«¬¤ ¤’ ”¤’ ¬ ”  XXI ¬  Интернет-форум магистрантов ВУЗов России 26-27 января 2006 года Выпуск 4 Тамбов 2006 УДК 04 ББК Я43 Н 72 Ответственный за выпуск – к.х.н., доц., зав. отделом магистратуры и бакалавриата Корчагина ...»

500 г ацетета натрия растворяется в небольшом количестве дистиллированной воды с добавлением 20 мл ледяной уксусной кислоты и добавляется до 1000 мл водой; фенилантраниловая кислота, 0,03%-ный раствор:

растворяется 0,03 г индикатора в 10 мл воды, содержащей 0,3 г карбоната натрия, и разбавляется до 10 мл водой; индикатор устойчив более месяца; кристаллический фиолетовый, 0,05 % - ный раствор.

Методика определения разновалентного марганца основана на титровании ионов двух- и трехвалентного марганца стандартным раствором перманганата калия с амперометрической индикацией.

В качестве индикаторного электрода применялся вращающийся платиновый микроэлектрод. В качестве электрода сравнения применяли каломельный электрод с насыщенным раствором хлорида калия (НКЭ).

Для амперометрического титрования отбирается аликвотная часть (2-5) от приготовленного раствора, помещается в стакан емкостью 50 мл, затем добавляется фоновый электролит до 25 мл. Стакан с содержимым устанавливается на столик прибора. Затем опускается платиновый электрод, агар-агаровый ключ, включается мотор, вращающийся электрод и титруется стандартным раствором титранта из микробюретки при наложении соответствующей внешней э.д.с..

Титрование железа и марганца проводилось на волне окисления железа (II), при потенциале 1В., никеля по волне окисления трилона Б, а меди без наложения э.д.с. или при 0,4. После разложения навески обычными методами все железо находится в виде трехвалентного, а марганец в виде двухвалентного.

Количественное определение железа проводилось титрованием стандартным раствором сульфата церия (IV) после восстановления железа (III) металлическим висмутом.

Точка эквивалентности находилась графически.

Марганец количественно определяется титрованием солью Мора после переведения марганца (II) в перманганат-ион. При этом определению марганца не мешают никель, железо и медь. Эквивалентный объем находится аналогично определению железа-графически. Содержание марганца вычисляется по формуле где ТсолиМора/Mn – титр раствора соли Мора по марганцу, г. марганца в 1 мл раствора;

V солиМора – объем соли Мора, пошедший на титрование, мл;

250 – общий объем раствора, мл ;

Va – объем аликвоты, мл;

100 – пересчет в проценты;

m – масса навески, г.

Амперометрическое титрование никеля проводится стандартным раствором трилона Б на фоне ацетатного буфера по волне окисления титранта. Эквивалентный объем определяется графически. Содержание никеля рассчитывается по формуле мл;

Va – объем аликвоты, мл;

250 – общий объем раствора, мл;

100 – пересчет в проценты;

m- масса навески, г.

Титрование меди проводится иодометрически с амперометрической индикацией точки эквивалентности с графическим определением эквивалентного объема тиосульфата, пошедшего на титрование иода, выделившегося после добавления иодида калия к аликвоте испытуемого раствора. Содержание меди и железа определяли аналогично.

Проверка величины атомного процента компонентов проводилась расчетом на основании данных химического анализа по следующей формуле где А – весовой процент меди;

B – весовой процент никеля;

С – весовой процент марганца;

D – весовой процент железа;

a – атомная масса меди (63.54);

b – атомная масса никеля (58.71);

с – атомная масса марганца (54.94);

d – атомная масса железа (55,85).

Проведенный анализ оксидного полупроводника показал, что точность разработанного метода по сравнению с общим химическим анализом выше на 10-15 %, а скорость проведения исследования в 2-2,5 раза выше.

1. Аналитическая химия. Бусев А. И., Иванов В. М. М., «Наука», 1973, стр. 264.

2. Аналитическая химия марганца. Лаврухина А. К., Юкина Л. В. М., «Наука», 1974, стр. 220.

3. Амперометрическое титрования. Сонгина О. А., Захаров В. А. М., «Химия», 1979, стр. 304.

ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

СУЛЬФИДА СВИНЦА

Работа выполнена под руководством к.т.н., доцента Попова В. Ф.

Среди полупроводниковых соединений типа AIVBVI наиболее изученными являются халькогениды свинца. Как узкозонные полупроводники они давно применяются в качестве детекторов инфракрасного (ИК) излучения. В наших исследованиях мы занимаемся изучением свойств сульфида свинца.

Данное соединение кристаллизуется в кубической структуре типа NaCl. Химические связи в кристаллах не являются чисто ионными, но характеризуются ярко выраженной ионной составляющей. Электрические свойства сульфида свинца во многом определяются отклонением от стехиометрии, которое при определенных условиях синтеза и термообработки соединений достигает значений порядка 10-3 ат. долей.

Семейство халькогенидов свинца отличается от большинства полупроводников необычной температурной зависимостью ширины запрещённой зоны. Так, например, у сульфида свинца ширина запрещённой зоны возрастает с повышением температуры, то есть на лицо ярко выраженный рост температурного коэффициента Э (рис. 1), что в определённой степени служит гасящим фактором темновой проводимости, неизбежно возникающей при нагреве полупроводника.

Рис. 1. Температурная зависимость ширины запрещённой зоны PbS В настоящее время на основе сульфидов свинца создаются многие типы детекторов излучения, область чувствительности которых расположена в ближней ИК и видимой областях. С целью расширения диапазона принимаемого излучения детекторами на базе сульфидов свинца используют различные способы изменения его энергии активации. Одним из перспективных - является повышение в структуре полупроводника на основе PbS содержание оксидных фаз PbO, PbSO4.

Аналитические расчёты и результаты множества экспериментов [1], показали, что в полупроводниках PbS с малой концентрацией оксидных фаз фотопроводимость мала, и начинает расти, когда содержание PbO и PbSO4 увеличивается. Также доказано [2], что в халькогенидах величина проводимости влияет на энергию активации полупроводника.

Для подтверждения теоретических выводов в рамках настоящего исследования разработана методика окисления PbO методом нагрева (отжига) и длительной выдержки на воздухе порошкообразного соединения.

Отжиг порошка проводился в керамическом тигле при температуре 350С. В результате эксперимента были получены несколько партий порошка с различным временем отжига, из которых прессованием и спеканием в угольной засыпке в парах серы получали объёмные образцы PbS. На образцы методом вжигания серебряной пасты наносились контактные площадки.

С целью определения влияния отжига на энергию активации PbS по зависимости электросопротивления от температуры были рассчитаны значения энергии активации образцов с различным временем отжига рис.

Рис. 2. Зависимость энергии активации PbS от времени отжига Анализ приведенных выше результатов свидетельствует, что величина концентрации оксидных фаз в пленках сульфида свинца определяет процесс формирования в них различных по величине рекомбинационных и дрейфовых барьеров, которые, в свою очередь, определяют величину темновой проводимости и фотопроводимости пленки, а также их поведение при изменении температуры. Также можно сделать вывод о том, что посредством отжига PbS существует возможность уменьшения его энергии активации, что позволяет смещать область максимальной чувствительности детекторов в длинноволновую область.

1. Алёшин, А.Н. Фотоэлектрические свойства сульфида свинца с различным потенциальным рельефом зон: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Одесса 2000. 18с.

2. Поляков, Е.В. О механизме проводимости халькогенидов / Е.В.

Поляков, Ю.А. Брусенцов, А.М. Минаев // Труды ТГТУ: сб. науч. статей молодых учёных и аспирантов.- Тамбов, 2003.- Вып. 13.- С.242-245.

Кудрявцев С. И., Кузьмин А. Ю., Поляков Е. В.

РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ

ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Работа выполнена под руководством, к.т.н., доц. Тялиной Л.Н.

Для регистрации инфракрасного (ИК) излучения в настоящее время используются многие типы первичных измерительных преобразователей (ПИП), которые создают на основе различных материалов. Среди них наиболее распространёнными являются узкозонные сплавы КРТ (кадмий-ртуть-теллур) и СОТ (свинец-олово-теллур), поскольку обладают высокой селективной чувствительностью к инфракрасному излучению.

Тем не менее, возможность их применения ограничена весьма узким диапазоном принимаемого излучения, а также технология производства связана с использованием в высшей степени ядовитых и взрывоопасных материалов. Поэтому в настоящее время проблема поиска новых, более технологичных материалов, обладающих достаточной чувствительностью к электромагнитному излучению, остаётся актуальной. В рамках данной проблемы в работе были изучены свойства различных систем элементов, на основе которых существует возможность получения детекторов лучистых потоков малой энергии.

Сплав Cd1-хSnxS оказался наиболее перспективным для применения в этой области, что подтвердили исследования его свойств [1],[2].

На основе этого сплава разработана конструкция ПИП, подтверждённая патентом на изобретение [3].

Конструкция преобразователя представляет собой фоторезистивную матрицу в виде керамической подложки с тонкопленочными ПИП, каждый из которых выполнен из сплава Cd1-хSnxS с различной концентрацией легирующего компонента. С целью компенсации влияния темновых токов каждый ПИП дублирует аналогичный пленочный элемент, закрытый от излучения экраном. Это позволяет фиксировать темновой ток и учитывать его в процессе измерения.

Основными преимуществами разработанного ПИП являются возможность компенсации влияния темновых токов и расширение диапазона принимаемого излучения за счет создания ряда селективно работающих ПИП, область чувствительности которых совокупно охватывает заданный диапазон ИК излучения. В соответствии с проведенными исследованиями установлено, что на основе рассматриваемого сплава существует возможность создания преобразователя для работы в диапазоне 5… мкм.

В рамках проводимых исследований разработана микропроцессорная система контроля спектральной плотности ИК излучения, в которой в качестве ПИП используется описанный ранее преобразователь (рис. 3).

На рис. 6 представлена схема микропроцессорной системы. Функционально ее можно разделить на несколько частей: ПИП в виде матрицы тонкопленочных фоточувствительных элементов на основе сплава Cd1-хSnxS, блок компенсации и блок преобразования измерительной информации.

Для преобразования измерительной информации микропроцессорная система содержит коммутатор 6, второй усилитель 7, предназначенный для усиления сигнала с коммутатора до нормированного уровня аналогоцифрового преобразователя (АЦП) 8, микропроцессор 9 и блок управления 11 для ввода параметров и программы в память микропроцессора с последующим отображением на дисплее 10.

Рис. 1. Структурная схема микропроцессорной системы контроля 1 – модулятор; 2 – резистивная матрица; 3 – источник напряжения; 4 – катодный повторитель; 5 – узкополосный усилитель; 6 – коммутатор; 7 – второй усилитель; 8 – АЦП; 9 – микропроцессор; 10 – индикатор; 11 – блок управления Измерительная система работает следующим образом. С блока управления вводится программа, составленная в соответствии с алгоритмом обработки информации. Тестовыми сигналами проверяется правильность работы прибора. Поток излучения с заданной модулятором 1 частотой попадает на ПИП 2. Опрос матрицы производится с помощью команд по заданной программе. Для усиления сигнала, возникающего на ПИП при его освещении, используется многополосный программируемый усилитель 5 с малым уровнем собственных шумов. Для согласованной работы усилителя с низкоомным входом и ПИП с высоким номинальным сопротивлением в цепь включен катодный повторитель 4. Напряжение с ПИП поступает на управляемый микропроцессором 9 коммутатор 6, который поочередно подключает ячейки ПИП излучения, предназначенные для работы в разных диапазонах ИК-спектра. Усиленное до нормированного уровня напряжение поступает на АЦП 8, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой код, передающийся в микропроцессор 9, где по программе, составленной в соответствии с алгоритмом работы системы, происходит расчет значения фототока в соответствии с законом Ома.

Результаты записываются в оперативную память микропроцессора и затем вызываются оператором на индикатор 10 в любое время после окончания измерения.

Программное обеспечение разработанного микропроцессорного устройства представлено на основе алгоритма работы микропроцессорной измерительной системы (рис. 7).

Рис. 2. Блок-схема алгоритма работы микропроцессорной системы В начале работы микропроцессорной системы производится сканирование по адресам фоторезистивной матрицы: Ф(j). Следующим этапом работы алгоритма, после обеспечения его цикличности происходит измерение фототока в цепи соответствующего ПИП, и сравнивание его с пороговым значением ( I ф i I ф.п i ). Система в случае «ДА» производит формирование цифрового кода N. На заключительном этапе работы программы производится индикация результатов измерения в виде цифрового кода и максимального значения фототока на одном из ПИП резистивной матрицы. В случае «НЕТ» действия алгоритма ограничиваются формированием цифрового кода.

Распределение по спектру плотности излучения любых тел характеризуется плавной кривой, имеющей один максимум и спадающий до нуля при изменении длины волны к нулю или бесконечности. В каждом случае преобладание в спектре какой-либо волны соответствует конкретному значению спектральной плотности лучистого потока, значения которой являются справочными величинами.

С целью повышения точности измерений в работе проведена метрологическая оценка результатов измерений, которая показала, что в диапазоне длин волн 9…16 мкм суммарная погрешность измерения значений фототока составляет 30 %. В рабочем интервале для ПИП излучения на основе сплава Cd1-хSnхS погрешность измерения ±3 %.

1. Е. В. Поляков, Ю. А. Брусенцов, А. М. Минаев. Использование сплава CdxSn1-xS в детекторах электромагнитных излучений инфракрасного и видимого спектров. Вестник Тамбовского государственного технического университета.- 2001.-Т. 7, №1.- С. 101-105.

2. Поляков Е. В. Брусенцов Ю, А, Минаев А. М. Воленко Е. А. Получение тонких плёнок сульфида олова методом вакуумного испарения/ Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых учёных и студентов.

Вып. 9. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2001. 184 с 3. Пат. 2189667 Российская Федерация, МПК 7Н 01 L 31/09, 31/115, G 01 T 1/24, Первичный измерительный преобразователь ультрафиолетового и гамма-излучений, осуществляющий компенсацию погрешностей, вызванных влиянием темновых токов / Поляков Е.В., Брусенцов Ю.А., Пручкин В.А., Минаев А.М., заявитель и патентообладатель Тамбовский гос. техн. ун-т.- 20001116410/28; заявл. 21.06.00; опубл. 21.09.02, бюл.

№26 (II ч.).- С.448-449.

ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА БАЗЕ МЕДНОГО ПОРОШКА,

АРМИРОВАННОГО УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Шелохвостова В. П.

Порошковые материалы являются одним из перспективных материалов в современном машиностроении. Гибкая технология, позволяющая создавать изделия весьма сложной формы, сравнительная простота используемого оборудования и оснастки, низкая себестоимость процессов – вот далеко не полный перечень преимуществ данного метода создания деталей конструкций и механизмов. В этой связи представляется особо перспективным путь создания порошковых металлических материалов, дополнительно армированных нанотрубками дл получения конструктивных элементов, обладающих новым набором эксплутационных характеристик.

Нанотрубки получались методом каталитического пиролиза метана, в котором возможно реализовать гибкое и раздельное управление условиями образования нанотрубок.

В качестве катализатора использовался порошок никеля, который образуется находился в реакторе на кварцевом поддоне, установленном на весах (Рис.1). Время разогрева реактора составляло 40 мин. Далее при температуре 600 С происходит пиролиз углеводорода, образование на частицах металла нанотрубок. Отработанный газ затем выводился из реактора. Время протекания процесса при рабочей температуре составляло 1 час.

Для изготовления образцов использовался медный порошок с дисперсностью 0,1 мм. Его смешивали с нанотрубками в различных весовых соотношениях в контейнере, выполненном из фторопласта (рис.2), содержащем мелющие тела, представляющие собой шарики диаметром мм, выполненные из меди.

Рис. 2. Контейнер для смешивания медного порошка и нанотрубок Процесс смешивания осуществлялся на установке «Турбула»

(рис.3). Время смешивания составляло1,2,3 часа. Данная установка позволяет эффективно производить смешивание сыпучих тел различного размера и происхождения благодаря тому, что переворачивание контейнера осуществляется в различных плоскостях.

Затем приготовленная смесь извлекалась из контейнера и на следующем этапе происходил процесс прессования образцов в специальной пресс-форме, состоящей их матрицы 1, и двух пуансонов. Прессование осуществлялось на гидравлическом прессе c давлением 3·10 Па.

Изготовленные образцы диаметром 16 мм и высотой 5 мм подвергались спеканию в вакуумной печи при низком вакууме ~1 Па.

Рис. 3. Пресс-форма для прессования образцов Спекание проводилось при температуре 800 С в течении 3 часов.

В результате получались образцы новых материалов для дальнейших исследований.

1. Либерсон Г. А. Процессы порошковой металлургии: В 2 Т:

Учебник для вузов, Т.2: Формования и спекание./ Г.А. Либерсон, В.Ю.

Лопатин, Г.В. Комарницкий. – М.:МИСИС, 20001, 320с., ил.

2. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований./ Под. Ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса. Пер. с англ. – М.: Мир 2002. – 292 с., ил.

УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ

ГИДРИРОВАННЫХ ПОЛУПРОВОДПИКОВЫХ ПЛЕНОК

МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Попова В. Ф.

Аморфные пленки кремния, полученные методом плазменного напыления в вакууме, по - видимому, всегда характеризуется высокой плотностью состояний в запрещенной зоне и в частности, на уровне Ферми. Главным свидетельством в пользу этого является наблюдение прыжкового механизма проводимости с переменной длиной прыжка и небольшой величиной числа термо - ЭДС, что в обоих случаях указывает на перенос по состоянию на уровень Ферми. Только при высоких температурах оказывается возможным возбуждение носителей в зоне, что свидетельствует о том, что энергия активации постепенно Рис. 1. Схемотическое изображение дефектов в аморфном кремнии приближается к значению равному половине оптической щели [1], тот эффект связывают с наличием оборванных связей в аморфном кремнии (рис. 1.) Если ввести водород в пленки, полученные напылением в вакууме или катодным распылением, в ходе приготовления пленки или путем последующего внедрения атомарного водорода, то представляется возможным уменьшить сигнал прыжковой проводимости эксперимента.

Водород присоединяется к неспаренным орбиталям, образуя состояние, лежащие в глубине запрещенной зоны.

Рассмотренное распределение состояний в запрещенной зоне кремния нуждается в экспериментальном подтверждении. Для этого была создана экспериментальная установка (Рис. 2.).

1 - блок питания; 2 - электролизер; 3 - винтель; 4 - контур очистки воды;

5 - нагревательный элемент; 6 - холодильник; 7 - балон с аргоном; 8 - редуктор;

9 - датчик давления аргона; 10 - винтель; 11 - смесительная камера; 12 - винтель;

13 - датчик давления водорода; 14 - пьезоэлектрический клапан;

Электролизёр 2 представляет собой 2 ёмкости разделённые перегородкой, заполненные 10% раствором KOH. При включении блока питания 1 на катоде выделяется водород, который через винтель 3 подаётся в блок очистки, состоящий из колбы с водой, служащей для осаждения примесей. Далее газ поступает в пустую колбу, в которой осажаются частички воды, дальше находится колба с селикогелем для окончательной очистки. Чтобы полностью отделить пары воды от газа, поднимается точка росы газа. Для этого газ нагревается в кварцевой трубке 5 и далее на стенках медного змеевика, охлаждаемого сухим льдом, выпадают оставшиеся пары воды. На выходе из змеевика установлен датчик давления 13. Для создания рабочей смеси газа служит герметичный баллон из стали Х18Н10Т 11. для контроля и регулировки давления аргона 7 служит редуктор 8 и датчик давления 9. через винтели 10 и 11 в смесительную камеру подаётся аргон и водород. После получения нужной смеси через пьезоэлектрический клапан 14 газ подаётся в вакуумную камеру 15.

1. Захаров В.П., Герасименко В.С., Структурные особенности полупроводников в аморфном состоянии, Киев: ”Наука думка”1976.-300с.

2. Бродски М., Карлсон Д., Аморфные полупроводники, М: Мир, 1982.- 419с.

3. Меден А., Шо М., Физика и применение аморфных полупроводников: Пер. с англ. М.: Мир, 1991.- 670с.

РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОННОГО СОСТАВА

ВОДНОГО РАСТВОРА

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Баршутина С. Н.

В настоящее время большое внимание уделяется экологическому мониторингу окружающей среды и, в частности, точному ионному составу питьевой воды. Для этих целей все более широко стали использовать приборы на основе ионоселективных химических преобразователей, преимуществом которых является оперативность, компактность и приемлемая для таких измерений точность по сравнению с другими аналогичными физико-химическими методами контроля.

Измерение осуществляется за счет двухэлектродной системы, в которой один из электродов обладает селекцией к определенному иону. Конструктивно типовая измерительная ячейка (рис. 1) состоит из электрода сравнения 1 и ионоселективного химического преобразователя на основе полупроводника [1]. Химический преобразователь выполнен в виде Рис. 1 Структура ионоселективной измерительной ячейки: Цепь замыкает электрод сравнения 2 – исследуемый раствор;

3, 4 – области истока, стока;

5 – ионочувствительная пленка;

6 – измерительный прибор; ионы имеют свой потенциал ионикремниевая подложка 8 - аналит-чувствительная мембрана Zn2+) вольтамперометрии [2], сначала концентрируют на электроде, проводя электролиз раствора при постоянном отрицательном значении потенциала ( - 1,3 В и ниже) в течение фиксированного времени (2- мин). Затем начинают линейно изменять потенциал в анодную область.

При этом возникают анодные пики растворения металлов. Их высоты измеряют (рис.2). В результате эффекта концентрирования можно определять очень малые содержания: Cd. Pb, Сu - в пикограммовых, Zn - в нанограммовых количествах. К сожалению, метод инверсионной вольтамперометрии не для всех элементов дает одинаковый выигрыш в чувствительности. Наименьшие пределы обнаружения наблюдаются для тех металлов, которые образуют амальгамы.

Рис. 2 Одновременное определение четырех ионов металлов в воде методом инверсионной вольтамперометрии. Потенциал предварительного концентрирования -1,3 В, фоновый электролит аммонийно-цитратный буфер. После концентрирования осуществляется развертка потенциала в анодную область, при этом происходит последовательное анодное растворение металлов.

Чем выше степень концентрирования, тем больше величины пиков при анодной развертке. Пределы обнаружения можно дополнительно снизить, если после концентрирования регистрировать сигнал. Отсюда следует, что анодные пики соответствуют потенциалу соответствующего иона, а величина этого пика его концентрации, Таким образом соединяя мембранный метод и условия ионизации атомами получаем способ измерения.

Через канал полевого транзистора пропускаем постоянное напряжение, к основанию полевого транзистора и электроду сравнения подсоединяем источник импульсного напряжения. Потенциал источника подбираем так, чтобы осуществить ионизацию определяемого иона. Из выше сказанного следует проводимость раствора меняется за счет ионизации атомов и мембрана селективно реагирует на этот ион.

В результате чувствительность и селективность метода с ИСПТ возрастает в 3-4 раза.

В результате показана возможность повышения чувствительности и селективности метода с использованием ИСПТ для определения концентрации ионов в водных растворах.

3. Пат. 2097755 РФ, МКИ G01N27/414. Ионоселективный полевой транзистор / Н.Г.Ванифатова, Н.В.Исакова, Н.В.Колычева и др.

(РФ).– № 95106578/25; Заявл. 25.04.95; Опубл.29.11.97.

4. Электроаналитические методы в контроле окружающей среды:

Пер. с англ./ Кальвода Р., Зыка Я., Штулик К. и др.; Под ред. Е. Я. Неймана. - М.: Химия, 1990. -240 с.

МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ ОБЪЕКТОВ

ИЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОПРОДУКТОВ

ДЛЯ ПРОСВЕЧИВАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Шелохвостова В. П.

В настоящее время разрабатываются технологические процессы для производства углеродных наноматериалов и важно иметь возможность изучать их структуру.

Основным звеном в массовом производстве наноматериалов является синтез нанопродуктов в пиролитических реакторах. В реакторах данного типа синтез нанопродуктов ведется на металлическом катализаторе с вводом в реакционную зону углеродосодержащих газов. В большинстве случаев металлический катализатор представляет собой смесь металлов никеля, кобальта и магния. Данный катализатор обладает развитой пористой поверхностью, которая образуется в процессе его синтеза путем нагрева в тигле механической смеси нитратов металлов Ni, Co и Mg. [1] Рис. 1. Схематическое изображение разреза реактора.

Катализатор тонким слоем (0,5-1 мм) помещали в кварцевую посуду с плоским дном и низкими стенками. Кварцевую посуду с катализатором устанавливали в реактор. Включали продув рабочей камеры реактора током газообразного водорода, затем (через 4-5 минут) начинали разогрев реактора. Температуру измеряли термопарой расположенной в непосредственной близости от поверхности катализатора. Через 30- минут по достижению температуры синтеза (600-950 0С). В реактор начинали подавать углесодержащий газ обычно пропан, бутан или их смесь, и уменьшали или прекращали подачу водорода в зависимости от выбранного режима. В реакторе под действием высокой температуры происходит реакция диспропорционирования углеродосодержащего газа, в результате этой реакции высвобождается атомарный углерод. [2] Часть атомарного углерода осаждается на поверхность катализатора, оксиды металлов входящие в катализатор восстанавливаются. При насыщении катализатора углеродом образуются карбиды металлов. Образованные карбиды никеля и кобальта неустойчивы при температуре синтеза и распадаются с освобождением атомарного углерода, чем инициируют начало роста нанотрубок. На “холодных” стенках реактора и на неактивных поверхностях катализатора в основном образуются сажа и аморфный углерод. Полученный продукт помещали в пробирку с 25% соляной кислотой, нагревали на паровой бане до 90 0С в течение 30-50 минут.

Объектом исследования являются такие ценные продукты как нанотрубки, фуллерены и содержащиеся в объеме получаемого продукта примеси катализатора и аморфного углерода. Так как нанотрубки и фуллерены имеют очень малые линейные размеры обычно от ~2-250 нм, необходимо создать методику подготовки объектов для электронной микроскопии. [3] Подготовка объектов исследования для электронной микроскопии В качестве поддерживающей подложки использовали углеродную пленку толщиной 20-30 нм, которую получали напылением в вакууме на свежий скол соли NaCl из электрической дуги между двумя графитовыми электродами. Полученную плёнку отделяли от соли путем помещения в дистиллированную воду. Обычно отделяемая пленка всплывала на поверхность и держалась за счёт натяжения воды. Углеродную пленку с помощью петли или сетки переносили в объем с дистиллированной водой, для отмывки от соли. Проводили 10-15 минутное диспергирование отмеренного количества нанопродукта (0,3 грамма) в дистиллированной воде объемом 3 мл при частоте пьезокерамического излучателя от 16-22 кГц. Переносили углеродную пленку в объем с диспергированным нанопродуктом. Устанавливали на диспергатор, уменьшали амплитуду, и сокращали продолжительность воздействия до 1-2 минут (частота оставалось прежней). Пленку, находящуюся на поверхности воды подлавливали медной сеткой (с ячейками 200х200 мкм) и переносили на бумагу. Оставляли сетку на один час для естественной сушки на воздухе. Затем вырубали с помощью приспособления круглый объект (диаметром 3 мм) из медной сетки с закрепившейся на ней углеродной пленки. С помощью оптического микроскопа оценивали однородность распределения углеродной пленки на медной сетке, степень разрывов и её провисание в центрах ячеек.

Рис. 2. Фотографии нанопродуктов получаемых пиролизом углеводородов.

а)- Конгломерат, состоящий из сплетенных нанотрубок, частиц аморфного углерода (увеличение 25000Х); б)- Нанотрубки (увеличение 70000Х) Работы, проводимые на электронном микроскопе ЭМВ-100А, дали возможность оценивать размеры и морфологию конгломератов. Встречаемые размеры диаметров нанотрубок в основном составляют 20- нм.

Таким образом была разработана методика подготовки объектов для электронной микроскопии, позволяющая определять размеры нанотрубок, производить фотографирование выбранных объектов, определять (по фотографиям) диаметры нанотрубок, оценивать степень очистки от примесей.

1. А.И.Гусев. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. Екатеренбург: УрО РАН, 1998. 200с 2. В. К. Неволин, В. И. Петрик, А. А. Строганов, Ю. А. Чаплыгин.

Атомная структура нанотрубок из углеродной смеси высокой реакционной способности: Письма в ЖТФ.- 2003.-т. 29.- В.8.- с. 84- 3. А. И. Гусев, А. А. Ремпель. Нанокристалические материалы. М.:

ФИЗМАТЛИТ, 2000. –224с. – ISBN 5-9221-0075-0.

МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ИОНОСЕЛЕКТИВНЫХ МЕМБРАН

С ИОНАМИ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Баршутина С. Н.

Мембранные технологии последнее время находят все большее применение в различных отраслях промышленности. Особенно это заметно в электрических методах измерения концентрации различных веществ. Измерение в таких методах основано на селективной способности мембран реагировать на измеряемые вещества. На данный момент времени существует большое количество селективных мембран, у которых механизмы селекции базируются на различных физико-химических моделях.

Обзор моделей позволил выделить одним из принципов селекции можно рассмотреть как микрогетерогенные системы, в которых перенос происходит по следующим законам:

при этом (Li*) является некоторым эффективным параметром, в первом приближении не зависящим от приложенных сил, а градиент электрохимического потенциала ( dµi / dx) берется по одной из фаз, составляющих систему.

Такие модели подразделяются на гетерофазные, субмикроструктурные и модель Глюкауфа. Гетерофазная модель подразделяется на двухфазную с одной проводящей фазой, с двумя проводящими фазами и микрогетерогенную модель.

Рассмотрим двухфазные модели с одной проводящей фазой. В этих моделях структура не искажает равномерного пространственного распределения фиксированных групп, а ионы не испытывают дополнительного взаимодействия ни с полимерным каркасом, ни с фиксированными группами. Считая, что ионообменник представляет собой квазигомогенную структуру с регулярной кубической решеткой, а размеры ионов, молекул воды и ячеек полимерной матрицы соизмеримы, получается формула:

коэффициент извилистости, учитывающий уменьшение коэффициента диффузии иона в ионите Di* по сравнению с коэффициентом диффузии в свободном растворе Di, Vm - доля объема, занимаемая полимерной матрицей, непроницаемой для диффузии.

Представление ионнообменника как двухфазной системы, одна из фаз которой является непроводящей, позволило лишь объяснить факт уменьшения его проводящих свойств по сравнению с равновесным раствором, однако не дало возможности описать зависимость этих свойств от концентрации равновесного раствора. Решение второй задачи оказалось возможным лишь в рамках моделей с двумя проводящими фазами.

В моделях с двумя проводящими фазами один из подходов к описанию проводимости ионита как гетерогенной системы заключается в отыскании такого универсального способа расположения составляющих фаз заданной геометрической формы, чтобы, варьируя затем лишь ограниченное число геометрических параметров, добиваться совпадения с экспериментом, определяя при этом объемные доли фаз независимым способом.

Двухпроводная модель позволила количественно описать зависимость удельной электропроводности ионита от концентрации равновесного раствора (в области разбавленных растворов) и объяснить эту зависимость качественно. Электропроводность гелевой фазы слабо меняется с концентрацией раствора и может считаться постоянной, тогда как проводимость межгелевых промежутков пропорциональна концентрации раствора в точке изоэлектропроводности.

В микрогетерогенной модели предположение о форме элементов фаз является излишним. А ионообменник считается двухфазной системой, состоящей из гелевой фазы (с "растворенными" в ней включениями полимерных цепей матрицы) и межгелевой фазы, заполненной равновесным раствором. В каждой из фаз, точнее в каждом из элементов этих фаз с размером 10-100 нм, действует уравнение Нернста-Планка, записанное для одномерной электродиффузии в виде где Li и Li - кинетические коэффициенты в растворе и в гелевой фазе; ji, ji - плотности потоков в соответствующих фазах;

µi / x и µi / x - градиенты электрохимических потенциалов потенциалы соответственно в фазах раствора и геля); символ используется для обозначения приращения соответствующей величины в масштабах одного элемента фазы.

Обобщением гетерофазных моделей является модель Глюкауфа, в которой описания диффузии электролита выделяется две части ионита.

Одна из частей занята непроницаемой для ионов полимерной матрицей с объемной долей Vm. Ее влияние на коэффициент диффузионной проницаемости мембраны P* оценивается в соответствии с формулами (2) и (3):

где Р - есть эффективный коэффициент проницаемости остальной "жидкой" части мембраны, содержащей воду, подвижные ионы и фиксированные ионы, распределенные в соответствии с законом, выраженным формулой где - функция распределения фиксированных ионов, а M - их локальная концентрация.

Рассмотрели гетерогенные модели позволяющие описать транспортные свойства мембран неоднородностей размером 5-500 нм. Но также оказывают влияние на свойства мембран микронеоднородности размером 1-5 нм. В настоящее время имеется несколько субмикроструктурных моделей, позволяющих осветить некоторые стороны этого вопроса. В основном эти модели касаются перфторуглеродистых мембран типа Нафион, в которых влияние микроструктуры особенно заметно в силу особенностей их строения.

Представленные структурно-кинетические модели позволяют посмотреть на связь структура мембраны-свойства с различных и довольно многочисленных точек зрения. Практически в основе каждой модели заложено то или иное представление о механизме влияния структуры на транспорт ионов; в локальном масштабе перенос ионов описывается одними и теми же уравнениями (главным образом, уравнением Нернста-Планка), различие заключается в способе усреднения коэффициентов переноса в масштабе, характеризующем мембрану. Каждая модель позволяет понять роль одного или двух факторов, определяющих массоперенос в мембране. Так, перколяционная модель хорошо описывает влияние влагосодержания на проводимость мембраны; микрогетерогенная модель объясняет роль концентрации раствора и учитывает вклад в перенос как крупных (межгелевые промежутки), так и мелких гор (гелевые участки); капиллярные и ячеечные модели позволяют понять роль электростатического и некоторых других видов взаимодействия в переносе ионов. Поэтому представленные модели дополняют друг друга, помогая воссоздать сложную картину транспорта ионов путем выявления важных деталей этой картины.

1. Заболоцкий В.И., Никоненко В.В. Перенос ионов в мембранах.

- М.: Наука, 1996. - 392 с.

2. Хейфец Л.И., Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых средах. М.: Химия, 1982. 320 с.

3. Вольфкович Ю.М. Влияние двойного электрического слоя у внутренней межфазной поверхности ионита на его электрохимические и сорбционные свойства. Электрохимия. 1984. Т. 20, №5. С. 665-672.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

КАК ПОКАЗАТЕЛЯ ЭНЕРГОИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Королева А. П.

Известно, что функционирование любой живой системы происходит в условиях непрерывного обмена с окружающей средой веществом, энергией, импульсом, информацией, что сопровождается изменением физиологического состояния живой системы [1]. Характерным отражением биоэнергетических процессов является тепловой поток с поверхности кожи человека.

Изучая особенности теплообмена на уровне целого организма или на уровне части поверхности кожи, исследователи пытаются обнаружить корреляцию биоэнергетических процессов, внешних условий и особенностей температурного излучения организма. Несмотря на большой опыт таких исследований, методические приемы, техника измерений и метрологические оценки, как правило, недостаточно полно освещены и могут вызвать обоснованные упреки в некорректности выводов, регистрации эффектов и т.д.

В настоящей статье рассмотрены методические проблемы исследования локального теплового излучения субъектов. Кроме того, на основании полученных данных сделано предположение о том, что тепловой поток человека можно рассматривать как показатель энергоинформационного обмена в процессе взаимодействия между людьми.

Для регистрации и измерения тепловых потоков использованы датчики теплового потока, возможно также применение полупроводниковых датчиков температуры и давления. Принципиальная схема такого датчика приведена на рис.1. Поверхность свернутой в спираль константановой проволоки, с помощью электролиза на половину покрывается медной пленкой. Эту спираль, свернутую в плоскую спираль, располагают по толщине изоляционного материала (например, смолы) таким образом, чтобы на поверхности диска (диаметр 10-20 мм., толщина 1мм.) находились места контакта меди и константана. Таким образом, получают термостолбик, который согласно эффекту Пельтье способен вырабатывать термо-ЭДС, пропорциональную разности температур на поверхностях диска. Датчик теплового потока с помощью гибкого пружинного крепления прижимается к коже исследуемого субъекта.

На рис.2. представлена схема устройства регистрации температур, измеряемых термопарами, и теплового потока. Сигналы термопары 1 и сигналы от датчиков теплового потока 2 измеряются цифровым вольтметром 3. Холодный спай термопары для стабилизации температуры находится в "блоке холодных спаев" 4, температура которого измеряется термометром 5, в качестве которого используется обычный ртутностеклянный термометр. Цифровой вольтметр управляется прикладной программой, запущенной на ПК через контроллер. Управляющая программа предназначена для проведения эксперимента, а также для полной обработки накопленных бумажном носителе. Рассмотренный датчик предназначен для измерения стационарного теплового потока q(t). Переход к значению Рис. 1. Принципиальная схема датчика где k – градуировочный коэффициент, который может изменяться в зависимости от используемых датчиков теплового потока от 10 до 200 Вт/м2мВ. Для измерения температуры поверхности применялись медно-константановые термопары чувствительностью 25 К/мВ. с диаметром электродов 0,15 мм.

Экспериментальные данные показали, что тепловой поток носит импульсный характер с длительностью импульсов порядка нескольких секунд, тепловая инерция датчика теплового потока немного более 5 с.

В этом случае требуется дополнительная математическая переработка всех результатов измерений, более подробно это изложено в [2]. Скорость Рис. 2. Устройство регистрации температур данной математической обработки легко позволяет распознать данные и расшифровывать тепловой поток в реальном времени, и одновременно зафиксировать температуру поверхности исследуемого объекта. Использование современной информационно-измерительной техники и возможность специальной обработки сигналов с датчиков температуры и теплового потока и термопар позволило частично автоматизировать эксперименты, связанные с регистрацией и изучением изменения во времени температуры и теплового потока в энергоинформационном обмене.

Серия экспериментов с использованием современных ЭВМ показала, что для импульсов теплового потока длительностью выше 4 с. можно рассчитывать тепловые потоки по формуле (1).

Результаты измерений также показали, что при данном методе определения теплового потока влажность поверхности не влияет на измеренные значения температуры.

Сравнительный анализ обобщенных результатов измерений удельных тепловых потоков в разных зонах показал их отличие, как по величинам средних значений теплового потока q, так и по его среднеквадратичным отклонениям q. Эти отличия позволили установить оптимальную зону для измерения удельного теплового потока человека в центральной области лба, что удовлетворяет не только требованиям информативности, но и представляет определенные удобства для испытуемых в условиях опытов.

1. Иванов К.П. Основы энергетики организма. 1. Общая энергетика, теплообмен и терморегуляция. –Л.: 1990г. -260с.

2. Дульнев Г.Н., Лукьянов Г.Н., Макаров С.Л. и др. – Автоматизированная измерительная система для термовакуумных испытаний телевизионной системы «Вега». –М.: Пр. 1061 ИКИ АН CCCР, 1986г. -184с.

НАНОТЕХНОЛОГИЯ.

НАНОТРУБКИ И СПОСОБЫ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ

Работа выполнена под руководством к. т. н., доц. Шелохвостова В. П.

Нанотехнология — совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой.

Нанотехнологии обеспечивают возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Одним из наиболее перспективных наноматериалов являются нанотрубки. Нанотрубки - трубки нанометрических размеров, состоящие из отдельных атомов углерода и имеющие искусственную структуру.

Предназначаются для коммуникаций, передачи энергии и сигналов, а также построения новых материалов на базе углерода.

Идеальная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, т.е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Параметром, указывающим координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат, называется хиральностью нанотрубки и обозначается набором символов (т, п). Хиральность нанотрубки определяет ее электрические характеристики.

Как показали наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, большинство нанотрубок состоят из нескольких графитовых слоев, либо вложенных один в другой, либо навитых на общую ось.

На рис. 1 представлена идеализированная модель однослойной нанотрубки. Такая трубка заканчивается полусферическими вершинами, содержащими наряду с правильными шестиугольниками, также по шесть правильных пятиугольников. Наличие пятиугольников на концах трубок позволяет рассматривать их как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает их диаметр.

Структура однослойных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего, это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы.

Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций как в продольном, так и в поперечном направлении. Возможные разновидности поперечной структуры многослойных нанотрубок представлены на рис.

2. Структура типа «русской матрешки» представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных нанотрубок (рис. 2 а). Другая разновидность этой структуры, показанная на рис. 2 б, представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур (рис. 2 в), напоминает свиток. Для всех приведённых структур расстояния между соседними графитовыми слоями близко к величине 0,34 нм, т.е. расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита.

Реализация той или иной структуры в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза нанотрубок.

Рис. 2. Модели поперечных структур многослойных нанотрубок:

а. «русская матрешка»; б. шестигранная призма; в. свиток.

Следует иметь в виду, что идеализированная поперечная структура нанотрубок, в которой расстояние между соседними слоями близко к значению 0,34 нм и не зависит от аксиальной координаты, на практике искажается вследствие возмущающего воздействия соседних нанотрубок [1].

Нанотрубки можно сформировать из твердотельной пленки почти любого материала. Используемые сегодня методы основаны на освобождении тонкой пленки от подложки с помощью селективного травления и ее скручивании (рис. 3).

В традиционном методе на поверхность подложки осаждают жертвенный слой, а поверх него - тонкую пленку. По мере удаления селективным травлением жертвенного слоя под тонкой пленкой ее свободный конец приподнимается и закручивается в сторону нетронутой травлением части пленки и ложится на нее, формируя нанотрубку. В дугом методе на подложку осаждают жертвенный слой, а на него бислой из материала 1 и материала 2, имеющих разные постоянные решетки, причем материал 1 имеет большую постоянную решетки, чем материал 2.

Как только бислой освобождают от подложки (тем же приемом, что и в традиционном методе), его свободный конец поднимается вверх и закручивается. Если время травления небольшое, но такое, что конец бислоя успевает сделать полный оборот, образуется одностенная нанотрубка. Большее время травления ведет к образованию многостенной нанотрубки [2].

В основе многих технологических применений нанотрубок лежит такое их свойство, как высокая удельная поверхность (в случае однослойной нанотрубки около 600 кв. м. на 1/г), что открывает возможность их использования в качестве пористого материала в фильтрах и т.д.

Возможно использование нанотрубок с высокой удельной поверхность в качестве электродов для электролитических конденсаторов с большой удельной мощностью.

Углеродные нанотрубки хорошо себя зарекомендовали в экспериментах по использованию их в качестве покрытия, способствующего образованию алмазной пленки. Как показывают фотографии, выполненные с помощью электронного микроскопа, алмазная пленка, напыленная на пленку нанотрубок, отличается в лучшую сторону в отношении плотности и однородности зародышей от пленки, напыленной на С60 и С70.

Такие свойства нанотрубки, как ее малые размеры, меняющаяся в значительных пределах в зависимости от условий синтеза, электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность, позволяют рассматривать нанотрубку в качестве основы будущих элементов микроэлектроники. Расчетным путем доказано, что введение в идеальную структуру нанотрубки в качестве дефекта пары пятиугольник– семиугольник изменяет ее электронные свойства. Нанотрубка с внедренным в нее дефектом может рассматриваться как гетеропереход металл-полупроводник, который, в принципе, может составить основу полупроводникового элемента рекордно малых размеров.

Нанотрубки могут служить основой тончайшего измерительного инструмента, используемого для контроля неоднородностей поверхности электронных схем.

Интересные применения могут получить нанотрубки при заполнении их различными материалами. При этом нанотрубка может использоваться как в качестве носителя заполняющего ее материала, так и в качестве изолирующей оболочки, предохраняющей данный материал от электрического контакта, либо от химического взаимодействия с окружающими объектами [3].

1. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки//УФН, т.167(9), с.945, 1997.

2. Nature, 2001 410, p 3. Раков Э.Г. Химия и применение углеродных нанотрубок/ //Успехи химии, 2001, с.934-

class='zagtext'> СТРОИТЕЛЬСТВО

Теория и проектирование зданий и сооружений Руководитель программы д.т.н., проф. Леденев В. В.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ, УСИЛЕННЫХ

СНИЗУ ЛИСТОМ ФАНЕРЫ ИЛИ СТАЛИ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Сморчкова А. А.

Рассчитаем балку, нагруженную равномерно-распределенной нагрузкой, усиленной снизу листом фанеры.

Рис. 1. Расчетная схема усиленной балки и ее сечение h – полная высота сечения; h1 – толщина листа ; h2 – высота сечения бруса; b – ширина сечения; Е1 – модуль упругости листа; Е2 – модуль упругости бруса; с1=0.5(h-h1) – расстояние от ц.т. сечения до ц.т. сечения листа; c2=0.5(h-h2) – расстояние от ц.т. сечения до ц.т. сечения бруса; с=с1+с2 – расстояние между ц.т. сечения составных элементов.

1-й подход к решению задачи.

Данный подход основан на теории составных стержней А. Р. Ржаницына.Так как лист усиления достаточно тонок по сравнению с усиливаемым брусом, то считаем, что лист воспринимает только касательные усилия в шве:

где Tшва - полное сдвигающее усилие, накапливаемое по длине шва.

Для нахождения усилий в шве необходимо решить дифференциальное уравнение:

Здесь и свободный член имеют значения:

где А1 и А2 – площади сечений листа и бруса соответственно;

М – изгибающий момент от действия нагрузки.

В уравнении (1) – коэффициент жесткости связей сдвига. В общем виде его значение равно:

где Tc – сдвигающее усилие, приходящееся на одну связь;

m – число связей, приходящееся на единицу длины шва;

Г – деформация взаимного сдвига смежных волокон двух соседних стержней, соединенных связями сдвига.

Определение данного коэффициента – задача сложная, так как достаточно сложно с необходимой точностью определить работу связей, особенно если они выполнены из материала отличного от материала составляющих стержней. Поэтому его необходимо определять экспериментально для каждого типа связей.

Решение уравнения (1) можно записать в виде где С1 и С2 – произвольные постоянные, определяемые по граничных условиям и =. Для упрощения формул начало координат взято в середине балки.

В случае шарнирного закрепления по краям и приложенной равномерно-распределенной нагрузки получим:

Если элемент усиления приклеивается к брусу, то деформации взаимного сдвига смежных волокон будут отсутствовать, т.е. Г=0. Следовательно по формуле (2) =. В этом случае равенство (3) примет вид Главный недостаток теории Ржаницына заключается в том, что ее сложно применить в практических расчетах (при проверке несущей способности, предельных деформаций, подборе сечения по I или II-му предельному состоянию и т.д.), так как для каждого закрепления по концам и вида прилагаемой нагрузки необходимо выводить свою формулу. К тому же жесткость связей сдвига во многих случаях можно не учитывать, о чем говорил и сам А.Р. Ржаницын.

2-й подход к решению задачи.

Данный подход значительно упрощает решение подобных задач Так как лист фанеры достаточно тонок по сравнению с усиливаемым брусом, то считаем, что в листе фанеры возникают только растягивающие усилия.

Нагрузка и изгибающий момент, воспринимаемая листом фанеры:

Нагрузка и изгибающий момент, воспринимаемая брусом:

Из условия равновесия найдем растягивающее усилие, воспринимаемое листом фанеры:

Подставляя (4) в (5), получим:

Найдем моменты инерции листа фанеры и бруса соответственно.

Подставляя (7) в (6) и учитывая, что с1=0.5(h-h1), получим После преобразований получим формулу для определения растягивающих напряжений в листе В формуле (8) растягивающее усилие N1 не зависит от условий закрепления и вида нагрузки, а лишь от геометрических характеристик сечения и значения изгибающего момента.

Результаты расчета бруса, усиленного листом фанеры Пролет l=1.2 м, ширина сечения b=125 мм, нагрузка q=20 кН/м Высота бруса Усилия N1(кН), T(кН), расхождение в результатах(%) при толщине В дальнейшем планируется выявить эмпирическую зависимость между отношением высот стержней и погрешностью между точным и приближенных методом, а также подтвердить результаты экспериментально.

1. А.Р. Ржаницын. Составные стержни и пластинки. - М.: Стройиздат, 1985. – 315 с.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

НЕРАВНОМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

НАПРЯЖЕНИЙ ПО ШИРИНЕ КЛЕЕФАНЕРНОЙ ПЛИТЫ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Сморчкова А. А.

Клеефанерная плита покрытия выполняется из двух разнородных материалов, имеющих различные вязкоупругие характеристики: ребра – из досок, обшивки – из клееной фанеры марки ФСФ.

По существующей методике расчет таких панелей по первому и второму предельному состоянию основано на использовании приведенной ширины сечения:

где k - коэффициент неравномерности распределения нормальных напряжений по ширине плиты.

Согласно теории [1] коэффициент неравномерности по ширине плиты определяется как:

нормальных напряжений по ширине.

Такой подход не учитывает того обстоятельства, что фанерная обшивка является конструктивно ортотропным материалом, напряженнодеформированное состояние которого характеризуется не одним модулем упругости Еф, а пятью Е1, Е 2, G, µxy, µyx. Для обшивок, выполненных из ортотропных материалов, нормальные напряжения определяются из обобщенного закона Гука и по теории [2] равны:

Среднее нормальное напряжение определяется как:

где x и y - значения относительных деформаций в каждой точке по ширине сечения (показания тензорезисторов);

y - ширина участка панели между соседними точками измерения.

Испытание клеефанерной панели проводим методом резистивной тензометрии, конструкция плиты и схема расположения тензорезисторов приведена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция плиты и схема расположения тензорезисторов Плита состоит из двух фанерных обшивок толщиной ф=6 мм и двух боковых дощатых ребер сечением 20 60 мм. Размеры плитымм. Загружение панели проводилось равномерно распределенной по ширине нагрузкой в четвертях плиты, штучными грузами по 10 кг. Испытание осуществлялось кратковременной статической нагрузкой Р = 182 кг. В качестве регистрирующего прибора применялся АИД – 1. В ходе эксперимента определялись деформации плиты x, y в исследуемых точках и вычислялись максимальные и средние значения напряжений.

Результатом исследования является определение действительного значения коэффициента неравномерности распределения нормальных напряжений по ширине обшивки. В таблице 1 представлены значения коэффициента k. Теоретическое значение k вычисляем по формуле (1). Величина экспериментального коэффициента неравномерности k определяем по формулам (2, 3) согласно напряжениям, полученным экспериментальным путем.

Также в ходе работы было определено численное значение коэффициента k при помощи вычислительного комплекса SCAD.

Значения модулей упругости, модуля сдвига и коэффициенты Пуассона берем по СНиП. Фанеру принимаем как ортотропный материал, древесину – как изотропный. По длине расчетная модель была разбита на 40 рядов конечных элементов, по ширине - на 10 рядов. Число конечных элементов, из которых составила плита – 1280. В результате данного исследования были получены численные значения напряжений в рассматриваемых точках. Коэффициент неравномерности k вычислялся согласно полученным численным напряжениям по формуле (1), значение представлено в таблице 1.

Значения коэффициента неравномерности распределения величины Анализ результатов показал, что предлагаемая экспериментальная методика определения коэффициента неравномерности распределения нормальных напряжений по ширине плиты наиболее верно описывает напряженно-деформированное состояние клеефанерной плиты. Предлагаемая ранее методика и численные исследования с использованием вычислительных комплексов не дают точных результатов, так как они не учитывают перераспределения напряжений между ребрами и обшивками за счет того, что фанера и древесина имеют различные физические свойства.

строительстве. – М.: Госстройиздат, 1957. – 240с.

2. Кириленко В.Ф., Линьков И.М., Бойтемиров И.Н. К вопросам экспериментального определения коэффициента приведенной ширины обшивки трехслойной ребристой панели. // Изв. вузов. Стр. и арх. 1992, - с.127-129.

проектирования / Госстрой СССР. – М.: Стройиздат, 1983. – 31с.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «ANSYS»

ДЛЯ РАСЧЕТА НДС БЕТОННЫХ ПЛАСТИН С ДЕФЕКТАМИ

В ВИДЕ НАКЛОННЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ТРЕЩИН

Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. Леденева В. В.

При проведении экспериментов с железобетонными моделями, и анализируя механизм разрушения этих моделей сложно судить о том какие напряжения возникают в теле модели при её нагружении, основываясь на анализе фотографий процесса деформирования и разрушения моделей можно только предположить род напряжений действующих в отдельных (локальных) участках модели.

Более точную информацию о напряженно деформированном состоянии можно получить при помощи расчета данных моделей при помощи метода конечного элемента (МКЭ). В настоящее время существует множество программных расчетных комплексов основанных на МКЭ (ПК МКЭ), таких как, “AnSyS”, “StarCD”, “CFX”. Перечисленные ПК МКЭ предназначены для широкого круга задач статики, динамики, тепловых процессов применительно к твердым телам и вязким средам.

Рис. 1. Схема образца со ступенчатой трещиной Были проведены несколько серий экспериментов с бетонными пластинами размерами HxLxB=30x30x50 см, моделирующими стены со сквозными ступенчатыми трещинами (рис.1).

В результате экспериментов получены экспериментальные значения разрушающих нагрузок, а так же зафиксирован механизм деформирования и разрушения моделей стен. Подходя к вопросу моделирования данных пластин было учтено, что данный вид задач относится к расчету контакта двух тел (задача Герца). Основываясь на экспериментальных данных был произведен расчет трехмерных пластин в ПК МКЭ “AnSyS 9.0”.

Рис. 2. Разбиение твердотельной модели на конечные элементы Для расчета была принята модель пластины со сквозной ступенчатой трещиной при шаге ступеней трещины hст=5см. При построении ее твердотельной модели стены данная пластина была разбита на 4500 конечных элементов (КЭ) схема разбиения показана на рис. 2.

Для более точного отражения нелинейной работы бетона при нагружении пластины, был выбран специальный КЭ Solid65, который непосредственно предназначен для моделирования бетонных и железобетонных конструкций.

При построении модели к ней по верхней грани была приложена равномерно-распределенная нагрузка py=1.31кН/см2, что суммарно соответствует Py=196.5 кН.

Анализируя результаты расчета изополей касательных напряжений (рис. 3), точно ясно положение концентраторов напряжений в модели стены, которые располагаются над выступами ступенчатой трещины, а также о величине напряжений xy=1.055 кН/см2=10.55 МПа, что соответствует расчетному пределу прочности бетона на сжатие, для бетона класса В20 Rbser=10.45МПа.

Рис. 3. Изополя касательных напряжений в твердотельной модели Так же исходя из полученных изополей видно, что основные напряжения сосредотачиваются в верхней половине модели.

Примерно такая же картина напряжений получена на изополях эквивалентных напряжений в теле стены (рис. 4).

Рис. 4. Изополя эквивалентных напряжений в твердотельной модели На основе данного расчета НДС модели стены можно прийти к выводу, что разрушение будет происходить в большинстве случаев в верхней половине стены по механизму плоского сдвига в плоскости стены.

1. БасовК.А. AnSys в примерах и задачах // КОМПЬЮТЕРПРЕСС Москва 2002г. 224 с.

2. Морозов Е.М., Олферьева М.А. AnSys в руках инженера.

Практическое руководство // УРСС Москва 2003 г. 269 с.

3. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.С. AnSys в руках инженера. Справочное пособие // Машиностроение Москва 2004 г. Антонов В. М., Антонов С. В., Диавара Сонда

ИССЛЕДОВАНИЕ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

ПЕСЧАНОГО ОСНОВАНИЯ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Антонова В. М.

Задача экспериментов состояла в оценке характера распределения напряжений в основании по глубине для армированного и неармированного основания.

Использовали пространственный стальной лоток размерами 1,91,71,3(h)м, заполненный песком.

Эксперименты выполнялись на модели ленточного фундамента с шириной B = 100мм и длиной 1м.

Опыты проводили на мелком однородном песчаном основании при плотности = 1,7 г/см3, достигнутой определенным числом ударов трамбовки по одному следу. Контроль плотности в каждом опыте проводили в нескольких точках основания в соответствии с ГОСТ [1].

Влажность поддерживалась в пределах 9-10 %.

Армирование осуществляли сеткой Bs=300мм и длиной Ls=1 м, d s = 2 мм, S = 20 мм при глубине заложения hs = 3 см от подошвы фундамента.

а) неармированное основание, б) армированное основание 1-модель ленточного фундамента, 2-арматурная сетка,3-тензометры (расположение и номера), 4- индикаторы часового типа (ИЧ-10) Ступень нагружения составляла 0,05…0,1 от предполагаемой разрушающей нагрузки Fsu. За условную стабилизацию перемещений принимали 0,5 мм/час.

Вертикальные деформации модели фундаментов измерялись при помощи индикаторов часового типа ИЧ-10, укрепленных на реперной раме (см.рисунок 1).

В работе использовались глубинные датчики измерения напряжений в грунте. Схема расстановки тензометров представлена на рисунке 1. Тензометр представляет собой (см. рисунок 2) элемент в форме параллепипеда, выполненного из металла. Конструкция имеет прямоугольное, сквозное отверстие, с внутренней стороны которого наклеены параллельно два тензорезистора (база 10мм). Датчики устанавливались на разные глубины hd = 2 ; 5 см- неармированного, hd = 5 см- армированного основания.

1-тензорезистор (датчик сопротивления) По результатам экспериментов выявлено:

1. Значение деформаций для армированного основания в 1,5 раза меньше, чем для неармированного, при той же нагрузке.

2. С увеличением значения нагрузки возрастает нормальное напряжение z под подошвой фундамента, причем максимальные значения, при F = 22 кН, наблюдаются под центром зоны загрузки для неармированного основания (см. рисунок 3, а;б).

3. Введение арматуры в основание приводит к выравниванию вертикальных напряжений под подошвой, снижению краевых значений.

Несущая способность армированного основания в 1,5 раза больше чем неармированного (см. рисунок 3, в).

4. Армирование позволяет снизить значения горизонтальных напряжений x,(измеренных с помощью тензорезистора № 7), в 2 раза за счет включения в работу дополнительных объемов грунта (см. рисунок 4).

-50. 0. 50. 100. 150. 250. 300. 350. Рис. 3. Распределение вертикальных напряжений по глубине а) - неармированное основание при hd = 2 см; б) - неармированное основание при hd = 5 см; в) - армированное основание при hd = 5 см;

1. ГОСТ 5180-84 «Грунты. Методы лабораторных определений физических характеристик».

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НДС

СТАЛЬНОЙ П-ОБРАЗНОЙ РАМЫ

НА ДЕФОРМИРУЕМОМ ОСНОВАНИИ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Евдокимцева О. В.

В настоящее время коллективом магистрантов проводятся исследования НДС (напряженно-деформированного состояния) стальной Побразной рамы на песчаном основании. В отличие от ранее проведенных исследований [1] рассмотрена рама с шарнирным сопряжением ригеля с колонной.

В лабораторных условиях моделируется реальная работа исследуемой конструкции. Модель рамы выполнена в соответствии с критериями геометрического подобия. Нагрузка в виде вертикальной, осевой сосредоточенной силы передается на ригель гидравлическим домкратом.

Задачей исследований является изучение влияния на НДС конструкции перемещений фундаментов, вызванные деформациями грунтового основания, а так же податливости узла сопряжения ригеля с колонной.

В ходе проведения серии испытаний, величины (плотность песчаного основания), (заглубление фундамента), Fmax (действующая нагрузка) принимались постоянными, а эксцентриситет приложения нагрузки изменяли. В результате получены экспериментальные значения изгибающих моментов в элементах рамы. Эпюра моментов при центральном приложении нагрузки представлена на рис.1.

Рис. 1. Эпюра моментов при центральном приложении нагрузки (кН·м).

1-экспериментальные; 2- расчетные значения.

Значения экспериментальных моментов в колоннах, значительно превосходят теоретические. В середине пролета ригеля расчетное значение больше экспериментального на 35%.

Особое внимание следует уделить тому, что в “условно” шарнирном узле возникает момент, и этот момент, возникающий в ригеле, передается на колонну.

На величину момента в колонне значительное влияние оказывает поворот фундамента. В зависимости от направления крена, перемещения фундамента могут оказывать как догружающее, так и разгружающее действие в уровне базы и первой трети высоты колонны.

При перемещении места приложения нагрузки изменяется напряженно-деформированное состояние конструкции.

Эпюра моментов при е=0,5 представлена на рис.2.

1-экспериментальные; 2- расчетные значения Экспериментальные значения моментов в ригеле превышают расчетные на 5%. В левой колонне преобладают изгибающие напряжения, тогда как в правой - сжимающие. При проверке устойчивости необходимо учитывать действительное НДС стоек.

В настоящий момент, перед исследователями стоят задачи:

1. Определения влияющих параметров грунтовых условий на перемещения фундаментов, приводящих к изменению знака эпюры моментов в уровне базы и первой трети высоты колонны в рассмотренной конструкции.

2. Влияние эксцентриситета и угла приложения нагрузки на напряженно-деформированное состояние рамы. Изучение влияние значения нагрузки при различных эксцентриситетах на работу конструкции согласно II группе предельных состояний.

1. Вахонин А.В. Исследование работы стальной П-образной рамы.

Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов.

Тамб. гос. тех. ун-т. Тамбов, 2004. Вып. 16. 200 с. С. 61-64.

2. Беленя Е.И. Исследования совместной работы оснований, фундаментов и поперечных рам стальных каркасов промышленных зданий / Е.И. Беленя, Л.В. Клепиков. Научное сообщение. М., 1957. Вып. 28. 3. Шапиро Г.А. Действительная работа конструкций промышленных цехов. М.: Госстройиздат. 1952. 288 с.

Елагин В. Н., Кузнецов И. Н., Вахонин А. В.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛОТНОСТИ ОСНОВАНИЯ

НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

ОДНОПРОЛЕТНОЙ СТАЛЬНОЙ РАМЫ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Евдокимцева О. В.

В ходе экспериментов было проведено исследование напряженнодеформированного состояния стальной рамы при влиянии различных параметров. В качестве влияющих параметров приняли два фактора:

-несимметричное приложение нагрузки на ригель;

-разная плотность основания левого и правого фундаментов.

Эксперименты выполнялись на модели рамы с шарнирным опиранием ригеля на колонну, жёстко прикреплённую к фундаменту анкерными болтами.

Рама установлена на мелком однородном песчаном основании при плотности = 1,7 г/см3, достигнутой определенным числом ударов трамбовки по одному следу. Разница плотности основания левого и правого фундамента составила 0,1 г/см3. Влажность поддерживалась в пределах 7-9 %.

Опыты проводились при действии осевой вертикальной, ступенчато возрастающей сосредоточенной силы F. Ступень нагружения выдерживалась до наступления условной стабилизации перемещений фундаментов. При несимметричном приложении нагрузки на ригель эксцентриситет приняли равным 0,25L.

Деформации элементов модели рамы измерялись при помощи индикаторов часового типа ИЧ-10, закрепленных на независимой реперной системе.

В результате проведения экспериментов и обработки результатов были получены перемещения элементов рамы в характерных сечениях (рис. 1).

Если рассмотреть формы деформаций элементов рамы, то видно, что колонны изгибаются наружу рамы за счет момента возникающего из-за неточности передачи нагрузки от ригеля к колонне. Изгиб колонны и перемещения фундамента показывают, что колонна работает по схеме предложенной Е. И. Беленя, т. е. работу колонны необходимо рассматривать совместно с основанием.

а) центральное нагружение, б) несимметричное приложение нагрузки, в) разная В ходе испытаний определяли осадку (S), крен (i) и горизонтальные перемещения (U) моделей фундаментов во всём диапазоне нагрузок. С ростом нагрузки, перемещения левого и правого фундаментов растут плавно без скачков (рис. 2).

1,2- центральное нагружение, 3,4- несимметричное приложение нагрузки, i·10- 1,2- центральное нагружение, 3,4- несимметричное приложение нагрузки, В большинстве опытов поворот фундамента происходил в наружную сторону рамы. В центральном и внецентренном нагружении значительная величина крена правого фундамента приводит к повороту рамы в целом.

Важной величиной, характеризующей работу фундаментов, и конструкции в целом является относительная разность осадки S/L, где Sразница между осадками левого и правого фундаментов, L-расстояние между фундаментами. В случае с разной плотностью грунта основания фундаментов заметно, что увеличение осадки правого фундамента относительно левого в большей степени влияет на поворот ригеля, чем на поворот рамы.

ВЛИЯНИЕ ПОВТОРНЫХ НАГРУЖЕНИЙ

НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Евдокимцева О. В.

Действия повторных нагрузок приводит к изменению прочностных и деформационных характеристик грунтов. Для изучения влияния повторных нагрузок на прочностные характеристики связных грунтов проведены серии экспериментов. Опыты выполнены в лаборатории механики грунтов ТГТУ на сдвиговом приборе ПСГ-1. В качестве влияющих параметров использовали:

- уровень нагружения F =0,4…0,9;

- коэффициент асимметрии цикла с=0…0,8;

- количество циклов нагружения Nс=1…100.

На основании выполненных исследований сделан вывод о изменении значений прочностных характеристик глинистых грунтов (угол внутреннего трения () и сцепление (с)) после действия повторных нагрузок. Динамика изменения неоднозначна. Если при увеличении уровня нагружения в пределах =0,4…0,6 наблюдается плавный рост с и падение, то при =0,6…0,7 рост с и падение уже носит скачкообразный характер, достигая своего экстремума при =0,7…0,75; затем происходит также скачкообразное падение с до нуля при =0,9 и рост до 45° при =0,8…0,9 ( рис.1).

Изменение значений прочностных характеристик в результате действия повторных нагрузок делает необходимым учет этих изменений в расчетах несущей способности оснований.

В соответствии с [1] расчет по несущей способности производится исходя из условия:

Вертикальную составляющую силы предельного сопротивления Fuс в случае повторного нагружения можно определить по формуле:

Fuс=b'l'(Nb'I+NqqI'd+NcccIc), (2) где все компоненты определяются по указаниям [1], кроме N, Nq, Nc, cIc.

Коэффициенты N, Nq, Nc – необходимо определять по также в соответствии с методикой [1], но по значениям угла внутреннего трения, пересчитанным с учетом повторного нагружения. Значение сцепления cIc определяется также с учетом повторных нагружений.

Рис. Зависимости сцепления (а) и угла внутреннего трения (б) супеси 1. СНиП 2.02.01.83* “Основания зданий и сооружений”, Москва 1995.

Архитектурно-строительное материаловедение Руководитель программы д.т.н., проф. Ярцев В. П.

Ермаков С.В., Соломатин М. А.,; Киселева О. А.

ВЛИЯНИЕ ВИДА КОНЦЕНТРАТОРА НАПРЯЖЕНИЙ

НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА

ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., ст. преп. Киселевой О. А.

Древесина и древесные композиты (ДВП, ДСП, фанера) нашли широкое применение в строительных изделиях, ограждающих и несущих конструкциях. Для крепления данных материалов чаще всего используют соединения на гвоздях или шурупах. При этом места крепления являются концентраторами напряжений.

Для выявления влияния ослаблений на несущую способность древесных композитов при поперечном изгибе были проведены испытания древесностружечных плит. Для экспериментов использовали образцы размерами 203130 мм (ДВП), 1710130 мм (ДСП), 106,5130 мм (фанера) и 129,7130 мм (древесина) с отверстиями по центру пластин диаметром от 2,3 до 5 мм.

В работе было изучено влияние расположения концентраторов напряжений на прочность древесных материалов. Для создания концентратора напряжений в образце просверливали отверстие или забивали гвоздь. Испытания проводились при поперечном изгибе в режиме заданной постоянной скорости нагружения. Полученные результаты представлены на рисунках 1- Рис. 1. Влияние смещения концентратора напряжений ( 1 – отверстие 3,7мм. получено сверлением; 2 – отверстие получено при забивке гвоздя 3,2мм.) от центра на прочность древесины.

Рис. 2. Влияние смещения концентратора напряжений ( 1 – отверстие 2,7мм.

получено сверлением; 2 – отверстие получено при забивке гвоздя 3,2мм.) от центра на прочность фанеры.

Рис. 3. Влияние смещения концентратора напряжений (1– отверстие получено при забивке гвоздя 3,7 мм.) от центра на прочность древесноволокнистые плиты.

, МПа Рис. 4. Влияние смещения концентратора напряжений ( 1 – отверстие 5мм. получено сверлением; 2 – отверстие получено при забивке гвоздя 2,3мм.) от центра на прочность древесностружечные плиты.

Из рисунков видно, что концентратор напряжений оказывает значительное влияние на прочностные свойства материалов.

Для древесины опаснее концентраторы напряжений, полученные сверлением. При этом истинная прочность (u) падает на 25 %, а условная (у) в 2 раза. Для древесных композитов картина меняется, т.е. для них опаснее концентраторы напряжений, полученные при забивке гвоздя. При этом для фанеры у и u соответственно падают на 30 %, 4 %, а для ДСП u практически не изменяется. Наиболее сильно наличие концентратора напряжений сказывается на прочности древесноволокнистых плит. Для них истинная прочность падает на 40 %, а условная – на 60 %.

При смещении отверстий относительно центра образца происходит увеличение прочности до величины равной прочности бездефектных образцов. Наличие концентратора напряжений не сказывается на прочности древесины, фанеры и ДСП при его смещении относительно центра образца более чем на 15 мм. Для ДВП это расстояние увеличивается до 30 мм.

Вывод: перед забивкой гвоздя в древесностружечных и древесноволокнистых плитах необходимо сверлить отверстия диаметром, равным диаметру гвоздя плюс 1 мм. Кроме того, места крепления древесины и древесных композитов рекомендуется смещать на безопасное расстояние.

1. Киселёва О.А., Ярцев В.П., Ермаков С.В. Влияние концентраторов напряжений на прочностные свойства древесины и древесных композитов // Сборник материалов: VI Международной научнотехнической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (30 июня – 2 июля 2005г.). – Тула, 2005. – с.

26-27.

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ

НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

Работа выполнена под руководством к.т.н., ст. преп. Киселевой О. А.

В настоящее время пенополистирол нашел широкое применение в строительстве в качестве теплоизоляционного материала. В процессе эксплуатации он подвергается воздействию ультрафиолетового облучения и повышенных температур приводящие к старению. Данная работа посвящена изучению влияний данных факторов. Испытания проводились на образцах пенополистирола ПСБС – М 35 размером 20 x 25 x мм после воздействия повышенной температуры (80С) и УФ излучения при двух видах нагружения (поперечного изгиба и пенетрации). В процессе эксплуатации фиксировали максимальную нагрузку и глубину погружения индентора в течении 10 минут при постоянной нагрузке (1,1 кг). Полученные результаты представлены на рис 1... 0, 0, 0, 0, 0, 0, Рис. 1. Зависимость прочности пенополистирола при поперечном изгибе 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 0. Рис. 2. Зависимость глубины погружения индентора в пенополистирол Из рисунков 1 и 2 видно, что ультрафиолетовое облучение практически не сказывается на прочности пенополистирола, а после 105 часов она повышается на 15%. Однако ультрафиолетовое облучение отрицательно сказывается на твердости материала. При этом падение твердости начинает проявляться после 5 часов, а к 105 часам она падает на 10%. Воздействие ультрафиолетового облучения приводит к изменению цвета образца; с белого на желтоватый.

При тепловом воздействии (800С) наблюдается улучшение механических характеристик пенополистирола. Резкое повышение прочности (на 48%) происходит в первые 7,5 ч. прогрева. При дальнейшем прогреве (до 105 ч.) прочность пенополистирола остается постоянной. При этом твердость уменьшается.

Одним из существенных недостатков пенополистирола являются его деформируемость и низкая прочность. Избавиться от этих недостатков можно путем нанесения различных покрытий.

В работе было изучено влияния вида покрытия на прочность и механизм разрушения пенополистирола. Испытания проводились при поперечном изгибе в режиме постоянной скорости нагружения, в процессе которых фиксировалась разрушающая нагрузка. Полученные результаты предоставлены в табл.1.

Прочность при поперечном изгибе покрытого пенополистирола, сжатой зоне с двух сторон Из таблицы видно, что при нанесении покрытия прочность пенополистирола повышается. При нанесении полиэтиленовой пленки прочность повышается на 36%. Под действием нагрузки вначале происходит отрыв пленки, а затем разрушение пенополистирола.

При нанесении бумажных обоев или сетки прочность пенополистирола повышается на 79%, а при расположении покрытия с двух сторон на 164%, т. е. в 1,64 раза. Кроме того, твердость пенополистирола покрытого бумажными обоями повышается в 2 раза. Следует отметить, что при данном виде покрытия пенополистирол не разрушается, но сильно деформируется.

1. Андрианов К.А., Ярцев В.П. Прочность, долговечность и термостойкость пенополистирола в ограждающих конструкциях // Ч. 3.

Конструкции из дерева и пластмасс. Строительная механика: Сб. материалов всерос. науч. – практ. конф. молодых учёных «Строительные конструкции – 2000» / Моск. гос. строит. ун-т. – М., 2000. – С. 48–53.

2. Андрианов К.А., Ярцев В.П. Определение долговечности пенополистирола под нагрузкой // Современные проблемы строительного материаловедения. Материалы пятых академических чтений РААСН:

Сб. науч. ст. – Воронеж, 1999. – С. 22–24.

АВТОМАТИЗАЦИЯ

И УПРАВЛЕНИЕ

Автоматизация технологических процессов Руководитель программы д.т.н., проф. Погонин В. А.

О ВОЗМОЖНОСТИ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО БЕСКОНТАКТНОГО

СОВОКУПНОГО КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ

И ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. Мордасова М. М.

Во многих технологических процессах качество производимого продукта в виде жидкости определяется физико-механическими свойствами: плотностью, поверхностным натяжением и вязкостью.

Одним из путей получения информации о качестве продукции является применение бесконтактных методов контроля физико-механических параметров жидкостей, базирующихся на силовом воздействии струи сжатого воздуха на поверхность исследуемой жидкости. [1, 3] Рассмотрим процессы, происходящие при взаимодействии газовой струи с поверхностью жидкости.

Струя газа, направленная перпендикулярно поверхности жидкости действует на неё с некоторой силой F. Силой F от действия струи газа деформируется поверхность жидкости и образуется углубление, характеризующееся диаметром d и глубиной h. Очевидно, что изменение скорости газа w в струе приводит к изменению силы F, воздействующей на поверхность жидкости, и глубины углубления h.

Энергия сжатого воздуха, направленного на поверхность жидкости, расходуется на работу против архимедовых сил FA, силы поверхностного натяжения F и силы сопротивления перемещению F.

Силы FA, F, F, противодействующие силе F имеют следующие характеристики. Сила Архимеда FA пропорциональна объёму углубления, работа против силы FA приводит к изменению потенциальной энергии EA, заключающейся в подъёме уровня жидкости. Сила поверхностного натяжения F пропорциональна интенсивности изменения площади поверхности жидкости, работа против силы F приводит к изменению потенциальной энергии поверхностного натяжения E, пропорциональной изменению площади поверхности жидкости. Сила сопротивления перемещению F зависит от взаимной скорости перемещения молекул внутри жидкости, работа против силы F приводит к увеличению внутренней энергии жидкости.

В статическом режиме при w=0 сила F=0.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что физикомеханические параметры жидкости плотность, поверхностное натяжение и вязкость необходимо рассматривать в комплексе. При измерении одного из контролируемых параметров отклонение других от номинального значения вносит дополнительную погрешность. Таким образом, при переходе к совокупным измерениям физико-механических параметров жидкостей повышается их точность (исключается взаимное влияние параметров) и информативность (увеличивается число измеряемых величин).

Суть предлагаемого метода совокупных измерений плотности и поверхностного натяжения заключается в следующем. В перпендикулярно падающей на поверхность жидкости струе воздуха устанавливают некоторую постоянную скорость w1 путём изменения расхода воздуха в трубопроводе. Под действием струи сжатого воздуха на поверхности жидкости формируется углубление глубиной h1. В установившемся режиме, что необходимо для исключения влияния вязкости, величину h1 измеряют любым доступным методом и ставят в соответствие фиксированному расходу Q1. Затем расход изменяют до некоторого значения Q2 и в установившемся режиме измеряют h2. В результате выполнения данных операций по измеренным значениям Q1, h1, Q2, h2 получают систему уравнений для определения и.

Система уравнений для определения плотности и поверхностного натяжения имеет следующий вид:

где f(Q) – функция расхода;

p(h), q(h) – функции глубины.

Система (1) имеет единственное решение при условии в противном случае уравнения системы преобразуются к одному.

С целью выяснения выполняемости условия (2) был проведён эксперимент, в ходе которого для различных значений расхода Q определялись формы углубления, исходя из которых рассчитаны объёмные и поверхностные характеристики. В качестве исследуемой жидкости применялось касторовое масло. Вид функций p, q выбран следующий:

где g – ускорение свободного падения.

По результатам обработки экспериментальных данных построены зависимости объёма углубления V(h) и интенсивности изменения площади поверхности жидкости S'(h), представленные на рисунке 1.

Рис. 1. Зависимости объёма и интенсивности изменения площади углубления Из графика, представленного на рисунке 1 видно, что зависимости V(h) и S'(h) не пропорциональны, следовательно система (1) будет иметь единственное решение. Особенно благоприятными для совокупных измерений физико-механических свойств анализируемой жидкости представляются участки кривых, соответствующие изменению h до мм, так как V(h) здесь имеет линейный характер, S'(h) – квадратичный.

С практической точки зрения решить систему уравнений (1) с высокой степенью точности возможно, если слагаемые в правых частях уравнений системы имеют один порядок, в противном случае нахождение одного из параметров будет затруднительно. Проведённый по экспериментальным данным расчёт показал, что комплекс p(h) в среднем по эксперименту в три раза больше значений q(h).

1. Залманзон А. А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. – М.: Наука, 1973 – С. 158Rosler R. S. Stewart G. H. Impingement of gas jets on liquid surface // J. Fluid. Mech. – Vol. 31 – Part. 1. – 1968. – Pp. 168-174.

3. Мордасов Д. М. Пневмодинамический бесконтактный контроль плотности жидких веществ. / Д. М. Мордасов: // Вестник ТГТУ. – 2004.

– т. 10. №3. – С. 666-674.

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И СЕРТИФИКАЦИЯ

Метрологическое обеспечение контроля качества, свойств и состава веществ, Руководитель программы д.т.н., проф. Чуриков А. А.

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ

ПНЕВМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ

Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. Мордасова М. М.

ТГТУ, Кафедра «Автоматизированные системы и приборы»

Дифференциальные пневматические методы измерения плотности жидкости ж нашли широкое применение в промышленности благодаря независимости результатов измерения от колебаний уровня жидкости, величины давления над ее поверхностью и расхода газа, подаваемого в измерительный элемент. Существенным недостатком этих методов является их низкая точность, обусловленная влиянием проводимостей барботажных трубок на результат измерения [1]. Это влияние устранено в дифференциальном пневматическом плотномере с регулятором расхода, принцип действия которого описан в этой статье.

На рис. 1 представлена схема измерительного элемента, реализующего дифференциальный пневматический метод.

Рис. 1. Дифференциальный первичный измерительный преобразователь В состав дифференциального измерительного преобразователя входят барботажные ( пневмометрические) трубки 1 и 2, погруженные в контролируемую жидкость на глубину h1 и h2, соответственно. В трубки через пневматические сопротивления подают газ с постоянными расходами G1 и G2.

Процессы в емкостях V1 и V2 барботажных трубок 1 и описываются дифференциальными уравнениями:

где 1, 2 – проводимости барботажных трубок 1 и 2; 1, 2 – проводимости дросселей 3 и 4; R – газовая постоянная; T – температура;

PV1, PV2 – давления в емкостях V1 и V2; PГ1, PГ2 – гидростатические давления на концах трубок; t – время.

Гидростатическое давление в трубках определяется из уравнений:

(4) где PА –давление над поверхностью жидкости; g – ускорение свободного падения.

Проводимости барботажных трубок при ламинарном режиме течения газа по ним:

где l1, l2 –длины барботажных трубок, Г – плотность газа, µГ – вязкость газа, r1, r2 –радиусы барботажных трубок.

В установившемся режиме при условии r1= r2, вычитая (2) из (1), получим:

Так как о контролируемой величине судят по разности давлений PГ1-- PГ2, то должно соблюдаться равенство PV1 - PV2 = PГ1-- PГ2, выполняющееся при условии:

Подставляя 1 и 2 из (5) и (6) в (8), с учетом r1= r2 получим:

(9) Выполнение равенства (9) возможно при подаче газа на вход барботажных трубок с расходами, пропорциональными длине этих трубок.

Следует отметить, что из-за различных длин барботажных трубок в них может возникнуть разность давлений порядка 20-30 Па. Эта разность обусловливает ошибку в измерении плотности, которая в диапазоне измерения 1000-1020 кг/м3 при разности глубин погружения пневмометрических трубок в контролируемую жидкость 0,5 м и диаметре этих трубок 4-8 мм может достигнуть 20-30 % [2].

На рис. 2 изображена принципиальная пневматическая схема дифференциального пневмометрического плотномера барботажного типа, в котором выполняется условие (9) за счет применения блока, обеспечивающего определенное соотношение расходов [3].

Рис. 2. Принципиальная пневматическая схема Дифференциального пневмометрического плотномера Дифференциальный пневмометрический плотномер состоит из двух барботажных трубок 9 и 10, погруженных в контролируемую жидкость, регулятора расхода РР, элемента сравнения 2 и блока компенсации балластного давления БК.

Регулятор соотношения расходов содержит два регулируемых дросселя 6 и 11, элемент сравнения 1 и повторитель со сдвигом 4.

Газовыйпоток, поступающий с повторителя со сдвигом 4, с расходом G создает на дросселе 11 перепад давления Pвх, определяемый соотношением.

где 9 – проводимость дросселя 11.

В соответствии со схемой включения элемента сравнения равновесие обеспечивается лишь в том случае, когда перепад давлений на дросселе 6 равен входному перепаду Pвх. Соответственно, расход G в выходную линию регулятора, соединенную со входом барботажной трубки 10, пропорционален входному расходу G9.

где 6 – проводимость дросселя 6.

Таким образом, в регуляторе расхода определенное соотношение проводимостей регулируемых дросселей обеспечивает такое соотношение расходов, при котором выполняется условие (9). При этом подставляя (11) в (9) и считая, что G1=G9 и G2=G6, получаем соотношение:

на основании которого можно сделать вывод, что проводимости регулируемых дросселей должны подбираться пропорционально длинам соответствующих барботажных трубок. При выполнении условия (12) на выходе дифференциального пневматического плотномера с регулятором расхода формируется выходной сигнал Pвых, значение которого не зависит от проводимостей барботажных трубок.

1. Мордасов М.М., Мищенко С.В., Мордасов Д.М. Физические основы измерения плотности и поверхностного натяжения пневматическими методами. –Тамбов: ТГТУ, 1999. 76 с.

2. Глыбин И.П. Автоматические плотномеры и концентратомеры в пищевой промышленности. - М.: Пищевая промышленность, 1975.- 3. А. с. № 446036 СССР, кл. G 05 D 7/03, Пневматический регулятор расхода / Мордасов М.М., Трофимов А.В., - № 3893615/24-24;

Заявл. 05.05.85; Опубл. 23.04.87. Бюл. № 15.

СОДЕРЖАНИЕ

Направление

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Магистерская программа 150400.

ПРИВОДЫ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Pages:     | 1 | 2 |

3

| 4 |