрического поля в квантовых проволоках.

Квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе. Эксперименты с двумерным электронным газом. Энергетический спектр электронов в постоянном однородном магнитном поле. Проводимость двумерного электронного газа. Дробный квантовый эффект Холла.

Особенности фононного спектра в системах пониженной размерности.

Дисперсионные зависимости фононов в полупроводниковых сверхрешетках. Свертка ветвей акустических фононов. Локализация фононов. Интерфейсные фононы.

Транспортные явления. Стационарная дрейфовая скорость. Всплеск во времени дрейфовой скорости при воздействии электрического поля. Баллистический транспорт в полупроводниках и субмикронных приборах. Подвижность электронов в системах с селективным легированием. Особенности электрон-фононного взаимодействия в системах пониженной размерности. Рассеяние электронов в 2D-системах. Особенности рассеяния квазидвумерных электронов в сверхрешетках. ТермоЭДС в квазидвумерных системах.

Асимметричные наноструктуры в магнитном поле. Эффект Ааронова - Бома.

Туннелирование через квантово-размерные структуры. Туннелирование через двухбарьерную структуру с квантовой ямой. Вольт-амперная характеристика многослойных структур. Экспериментальное исследование вольт-амперных характеристик двухбарьерных квантовых структур. Диапазон рабочих частот двухбарьерной квантовой структуры.

Тенденции создания нанотранзистора.

Проблемы одноэлектроники. Теоретические основы одноэлектроники. Реализация одноэлектронных приборов. Применение одноэлектронных приборов.

Часть 2. Квантовый компьютер и квантовые вычисления (3 ч.).

Введение в квантовые вычисления. Определения и обозначения. Соотношение между классическим и квантовым вычислением. Основные квантовые логические принципы.

Понятие кубита. Определение квантового вычисления. Примеры. Квантовые алгоритмы:

основные понятия и примеры. Быстрые квантовые алгоритмы.

Проблемы реализации элементной базы квантового компьютера. Твердотельные квантовые компьютеры. Квантовый компьютер на ядерных спинах в кремнии. Квантовый компьютер на электронном спиновом резонансе в структурах Ge - Si. Квантовый компьютер на ионах в ловушках. Примеры ловушек. Храниение, обработка и передача кубитов.

Квантовый компьютер и ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). Основные принципы работы.

Логические вентили на ЯМР.

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Драгунов В.П., Неизвестный В.А., Гридчин В.А.. Основы наноэлектроники: Учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000.

2. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: БИНОМ. 2007.

3. Тататернко Н.И., Кравченко В.Ф. Автоэмиссионные наноструктуры и приборы на их основе. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2006.

4. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. М.: Издательство МФТИ. 2001.

5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Академия. 2005.

6. Полак Л.С., Михайлов А.С. Самоорганизация в неравновесных физико-химических системах. М.: Наука. 1983.

7. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир.

8. Китаев А., Шень А., Вялый М. Классические и квантовые вычисления. МЦНМО.

9. Квантовый компьютер и квантовые вычисления т.1. под ред. Садовничего В.А.

Ижевск: Удмуртский университет. 1999.

10. Квантовый компьютер и квантовые вычисления т.2. под ред. Садовничего В.А.

Ижевск: Удмуртский университет. 1999.

11. Ржанов А.В. Электронные процессы на поверхности полупроводников. М.: Наука.

12. Воробьев Л.Е., Ивченко Е.Л., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А. Оптические свойства наноструктур: Учебное пособие. СПб.: Наука. 2001.

13. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства.

Екатеринбург: УрО РАН. 1998.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины История и методология науки и техники Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Дисциплина «История и методология науки и техники» входит в федеральный компонент направления «Функциональные наноматериалы для космической техники» и способствует повышению общего уровня подготовки магистров по указанному направлению.

Цель курса – сформировать у слушателей навыки методологически грамотного осмысления конкретно-научных проблем с видением их в мировоззренческом контексте истории науки.

научить студентов грамотно дифференцировать научное, лженаучное и околонаучное знание в информации о природе и социуме;

способствовать формированию научного мировоззрения;

подготовить к восприятию новых научных фактов и гипотез;

дать студентам основы знаний методологии и е уровней;

способствовать усвоению слушателями знания истории науки как неотъемлемой части истории человечества;

сформировать умение ориентироваться в методологических подходах и видеть их в контексте существующей научной парадигмы.

Тема 1. Образ науки. Наука, ее цели, предмет, функции. Возникновение науки.

Основные этапы исторического развития науки. Понятие о естественнонаучной революции.

Смена естественнонаучных парадигм. Обзор. (2 ч.).

Тема 2. Основные этапы исторического развития науки. Первый этап - из глубины веков до XVI века, зарождение, возникновение. Второй этап – XVI – XVII века. Становление науки. Точка отсчета современной науки. Современный научный метод. Экспериментальная и теоретическая науки (2 ч.).

Тема 3. Третий этап исторического развития науки – XVIII – XIX века – классический период. Фундаментальные открытия в математике, физике, химии, биологии и других науках (2 ч.).

Тема 4. Четвертый этап исторического развития науки – XX век. Неоклассический.

Создание теории относительности и квантовой механики. Теоретические и информационные революции (2 ч.).

Тема 5. Специфика, функции и состав научного знания. Объекты научного знания.

Отличительные черты. Критерии научности. Язык науки. Закономерность роста научного знания (2 ч.).

Тема 6. Дифференциация и интеграция. Основные типы наук. Наука и науки.

Естественные науки. Общественные науки. Математические науки. Междисциплинарные науки. От науки к практике. Наука и производство (2 ч.).

Тема 7. Научные исследования. Типы научных исследований. Фундаментальные исследования. Прикладные исследования. Исследовательские проектно-конструкторские разработки. Эмпирическое исследование. Умозрительное исследование. Теоретическое исследование (2 ч.).

Тема 8. Методология науки. Определение понятия. Цель, предмет и функции методологии науки. Уровни и структура методологического знания. Содержательные и формальные аспекты. Методология в системе наук. Значение методологии для профессиональной деятельности специалиста (2 ч.).

Тема 9. Основные формы научного познания. Понятия научной проблемы, факты, идеи, принципа, гипотезы, закона. Теория как высшая форма организации научного знания.

Структура и типология научных теорий. Основания науки (2 ч.).

Тема 10. Методы научного познания. Классификация методов научного познания.

Характеристика методов эмпирического и теоретического уровней исследования.

Общенаучные подходы. Системный подход как методология познания целостных объектов (2 ч.).

Тема 11. История, развитие и становление техники. Техника и элементы рационального знания. Генезис технического знания. Технические изобретения и открытия.

«Технологические революции». Техника и производство (2 ч.).

Тема 12. Специфика технознания. Методология. Технические науки. Создание теоретических основ. «Классический» период развития. Научно-техническая революция XX века. Основные методы технознания. Экологические проблемы (2 ч.).

Тема 13. История развития электроники. Основные периоды. Роль русских и советских ученых в развитии электроники. Методы, используемые в электронике (2 ч.).

Тема 14. Микроэлектроника. Основные понятия. Создание микроэлектронной аппаратуры. Микроэлектроника – материальная основа индустрии информатики. Специфика методов, применяемых в микроэлектронике (2 ч.).

Тема 15. Информация и информатика. Понятие «информация». Информатизация и компьютеризация. Концепция информационного общества. Информационное обеспечение научного исследования (2 ч.).

Тема 16. История развития и внедрения в производство наноматериалов.

Перспективные наноматериалы и направления нанотехнологии. Материалы на основе наноструктурных элементов: нанокристаллы, нанотрубки, наностержни и их производные ( ч.).

Тема 17. Перспективы развития интегральной электроники и методов исследования наноструктур в XXI веке. (2 ч.).

Основные этапы исторического развития науки.

Научные исследования и их типы.

Стили научного мышления.

Роль гипотезы в научном поиске.

Основные периоды в развитии электроники.

6. Информационно-компьютерная революция и ее философско-методологический анализ.

7. Организационные формы современной науки, их взаимосвязь и динамика развития.

8. Кибернетика и общая теория систем - их роль в изменении стиля научного мышления.

9. Методологические проблемы современной генетики.

10. Идея глобальной целостности мира и ее отражение в современной физике.

11. Взаимосвязь гуманитарных, естественных и технических наук в современном техническом образовании.

12. Утопия как духовный стимул массовых действий. Парадоксы утопического сознания.

13. Человек и техносфера.

14. Современные технологии и перспективные материалы.

15. Нанотехнологии: история развития и основные направления.

16. Современные проблемы нанотехнологий. Перспективы развития.

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Виргинский С.В. Очерки истории науки и техники. М.: 1984.

2. Концепции современного естествознания. Хрестоматия (история науки)./ Гершанский В. Ф., Мозелов А. П. Книга 1 – 2001; Книга 2 – 2003; Книга 3 – 2004. СПб, БГТУ «ВОЕНМЕХ».

3. Козлов Б.И. Возникновение и развитие технических наук. Л.: 1988.

4. Егоров Ю.Л. Методологические проблемы современного научного познания. М.:1993.

5. Методология научного познания. /Гершанский В.Ф. Учебное пособие. Новгород, 6. Электроника: прошлое, настоящее, будущее. /Пер. с англ. Под ред. В.И. Сифирова. – 7. Митрофанов О.В., Симонов Б.М., Коледов Л.А. Физические основы функционирования изделий микроэлектроники. М.: Высшая школа. 1987.

1. Философия и методология науки./Под ред. В.И. Купцова – М.: 1996.

2. В.С. Степин, В.Г. Горохова, М.А. Розов. Философия науки и техники. М.:1995.

3.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ

Карта учебно-методического обеспечения.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Компьютерные технологии в науке и образовании Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Данный курс призван сформировать у магистров физико-математического направления систему знаний, умений и навыков в области использования средств информационных и коммуникационных технологий (ИКТ). Эта важнейшая цель курса обусловлена стратегией развития современного общества на основе знаний и высокоэффективных технологий, что объективно требует внесения значительных корректив в педагогическую теорию и практику, активизации поиска новых и совершенствования имеющихся. В ряду направлений подготовки магистров в системе высшего образования на особом месте находится физикоматематическое направление, обеспечивающее высший уровень фундаментальной подготовки (в области информатики, информационных и коммуникационных технологий) и создающее на этой основе возможность решения педагогических задач, связанных с внедрением средств ИКТ в образование.

Организационно-педагогические цели курса:

создание условий для формирования опыта деятельности при решении образовательных и исследовательских задач в условиях новой образовательной и информационной среды;

формирование условий актуализации нового педагогического мышления на основе расширения общего научного кругозора магистров в области компьютерных и видеокомпьютерных технологий непосредственного включения в практическую деятельность.

Освоение программы курса поможет реализовать следующие задачи:

Методологические: освоение основных путей познания, объяснения и осознания новых сфер знаний;

Информационно-образовательные: расширение круга знаний магистра об основных принципах, законах и методах информатики и системного подхода в обучении;

Определение роли компьютерных и видеокомпьютерных технологий в исследованиях;

Технологические: подготовка магистра к адаптации и освоению лучших достижений в области новых информационных технологий.

Тема 1. Локальные и глобальные компьютерные сети (8 ч.).

Локальные компьютерные сети, технологии и организация доступа. Глобальные компьютерные сети, принципы построения и организация ресурсов и служб, протоколы коммуникаций, электронная почта и ее компоненты. Структуры и тенденции развития программного обеспечения компьютерных сетей.

Тема 2. Инструментальные средства и технологии программирования и создания современных информационных ресурсов, баз данных и знаний (8 ч.).

Информационные ресурсы; гипертекст и гиперссылки; языки программирования:

HTML; гипермедиа, аудио, видео; распределенные базы данных; технология клиент-сервер;

интеграция ресурсов Интернет с распределенными базами данных. Инструментальные средства и технологии программирования, пакеты прикладных программ, компьютерная графика, системы автоматизированного проектирования (САПР).

Тема 3. Использование ЭВМ и сетей в научных исследованиях (9 ч.).

Функциональные задачи АСНИ, классификация АСНИ, виды обеспечения АСНИ, функциональная и системная архитектуры. Модели и методы обработки экспериментальных данных. Представление данных, дискретизация и квантование. Анализ временных рядов.

Адаптивно-мультипликативные модели, цифровой спектральный анализ, ДПФ, БПФ, преобразования Уолша Каруннена-Лоэва, Хаара. Методы проектирования графических и интеллектуальных интерфейсов. Использование современных CASE-технологий для создания и использования АСНИ. Обеспечение информационной безопасности АСНИ.

Языки и методы программирования. Системное и прикладное программное обеспечение АСНИ. Инструментальные средства программирования. Аппаратно-программные средства АСНИ, сбор и первичная обработка данных, интерфейсы. Имитационное моделирование.

Методы и языки описания моделей. Системы моделирования.

Современные технологии разработки распределенных приложений (CORBA, COM, DCOM, OLE DB). Программирование в среде TCP/IP, использование библиотеки Winsock.

Программирование Java-приложений: аплеты, сервлеты, интерфейс доступа к базам данных JDBC. Подход OMG ORB, применение языка IDL, протокола IIOP, сервисов CORBA для интеграции Legacy-систем. Модели и методы оценки надежности и экономической эффективности информационных систем.

Современные информационные технологии в научных исследованиях:

компьютерная литературная проработка текста, библиотечный и патентный поиск; поиск научно-технической информации в Интернет;

автоматизированные системы управления научно-исследовательскими экспериментами и испытаний, системы сбора и обработки данных;

математическое моделирование среды и исследуемых процессов с помощью научно-технических пакетов прикладных программ;

интерпретация научных результатов с помощью технологий виртуальной реальности.

Тема 4. Компьютерные технологии в образовании (9 ч.).

Интернет ресурсы, посвященные образовательным технологиям. Образовательные порталы. Система ресурсных центров. Сайты учебных заведений различных уровней в РФ, ЮФО. Технические средства электронного обучения. Платформы для организации электронного обучения. Классификация систем.

Основные спецификации и стандарты в электронном обучении. Создание электронных учебников и тестирующих систем. Электронные библиотеки, медиатеки и репозитарии.

Модели и стандарты ИТ обучения (IEEE P1484). Архитектура и базовые модели обучающих систем (Learning Technology Systems - LTS). Системные компоненты LTS:

обучающий, учитель, ресурсы обучения, трассивер поведения, система доставки, компонента оценки знаний, протоколы взаимодействия компонент. Использование сетевых технологий, технологий мультимедиа, Web-технологий, агентобазированных технологий для построения современных LTS. Модели психофизиологических аспектов процесса обучения. Языки и средства формализации процесса обучения, системы целей, методов и сценариев обучения, методов тестирования, критериев оценки знаний, показателей процесса обучения.

Семиотические и знание-ориентированные подходы представления ресурсов обучения.

Построение высокоуровневых человеко-машинных интерфейсов с обучающими системами.

Методы и технологии формализации прикладных знаний и проектирования ресурсов обучения. Интероперабельность обучающих систем и их компонент.

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1) Бройдо В.Л., Ильина О.П. «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» М: Питер, 2) Столлингс В. «Передача данных. Классика computer science. 4-е изд.» - BHV –СПб, 3) Топорков С. «Компьютерные сети для продвинутых пользователей» - ДМК Пресс,

НАЦИОНАЛЬНО-РЕГИОНАЛЬНЫЙ

(ВУЗОВСКИЙ) КОМПОНЕНТ

ДИСЦИПЛИНЫ,

УСТАНАВЛИВАЕМЫЕ ВУЗОМ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

Дисциплины Математическое моделирование наносистем Программа составлена профессорами Ревизниковым Д.Л., Красильниковым П.С.

Программа одобрена Заведующий кафедрой _.

«_»_200 г.

Декан факультета «_»_200 г.

Цель курса – изучение и освоение студентами полномасштабного цикла математического моделирования, включающего построение и анализ математической модели, разработку вычислительных алгоритмов и программного обеспечения для компьютерной реализации модели, проведение вычислительного эксперимента, применительно к исследованию нанообъектов и связанных с ними процессов и явлений.

Задачами дисциплины являются освоение современных подходов к математическому моделированию процессов кластерообразования и роста нанокластеров в различных средах, процессов переноса вещества в физико-химических системах, моделированию характерных свойств наносистем, а также овладение студентами навыками разработки компьютерных моделей и проведения на их основе численного исследования.

Необходимой базой для успешного усвоения материала курса является знание основ теоретической физики, высшей математики (линейная алгебра и математический анализ, теория обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных), а также численных методов и компьютерных технологий.

Материал излагается на лекциях, закрепляется на практических занятиях и лабораторных работах, проводимых с использованием персональных компьютеров, а также в процессе самостоятельной работы студентов.

Курс объемом 70 ч (лекции – 36 ч., лабораторные работы – 24 ч., практические занятия – 10 ч., СРС – 70 ч.) читается в 9 и 10 семестрах. Вид аттестации: 9 семестр – теоретический зачет, 10 семестр – экзамен.

Лекции - 38 ч., лабораторные работы - 24 ч., практические занятия - 10 ч., СРС- 70 ч.

Лекция 1 (2ч.). Математическое моделирование как метод описания сложных физикохимических процессов и систем.

Понятие математической модели. Основные стадии создания математической модели.

Иерархический подход. Вычислительные алгоритмы в математическом моделировании.

Компьютерная реализация математической модели. Основные компоненты программного обеспечения. Вычислительный эксперимент. Полномасштабный цикл математического моделирования. Описание физико-химических систем на микроскопическом и макроскопическом уровнях. Представление наносистем континуальными и дискретноэлементными моделями.

Тема 2. Математическое моделирование образования и роста нанокластеров (8 ч, СРС – Лекция 2 (2 ч, СРС – 1 ч). Построение простейшей модели нуклеации.

Термодинамическое описание кластера. Термодинамический потенциал Гиббса маточной среды и кластеризованной фазы. Межфазная поверхностная энергия.

Интенсивность зародышеобразования. Равновесная функция распределения кластеров по размерам.

Кинетическая модель нуклеации.

Лекции 3-4 (4 ч, СРС – 2 ч). Математическое моделирование кластерообразования и роста кластеров в неравновесных условиях.

Понятие активированного комплекса. Неравновесная функция распределения кластеров по размерам. Система уравнений кинетики неравновесной кластеризации.

Преобразование к уравнению диффузии в пространстве размеров. Начальные и граничные условия. Механизмы роста кластерных зародышей. Модель нормального роста.

Интенсивность роста кластеров в свободном объеме. Нуклеация и рост кластеров в нанопорах вещества.

Лекция 5 (2 ч, СРС – 1 ч). Моделирование кластерообразования и роста кластеров на поверхности.

Механизмы роста тонких пленок. Послойный рост, островковый рост, гибридный механизм. Зарождение и рост островков. Поверхностная концентрация островков.

Уравнения кинетики кластеризации. Режим зародышеобразования при малых покрытиях, режим промежуточных покрытий, режимы агрегации, коалесценции и перколяции.

Тема 3. Математическое моделирование переноса вещества в физико-химических Лекция 6 (2 ч, СРС – 1 ч). Построение простейшей математической модели транспортнодиффузионного переноса.

Закон сохранения массы вещества. Механизмы переноса и трансформации вещества в системе. Уравнение переноса в интегральной форме. Уравнение переноса в дифференциальной форме. Основные слагаемые уравнения - нестационарное, транспортное, диффузионное и источниковое. Постановка начальных и граничных условий.

Лекция 7 (2 ч, СРС – 1 ч). Теоретическое исследование модели транспортнодиффузионного переноса. Обобщения модели.

Некоторые аналитические решения уравнения переноса. Перенос из источника с постоянной концентрацией. Перенос из полубесконечного источника. Перенос из конечного источника ограниченной протяженности. Стационарное приближение. Обобщения математической модели переноса вещества. Обобщение на случай переменных коэффициентов. Обобщение на случай пространственной неоднородности.

Лекции 8-9 (4 ч, СРС – 2 ч). Вычислительные алгоритмы реализации модели переноса.

Аппроксимация дифференциальных уравнений. Метод контрольного объема.

Свойство консервативности разностной схемы. Проблемы численной диффузии и численной дисперсии. Первое дифференциальное приближение разностной схемы. Свойство монотонности разностной схемы. Методы монотонизации. TVD – схемы. Расщепление по координатам и по физическим процессам.

Тема 4. Методы теоретического исследования динамики частиц Лекция 10 (2 ч, СРС – 1ч). Метод фазовой плоскости.

Фазовая точка, фазовая плоскость, фазовая кривая как геометрический образ решения дифференциального уравнения на фазовой плоскости. Первый интеграл, однопараметрическое представление семейства фазовых кривых. Фазовые портреты линейного гармонического осциллятора, нелинейного уравнения Дюффинга, уравнения движения материальной частицы в частном случае задачи трех материальных точек Лекция 11 (2 ч, СРС – 1ч). Метод малого параметра.

Представление решения задачи Коши в виде ряда по малому параметру, теорема Пуанкаре. Секулярные члены, неравномерность разложения на асимптотически больших интервалах времени, оценка точности приближения на конечном интервале времени.

Описание движения наночастицы в суперпозиции магнитных и электрических полей.

Лекция 12 (2 ч, СРС – 1ч). Процедура обезразмеривания уравнений движения. Задание малых параметров.

Описание эвристической процедуры выбора класса решений, соответствующих ему характерных размеров фазовых переменных и временных интервалов, характерных размеров параметров уравнений. Приведение уравнений к безразмерному виду. Способы введения малого параметра в уравнения движений: малость постоянных величин задачи, малость временных отношений, малость координат. Описание процедуры введения малых параметров в уравнениях Стокса.

Лекция 13 (2 ч, СРС – 1ч). Метод Линдштедта построения периодических траекторий.

Метод Линдштедта как процедура подавления секулярных членов в рядах решений.

Вариация частоты нелинейных колебаний, изменение масштаба времени, независимость периода колебаний масштабированных уравнений от малого параметра. Вычисление поправок к невозмущенной частоте колебаний.

Лекция 14 (2 ч, СРС – 1ч). Метод усреднения.

Стандартные по Боголюбову системы. Приведение уравнений физической системы к стандартному виду. Принцип усреднения в стандартной системе. Понятие многочастотных систем, быстрые и медленные переменные. Пространственное среднее, временное среднее, теорема о среднем. Принцип усреднения в многочастотных системах. Оценка точности приближения по медленным и быстрым переменным.

Тема 5. Математическое моделирование наносистем с использованием метода Лекции 15-16 (4 ч, СРС – 2 ч). Метод дискретных элементов в задачах математического моделирования сложных физических систем.

Методы описания систем взаимодействующих частиц. Потенциалы взаимодействия.

Потенциалы Леннарда-Джонса, Бэкингэма. Электростатический потенциал. Потенциалы для металлов. Потенциалы для элементов подгруппы углерода. Радиус усечения. Вычисление макроскопических параметров. Осреднение по ансамблю и по времени. Эргодичность.

Лекция 17 (2 ч, СРС – 2 ч). Вычислительные алгоритмы реализации дискретноэлементных моделей.

Общая схема вычислительного процесса. Разностные схемы интегрирования уравнений динамики дискретных элементов. Расчет правых частей. Выбор шага по времени.

Условия устойчивости и достижения необходимой точности. Задание начального состояния.

Лекция 18 (2ч.). Повышение производительности вычислений. Распараллеливание вычислений на многопроцессорных системах.

Многопроцессорные архитектуры. Межпроцессорное взаимодействие. Разделяемая память. Распараллеливание вычислений на программном уровне. Средство параллельного программирования MPI.

Практическое занятие 1. Метод фазовой плоскости (2 ч, СРС - 1 ч, тема 4, лекция 10).

Практическое занятие 2. Метод малого параметра (2 ч, СРС - 1 ч, тема 4, лекция 11).

Практическое занятие 3. Обезразмеривание уравнений движения, задание малых параметров (2 ч, СРС - 1 ч, тема 4, лекция 12).

Практическое занятие 4. Метод Линдштедта (2 ч, СРС - 1 ч, тема 4, лекция 13).

Практическое занятие 5. Метод усреднения (2 ч, СРС - 2 ч, тема 4, лекция 14).

Лабораторная работа 1. Математическое моделирование кластеризации в переохлажденном расплаве (4 ч, СРС – 8 ч, тема 2).

Лабораторная работа 2. Математическое моделирование кластеризации на поверхности подложки (4 ч, СРС – 8 ч, тема 2).

Лабораторная работа 3. Математическое моделирование нестационарных процессов транспортно-диффузионного переноса в пространственно одномерном приближении. (4 ч, СРС – 8 ч, тема 3).

Лабораторная работа 4. Математическое моделирование нестационарного диффузионного переноса в изотропных и анизотропных системах. (4 ч, СРС – 8 ч, тема 3).

Лабораторная работа 5. Математическое моделирование кластерной динамики методом дискретных элементов (4 ч, СРС – 8 ч, тема 5).

Лабораторная работа 6. Математическое моделирование зубчатой передачи на основе нанотрубок (4 ч, СРС – 8 ч, тема 5).

Раздел 3. Учебно-методические материалы по дисциплине 1. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование. М.: Физматлит, 2005.

2. Формалев В.Ф., Ревизников Д.Л. Численные методы. – М.: Физматлит, 2004, 400 с.

3. Гидаспов В.Ю., Иванов И.Э., Ревизников Д.Л., Стрельцов В.Ю., Формалев В.Ф. Под редакцией Пирумова У.Г.. Численные методы. Сборник задач. – М.: Дрофа, 2007, 144с.

4. В.П. Скрипов, В.П. Коверда. Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей. – М.: Наука, 1984, 232 с.

5. И.П. Суздалев. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006.- 592 с.

6. В.Е. Зализняк. Основы вычислительной физики. Часть 2. Введение в методы частиц. – Москва – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»; Институт компьютерных исследований, 2006. – 156 с.

7. Научные основы технологий XXI века. / Под общей редакцией Леонтьева А.И., Пилюгина Н.Н., Полежаева Ю.В., Поляева В.М. – М.: УНПЦ Энергомаш, 2000.

8. К. Оура, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В. Зотов, М. Катаяма. Введение в физику поверхности. – М.: Наука, 2006, 490 с.

9. Н.Н. Моисеев. Асимптотические методы нелинейной механики. Изд-во «Наука», М.,1969.

10. В.Ф. Журавлев, Д.М. Климов. Прикладные методы в теории колебаний. М., «Наука», 11. К.Ю. Богачев. Основы параллельного программирования. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2003, 342 с.

Для выполнения лабораторных работ необходим компьютерный классе, оснащенный необходимым количеством персональных компьютеров (требования по памяти – не ниже Гб, по тактовой частоте процессора – не ниже 1.4 ГГц) с соответствующим программным обеспечением (операционная система, напр. Linux, Windows XP, Windows Vista и т.д., средство программирования, напр. компилятор Fortran, C++, C# и т.д., текстовый редактор для подготовки отчета, напр. TeX, MS Word и т.д.). Эффективность освоения современной техники математического моделирования может быть повышена, если для выполнения лабораторных работ 5, 6 использовать высокопроизводительные рабочие станции.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Физико-химическая кинетика и термодинамика наночастиц Программа составлена доц., к.ф.-м.н. Гидаспов В.Ю.

Программа одобрена обеспечивающей кафедрой _ _ Декан выпускающего факультета _ «_»_200 г.

кул ь- ме- Целью дисциплины является ознакомление студентов с физико-химическими процессами, составляющими основу образования наночастиц в газовых потоках, c методами построения замкнутых, термодинамически согласованных моделей равновесных и неравновесных процессов.

Задачами дисциплины является овладение студентами понятийно-терминалогическими определениями термодинамики, физической химии, методами математического описания и моделирования процессов с химическими и фазовыми превращениями.

Студенты знакомятся с моделями описания термодинамических свойств веществ, газофазных химических превращений, процессов кластеризации и образования наночастиц.

Студенты овладевают основами термодинамики многокомпонентных сред, химической кинетики, кинетики кластерообразования, решения задач расчета химического равновесия, методиками определения равновесных и неравновесных функции распределения кластеров по размерам.

В рамках лабораторных работ студенты знакомятся с алгоритмами и программами, реализующих перечисленные методы и модели, решают задачи из физической химии и термодинамики газовых и кластерных систем.

Материал излагается на лекциях и закрепляется в лабораторных работах с использованием компьютерной техники.

При изучении данного курса требуется знание основ физики, математики, информатики, уравнений математической физики и численных методов.

Перечень лекционных занятий (26 час., СРС 36 час.) Тема 1. (4 час., СРС 8 час.). Краткие сведения из термодинамики и химической кинетики. Что такое наноматериалы. Термодинамика. Начала термодинамики. Принцип равновесия. условия равновесия гетерогенных систем. типы равновесий. условия устойчивости. Правило фаз Гиббса. Термодинамическое равновесие в системе с химическими превращениями.

Тема 2. (6 час., СРС 6 час.). Модели термодинамики и химической кинетики.

Представление термодинамических свойств веществ. Термодинамические функции.

Уравнение состояния. Потенциал Гиббса. Химические реакции. Скорость химических реакций. Связь между кинетикой и термодинамикой. Константа равновесия.

Тема 3. (4 час., СРС 6 час.). Задачи расчета равновесного состава газовых и многофазных смесей. Постановка задачи. Вычисление производных термодинамических функций в состоянии равновесия. Расчет равновесного состава газовых смесей при различных заданных термодинамических величинах. Расчет равновесного течения в сопле.

Тема 4. (4 час., СРС 4 час.). Моделирование химически неравновесных течений.

Уравнения газовой динамики. Простейшие химические реакторы. Реакторы периодического действия. Проточные химические реакторы. Режимы идеального вытеснения и перемешивания.

Тема 5. (4 час., СРС 6 час.). Термодинамическая модель образования наночастиц.

Термодинамика равновесия смеси конденсирующегося пара в смеси с неконденсирующимися компонентами. Термодинамические свойства кластеров.

Поверхностная энергия наночастиц. Задача расчета равновесной функции распределения наночастиц по размерам на кривой насыщения при заданной температуре. Задача расчета равновесной функции распределения наночастиц по размерам при заданных давлении и температуре. Примеры расчетов функции распределения нанокластеров по размерам.

Тема 6. (4 час., СРС 6 час.). Кинетика образования наночастиц в газовых потоках.

Математические особенности решения задач об определении функции распределения нанокластеров по размерам. Связь между константами скоростей прямой и обратной реакций. Кинетика конденсации в чистых парах. Кинетика кластерообразования в смеси с неконденсирующимися газовыми компонентами. Пример моделирования процесса образования нанокластеров.

Каждый студент выполняет 2 четырехчасовые лабораторные работы из ниже приведенного перечня по выбору преподавателя или своему усмотрению:

Лабораторная работа 1. (4 часа, тема 1, СРС 17 часов). Методика восстановления термодинамических свойств газовой и жидкой фазы по табличным данным.

Лабораторная работа 2. (4 часа, тема 2, СРС 17 часов). Расчет равновесной функции распределения кластеров по размерам при. Заданных давлении и температуре.

Лабораторная работа 3. (4 часа, тема 5, СРС 17 часов). Расчет равновесной функции распределения кластеров по размерам при заданных давлении и температуре.

Лабораторная работа 4. (4 часа, тема 6, СРС 17 часов). Исследование процесса образования наночастиц металлов в газовом потоке.

Раздел 3. Учебно-методические материалы по дисциплине Суздалев И.П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. Издательство: КомКнига, 2006, 592 с.

Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: в 4-х томах/Л.В.Гурвич, И.В.Вейц, В.А.Медведев и др. – М.: Наука, 1978.

В.Н.Горбунов, У.Г.Пирумов, Ю.А.Рыжов. Неравновесная конденсация в высокоскоростных потоках газа. – М. Машиностроение, 1984, 200 с.

У.Г. Пирумов. Математическое моделирование в проблемах охраны воздушного бассейна. М. Изд. МАИ, Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник. Том. 1. Динамика физико-химических процессов в газе и плазме. М. Под ред. Г.Г. Черного и С.А. Лосева. Изд.

МГУ, Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник. Том. 2. Физикохимическая кинетика и термодинамика. М. Под ред. Г.Г. Черного и С.А. Лосева. Изд. Центр Мех, При проведении лекционных и лабораторных занятий используются локальная сеть персональных компьютеров под управлением WINDOWS XP, мультимедиа проектор, конспект лекций и описание лабораторных работ на магнитном носителе.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

Дисциплины Наномеханика композиционных материалов Программа составлена д. т. н., профессором Лурье С.А,/Дудченко А. А.

Программа одобрена Заведующий кафедрой _ «_»_200 г.

Декан факультета «_»_200 г.

Цель изучения дисциплины — освоение студентами основ наномеханики. Изучение способов построения расчетных схем композиционных материалов с наночастицами, приобретения навыков в их математической реализации, обеспечивающей определение напряженного и деформированного состояний в конструкциях. Ознакомление студентов с основами новой науки - прикладной наномеханики, для описания особенности деформирования сред с микроструктурами на различных масштабных уровнях – в приложении к нанокомпозитам, нанокристаллическим структурам (сплавам), керамикам и пр.

Центральное место в курсе отводится изучению принципов и методологии построения упругих механико-математических моделей разнообразных материалов, используемых в конструкциях летательных аппаратов.

После изучения курса «Наномеханика композиционных материалов» студент должен знать и уметь использовать:

построение композитных структур с использованием активных наполнителей – углеродных микро- и нано-трубок/наночастиц/нанопластин;

- знать классификации и основы градиентных теорий механики сред, позволяющих учесть спектр локальных когезионных и адгезионных взаимодействий (варианты теории межфазного слоя), реализующихся на границе контакта включение-матрица, и методов учета их влияния на эффективные механические характеристики модифицированных композитов;

- уметь определять существующие ограничения использования таких перспективных материалов в ответственных элементах конструкций в результате разрушения на микро и макро уровнях;

- рассчитывать рациональную структуру материала;

- рассчитывать эффективные механические характеристики материала;

- строить физические соотношения для построенных структур;

- уметь применять слоистые композиты в элементах конструкций с учетом ограничений использования таких перспективных материалов в ответственных элементах конструкций в результате разрушения на микро и макро уровнях.

Семестр 10 (Лекции - 34 ч., практические занятия – 16ч., СРС – 68ч.).

Тема 1. Введение.

(2 ч.) – 1 лекция.

Комплексная задача расчета композиционного материала с наночастицами различимого назначения. Дискретизация и классификация расчетных схем. Краткий исторический очерк развития наномеханики. Место наномеханики в науке нанотехнологии.

Тема 2. Неклассические модели деформирования сред, учитывающие масштабные эффекты.

(6 часов, СРС – 6 часов) – 3 лекции.

Понятия о вариационно-кинематическом методе построения градиентных теорий, моделирование и алгоритм моделирования когезионных и адгезионных взаимодействий;

свойства простейшего варианта теории межфазного слоя; характеристики межфазного слоя, оценка свойств двухкомпонентного фрагмента - модели эффективной матрицы, эффективного включения, эффективного объемного содержания, модель трех фаз, о численных методах в реализации градиентных теорий; приближенные оценки свойств периодических структур с учетом масштабных эффектов. Энергетический метод осреднения, определение эффективных свойств, методы осреднения на основе решения Эшелби, решение Эшелби, матрица Эшелби.

Тема 3. Моделирование масштабных эффектов в механике сплошных сред.

Континуальная теория межфазного слоя. Построение расчетных моделей, описывающих механические свойства нанокомпозитов.

(8 часов, СРС – 6 часа) – 4 лекции Учет длины волокнистых наполнителей при взаимодействии с нано частицами.

Влияние размеров наночастиц на свойства матрицы и межфазного слоя. Влияние свойств адгезии и когезии наночастиц при взаимодействии с составляющими материала на свойства композитов. Построение расчетных моделей для определения эффективных модулей композитов.

Тема 4. Особенности свойств наполненных композитов и их расчет.

(18 часов, СРС – 14 часа) – 9 лекций.

Приложения в механике наполненных композитов с микро- и нано-включениями;

эффект усиления (неусиления) матриц, проблема идентификации параметров модели.

Введение в квантово-механическое моделирование материалов, концепция сравнения потенциалов взаимодействия. Приложения к механике слоистых композитов, пути увеличения сопротивления накоплению повреждений с использованием специальных технологических приемов для современных композитных материалах. Учет влияния ориентации наночастиц на механические свойства композитов. Построение конструктивных моделей расчета эффективных модулей композитов. Квантово-механическое моделирование.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (16 часов, СРС — 20 часов).

Занятие 1-2 (Тема 2, 4 часа СРС – 2 часа): Примеры построения моделей сред с использованием вариационно-кинематического формализма.

Занятие 3-4 (Тема 2, 4 часа СРС – 4 часа): Решение задач. Оценка эффективных свойств периодической структуры с использованием решения Эшелби и матрицы Эшелби для определения свойств наполненных композитов.

Занятие 5-6 (Тема 3, 4 часа СРС – 4 часа): Решение задач. Сравнительная оценка свойств межфазного слоя, определение эффективных характеристик двухкомпонентного фрагмента материала, оценка эффективных свойств периодической структуры, определение коэффициента интенсивности для модифицированных матриц.

Занятие 7-8 (Тема 4, 4 часа СРС – 8 часа): Решение задач. Оценка прочности в слоях слоистой системы с наночастицами и оценка роста поврежденности и разрушения в материале.

Задача 1. (Темы 2 и 3). Решение задачи определения эффективных свойств композита, усиленного короткими включениями нано-трубками.

Построение вариационной двухмерной модели, анализ физической модели и физическая трактовка модулей упругости, ответственных за локальные межфазные взаимодействия. Построение решения методом Власова, определение зависимости эффективных свойств от масштабных эффектов.

Задача 2. (Темы 2 и 3). Определение эффективных свойств наполненных композитов в рамках прикладной теории межфазного слоя с учетом когезионно-адгезионных локальных взаимодействий.

Построение одномерной модели прикладной теории межфазного слоя. Решение для двухкомпонентного фрагмента композита. Анализ эффективных свойств фрагмента в зависимости от объемных содержаний фаз и размеров компонент (анализ неклассических размерных эффектов). Сравнение с классическими зависимостями для эффективных модулей упругости, оценка эффектов усиления жесткости. Получение условий периодичности для периодических структур и нахождение эффективных свойств периодических структур (композитов). Численных анализ эффектов усиления нанокомпозитов.

Задача 3. (Тема 4). Моделирование периодических структур с использованием потенциалов (основы молекулярного моделирования). Пример моделирования эффективных свойств однослойной углеродной нанотрубки.

Моделирование однослойной углеродной нанотрубки (как многократно статически неопределимой стержневой системы) с использованием потенциалов Ленарда-Джонса с учетом ближних и дальних парных взаимодействий.

Раздел 3. Учебно-методические материалы по дисциплине Межслойные эффекты в композиционных материалов/Под ред. Н.Пэйгано. М.: Мир, 1993, 346 с.

Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М., Мир, 1982, 334 с.

Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. М., МГУ, 1984, 336 с.

Эшелби Дж. Континуальная теория дислокаций. М.Изд. Иностр. Лит.1963, Лурье С.А., Белов П.А., Математические модели механики сплошной среды и физических полей. М, Из-во ВЦ РАН, 2000г, 151с.

Лурье С.А. Белов П.А. Теория сред с сохраняющимися дислокациями. частные случаи: среды Коссера и Аэро-Кувшинского, пористые среды, среды с "двойникованием" //Сборник трудов конференции "Современные проблемы механики гетерогенных сред", 2005. С. 235-268.

Устинов, K.Б., Некоторые частные случаи определения эффективных упругих характеристик тел с изолированными неоднородностями. Препринт 715 ИПМ РАН, 2002, 50 стр.

Лурье С.А., Белов П.А. Вариационная формулировка математических моделей сред с микроструктурами //Математическое моделирование систем и процессов, 2006, №14, Пермь. С. 114-132.

Бахвалов Н.С., Панасенко Г.П. Осреднение процессов в периодических средах.

– М.: Наука, 1984, 352с.

Санчес-Паленсия Э. Неоднородные среды и теория колебаний. М., Мир,1984, 472 с.

Образцов И.Ф., Лурье С.А., Яновский Ю.Г., Дудченко А.А. и др. Основы теории межфазного слоя. Механика композиционных материалов и конструкций. Изд. РАН, 2004, Т. 10, №3. С. 596-612.

Волков-Богородский Д.Б., Евтушенко Ю.Г., Зубов В.И., Лурье С.А. Численноаналитический учет масштабных эффектов при расчете деформаций нанокомпозитов с использованием блочного метода мультиполей // Вычислительная математика и математическая физика, 2006, т.46, №7, стр.1318-1337.

Дудченко А.А., Лурье С.А., Шумова Н.П. Структурная модель межфазного слоя для наполненных композиционных материалов. Межотр.н.-т. журнал «Конструкции из КМ». М.: ВИМИ, вып. 3, 2006. С. 3 - Компьютерный класс с установленными программными продуктами COMSOL 3.3, ANSYS 11.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Нанокристаллические и консолидированные материалы Раздел 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ • формирование научных представлений о природе микро- и наноматериалов и связанных с ней особенностях служебных свойств. Основой для достижения поставленной цели является знания и умения, полученные при изучении дисциплин циклов ЕН (физика, высшая математика, физика прочности, пластичности и разрушения) и ОПД (введение в нанотехнологии, технология получения функциональных наноматериалов).

Задачами дисциплины является изучение:

• формирование цельного представления о комплексе физико-химических и механических свойств металлических сплавов и неметаллических наноматериалов.

Знания, умения и навыки, получаемые после освоения дисциплины.

Студент должен знать:

• основные научно-технические проблемы и перспективы развития наноматериалов, их взаимосвязь со смежными областями;

• основные виды и свойства нанообъектов, наноматериалов, приборов и устройств на их основе, типовые технологические процессы получения наноматериалов, а также типовое технологическое оборудование;

• основные принципы и методы разработки новых наноматериалов;

• пути повышения качества, наджности и долговечности наноматериалов, устройств и изделий на их основе.

Студент должен уметь:

• анализировать изменения структуры при компактировании порошков с микро- и нанокристаллической структурой;

• оценивать варианты формирования нанокристаллической структуры в аморфном сплаве на основе теории кристаллизации.

Студент должен иметь навыки:

• применять методы измерений и исследований, включая организацию и проведение стандартных испытаний и технического контроля, обеспечивающих требуемое качество продукции, работать с установками и приборами для проведения физических и химических экспериментов, выбирать и использовать методы анализа материалов и структур;

• анализировать и прогнозировать работоспособность наноматериалов, устройств и приборов на их основе в различных условиях их эксплуатации;

• на основе результатов экспериментов, моделирования и анализа состояния производства планировать и сопровождать технологические процессы получения и обработки материалов;

• применять методы управления технологическими процессами при производстве консолидированных наноматериалов.

Тема 1. Введение (2 ч.).

Консолидированные, объмные наноматериалы. Основные методы получения.

Проблемы формирования консолидированных материалов.

Тема 2. Структура и свойства микрокристаллических и наноструктурных материалов, получаемых при пластической деформации (8 ч.).

Тема 3. Структура и свойства наноматериалов, получаемых компактированием и спеканием порошков (6 ч.).

Тема 4.Кристаллизация аморфных сплавов, типы кристаллизации, устойчивость микрокристаллических быстрозакалнных сплавов (4 ч.).

Тема 5. Структура и свойства нанокристаллических материалов, полученных при превращениях в твердом состоянии (4 ч.).

Тема 6. Квазикристаллы и квазикристаллические выделения в сталях и сплавах (6 ч.).

Тема 7. Композиционные материалы: общая характеристика, механизм взаимодействия компонентов, физико-химическая сущность прочности композиционных материалов, матричные материалы (углеродные, керамические) ( ч).

Формование полимерных композиционных материалов с термореактивной и термопластичной матрицей.

Тема 8. Методы исследования наноматериалов (4 ч.).

Тема 9. Консолидированные наноматериалы для авиационно-космических систем (4 ч.).

Свойства, разновидности. Перспективы направления разработки новых консолидированных материалов.

1. Основа кристаллизации аморфных сплавов (4 ч.).

1. Исследование структуры и свойств аморфных материалов (4 ч.).

2. Исследование механических свойств и структуры композитных материалов с углеродной матрицей (4 ч.).

3. Исследование структуры и свойств нанокомпозита на основе керамике (4 ч.).

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Ковнеристый Ю.К. Объмно-аморфизирующиеся металлические сплавы. – М, :Наука.

2. Гусев А.А. Нанокристалличнеские материалы. – М.: Физматлит: МАИК Наука, 2001.

3. Фаткулин О.Х., Строгонов Г.Б., Ильин А.А. и др. Металловедение и технология быстро закалнных сплавов. – М. Изд. МАИ, 2007 г. Книга 1, с. 362; книга 2, с. 779.

4. Мелешко А.И., Половников С.П. Углерод. Углеродные волокна. Углеродные композиты. М: «Сайнс – пресс», 2007, с.189.

3.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ

1. Компьютерные программы, моделирующие процессы кристаллизации.

2. Планшеты, иллюстрирующие практическое использование материала с ультрадисперсной структурой.

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Механика гетерогенных сред Цель изучения дисциплины — освоение студентами магистратуры основ механики гетерогенных сред как основы для последующего изучения прикладных дисциплин, входящих в программу подготовки магистра по направлению «Нанотехнология» с профилем подготовки «Функциональные наноматериалы для космической техники».

После изучения курса «Механика гетерогенных сред» студент должен знать и уметь использовать:

эйлеров и лагранжев методы описания движения сплошных сред, находящихся в различном агрегатном состоянии;

различные типы внутренних связей в гетерогенных средах и методы их задания;

ньютонов, лагранжев и гамильтонов методы построения уравнений движения гетерогенных сред;

основы геометрического подхода к описанию свойств гетерогенной сплошной среды с дефектами различного типа;

методы редукции сложных моделей гетерогенных сред к упрощенным инженерным моделям.

Курс «Механика гетерогенных сред» является фундаментальной научной дисциплиной при подготовке специалистов в области материаловедения, в том числе получения композиционных наноматериалов для космической техники.

Основой усвоения студентами данного курса являются знания, полученные ранее при изучении следующих дисциплин программы бакалавриата:

линейной алгебры и математического анализа;

обыкновенных дифференциальных уравнений и дифференциальных уравнений в частных производных;

вариационного и операционного исчисления;

теоретической механики и аналитической динамики систем материальных точек.

Курс основан на современных достижениях общей механики и механики сплошных сред с дефектами различного типа. Сформулированные цели курса достигаются в процессе чтения лекций, проведения семинаров и при выполнении расчетной работы. Объем аудиторных занятий составляет 52 ч., в том числе лекций – 36 ч., практических занятий – ч. в 11 семестре. Итоговая аттестация – экзамен.

Контроль знаний осуществляется в соответствие с рейтинговой системой, выполнением расчетной работы, а также сдачей экзамена.

Раздел 2. Содержание дисциплины Тема 1 (2 ч.). Основные сведения из тензорной алгебры. Основные сведения из тензорного анализа Тензорное произведение линейных пространств. Ковариантный и контравариантный базис. Тензоры. Координаты тензоров. Евклидово пространство. Скалярное произведение.

Метрический тензор. Симметрирование и альтернация тензоров. Дискриминантный тензор.

Векторное произведение. Инварианты, главные направления и главные значения тензоров.

Физические компоненты тензоров. Аффинное пространство. Тензорное поле.

Криволинейные координаты. Ковариантное дифференцирование. Свойства ковариантных производных. Символы Кристоффеля. Римановы пространства. Тензор кривизны.

Интегрирование тензоров. Дифференциальные операторы и интегральные теоремы.

Тема 2 (2 ч.). Лагранжев метод описания движения сплошной среды.

Определение сплошной среды. Предельный переход от системы материальных точек к сплошной среде. Закон движения. Вектор перемещения. Переменные Лагранжа. Лагранжев подход к описанию движения сплошной среды. Вектор скорости. Вектор ускорения.

Тема 3 (2 ч.). Эйлеров метод описания движения сплошной среды.

Переменные Эйлера. Метод Эйлера описания движения сплошной среды.

Эквивалентность подходов Эйлера и Лагранжа. Индивидуальная производная тензорного поля в эйлеровых переменных.

Тема 4 (2 ч.). Деформированное состояние сплошной среды.

Деформированное состояние в точке сплошной среды. Относительное удлинение и угловая деформация. Тензоры деформации Грина и Альманси. Тензоры дисторсии. Вектор вращения в точке сплошной среды. Связь тензоров деформации и вектора перемещения.

Тензор малых деформаций. Геометрический смысл компонент тензоров деформаций.

Тема 5 (2 ч.). Скорости деформаций.

Тензор скоростей деформаций. Соотношения Стокса. Геометрический смысл компонент тензора скоростей деформаций. Связь тензора скоростей деформаций с тензором деформаций и вектором скорости. Тензор скоростей малых деформаций. Инварианты тензоров деформаций и скоростей деформаций.

Тема 6 (2 ч.). Сплошная среда как механическая система с внутренними связями.

Соответствие между моделями механики системы материальных точек и механики сплошной среды. Внутренние связи 1, 2, 3, 4 рода. Уравнения внутренних связей. Связи вектора перемещения и тензора деформации, вектора скорости и тензора скоростей деформаций как внутренние связи 1 и 2 рода.

Тема 7 (2 ч.). Условия совместности и несовместности в механике гетерогенной среды.

Гомогенная среда как область евклидова пространства. Условия совместности конечных и малых деформаций как условия отсутствия кривизны пространства. Условия несовместности деформаций. Тензор плотности дислокаций и его связь с тензором кривизны пространства. Условия совместности и несовместности как внутренние связи 3 рода.

Тема 8 (2 ч.). Вариационные принципы механики систем с внутренними связями.

Реакции внутренних связей в сплошной среде. Тензор напряжений. Уравнения движения сплошной среды Вариационный подход к описанию движения сплошной среды. Вариационные принципы Лагранжа, Даламбера-Лагранжа, Гамильтона-Остроградского. Различие постановки задач для свободных систем и систем с внутренними связями. Вариационная задача нахождения условного экстремума функционала. Метод множителей Лагранжа.

Вариационная постановка задачи описания движения сплошной среды в переменных 1 или рода. Тензор множителей Лагранжа. Уравнения движения сплошной среды в переменных 1 и 2 рода. Уравнение неразрывности. Постановка начально-краевой задачи. Тензор множителей Лагранжа как мера реакций внутренних связей в сплошной среде. Тензор кинетических напряжений.

Тема 9 (2 ч.). Напряженное состояние в точке сплошной среды. Инварианты тензора напряжений.

Тензор напряжений в эйлеровых переменных. Механический смысл компонентов тензора напряжений. Симметрия тензора напряжений Коши. Несимметрия тензора напряжений Коссера. Тензор моментов. Инварианты тензора напряжений. Главные напряжения и главные площадки. Шаровой тензор и девиатор напряжений.

Тема 10 (2 ч.). Определяющие соотношения в механике сплошных сред.

Незамкнутость механических систем. Понятие об определяющих параметрах.

Пространство состояний. Полная и внутренняя энергия системы. Закон сохранения энергии.

Уравнение притока тепла. Локальная и интегральная формы уравнения баланса энтропии.

Свободная энергия системы. Уравнение изменения свободной энергии.

Тема 11 (2ч.). Замкнутые системы механики сплошных сред. Обратимые процессы.

Обратимые процессы. Необходимые условия обратимости. Энтропия. Принцип неубывания энтропии. Замкнутые системы механики сплошной среды. Определяющие соотношения (на примере функционала свободной энергии). Идеальная жидкость. Вязкая жидкость. Упругая среда Коши. Упругая среда Коссера.

Тема 12 (2 ч.). Лагранжева механика сплошных сред. Уравнения Лагранжа 2 рода.

Распространение уравнений Лагранжа второго рода на механику сплошной среды.

Уравнения Лагранжа 2 рода в переменных 1 и 2 рода. Выражение компонентов тензора кинетических напряжений через плотность функции Лагранжа. Уравнения Лагранжа 2 рода в переменных 3 рода и их приложение к теориям дислокаций и пластических деформаций.

Тема 13 (2 ч.). Гамильтонова механика сплошных сред. Квазиканонические уравнения Гамильтона. Понятие о геометрической механике. Модель среды с источниками внутренних напряжений.

Метод Гамильтона описания движения механических систем. Функция Гамильтона.

Тензор плотности функции Гамильтона. Квазиканонические уравнения движения элемента сплошной среды и их вывод на основе принципа Гамильтона-Остроградского. Постановка начально-краевых задач. Естественные краевые условия. Обобщенные импульсы, их плотность и физический смысл. Геометрия деформируемой гетерогенной среды как геометрия пространства с кривизной. Связь механики гетерогенных сред и общей теории относительности. Постановка начально-краевой задачи движения сплошной среды относительно тензора энергии-импульса. Условия сохранения энергии-импульсов. Механика сплошной среды с внутренними источниками напряжений.

Занятие 1 (2 ч., тема 1). Основы тензорной алгебры. Метрический тензор. Основы тензорного анализа. Ковариантное дифференцирование Занятие 2 (2 ч., темы 2, 3). Закон движения, вектора перемещения, скорости и ускорения сплошной среды. Эквивалентность подходов по Эйлеру и Лагранжу.

Занятие 3 (2 ч., темы 4, 8, 9). Тензоры деформаций Грина и Альманси. Малые деформации.

Геометрический смысл компонент тензоров деформаций. Компоненты вектора напряжения.

Тензор напряжений. Инварианты тензора напряжений. Главные напряжения и главные площадки Занятие 4 (2 ч., темы 8, 11, 13). Уравнения движения среды Коши. Уравнения движения среды Коссера. Уравнения движения сплошной среды с сохраняющимися дислокациями.

Расчетная работа состоит из 3 задач.

1. Изучение движения сплошной среды с помощью подходов Эйлера и Лагранжа.

2. Уравнения неразрывности и уравнения движения сплошной среды в эйлеровых переменных в криволинейной системе координат.

3. Вариационная постановка одномерной начально-краевой задачи механики гетерогенной среды на основе Лагранжева и Гамильтонова методов.

Раздел 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ 1. Горшков А.Г., Рабинский Л.Н., Тарлаковский Д.В. Основы тензорного анализа и механика сплошной среды. Учебник для вузов. – М.: Наука, 2000. – 216 с 2. Кильчевский Н.А. Основы тензорного исчисления с приложениями к механике. – Киев: Наукова думка, 1972. – 148 с 3. Кильчевский Н.А. Курс теоретической механики. – М.: Наука, 1977. Т.2. – 544 с 4. Седов Л.И. Введение в механику сплошной среды. – М.: ГИФМЛ, 1962. – 284 с 5. Седов Л.И. Механика сплошной среды. – М.: Наука, 1970. Т. 1. – 492 с 6. Кильчевский Н.А., Кильчинская Г.А., Ткаченко Н.Е. Аналитическая механика континуальных систем. – Киев: Наукова думка, 1979. – 188 с 1. Арнольд В.И. Математические методы классической механики. – М.:. Эдиториал 2. Схоутен Я.А. Тензорный анализ для физиков. – М.: Наука, 1965.

3. Кунин И.А. Теория упругих сред с микроструктурой. – М.: Наука, 1975. – 416 с.

ДИСЦИПЛИНЫ ПО ВЫБОРУ

СТУДЕНТА, УСТАНАВЛИВАЕМЫЕ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ПРОГРАММА

дисциплины Волновые процессы в гетерогенных наноструктурных средах Цель изучения дисциплины — изучение студентами магистратуры основ нестационарной динамики сплошных сред классического типа, сред с нелокальным взаимодействием и сред, содержащих низкоразмерную структуру. Знания, приобретаемые при изучении дисциплины, требуются для последующего освоения прикладных дисциплин, входящих в программу подготовки магистра по направлению «Нанотехнология» с профилем подготовки «Функциональные наноматериалы для космической техники».

После изучения курса «Волновые процессы в гетерогенных наноструктурных средах»

студент должен знать и уметь использовать:

основные особенности развития волновых процессов в различных сплошных средах;

особенности нестационарного напряженно-деформированного состояния в сплошных средах, содержащих низкоразмерные структуры.

Студент должен уметь:

осуществлять постановку задачи механики сплошной среды при нестационарном внешнем воздействии;

применять численные, численно-аналитические и аналитические методы исследования нестационарного напряженно-деформированного состояния в сплошных средах.

Курс «Волновые процессы в гетерогенных наноструктурных средах» является фундаментальной научной дисциплиной при подготовке специалистов в области материаловедения, в том числе получения композиционных наноматериалов для космической техники.

Основой усвоения студентами данного курса являются знания, полученные ранее при изучении следующих дисциплин программы бакалавриата:

линейной алгебры и математического анализа;

обыкновенных дифференциальных уравнений и дифференциальных уравнений в частных производных;

вариационного и тензорного исчисления;

теоретической механики и аналитической динамики систем материальных точек.

Курс основан на современных достижениях механики сплошных сред и волновой динамики. Сформулированные цели курса достигаются в процессе чтения лекций, проведения семинаров и при выполнении расчетной работы. Объем аудиторных занятий составляет 52 ч., в том числе лекций – 36 ч., практических занятий – 16 ч. в 11 семестре.