卷 59, 编号 4 (2023)
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ
Адсорбционная деформация в многокомпонентных пористых системах
摘要
Обсуждается обобщение процедуры расчета локальных механических модулей многокомпонентных пористых материалов в процессе адсорбционной деформации смесью адсорбированных молекул. Пористая система моделируется двухуровневой структурной моделью, состоящей из связанных между собой системы глобул/зерен и системы пор, внутри которых происходит адсорбция. Адсорбат одновременно влияет на внешнюю и внутреннюю поверхность адсорбента, меняя объем образца с фиксированным количеством адсорбента. На основе двухуровневых структурных моделей деформируемых пористых тел в рамках модели решеточного газа сформулированы уравнения, обеспечивающие самосогласованное описание изменения их объема и парциальных изотерм адсорбции как функции внешнего давления адсорбата при фиксированной температуре. Для простоты изложения схемы расчета принята соизмеримость размеров атомов твердого тела и компонентов мобильной фазы адсорбата. Молекулярный уровень отражает собственный объем молекул и их латеральное взаимодействие в квазимическом приближении. Надмолекулярный уровень модели представлен в виде зерна пористого материала с заданной функцией распределения связанных между собой пор разного типа и размера. На примере модуля сжатия рассмотрена методика расчета средних локальных механических модулей, характеризующих механические свойства твердых тел.
Уравнения двухкомпонентной адсорбции из жидкости на твердой поверхности с учетом ее деформации и электрического заряда на ней
摘要
В рамках термодинамической теории равновесной двухкомпонентной адсорбции из жидкости на плоской твердой поверхности с учетом ее деформации и наличия на ней электрического заряда выводятся при малых деформациях два уравнения изотермы такой адсорбции, содержащие две неизвестные функции, независящие от электрического потенциала твердой фазы. Показано, что задача поиска условий однофазности адсорбционного слоя сводится к такой же задаче, но поставленной для недеформированной поверхности.
Извлечение ионов меди композиционными сорбентами на основе хитозана из водных растворов в присутствии поверхностно-активного вещества
摘要
Представлены результаты исследования сорбции ионов меди(II) композиционными сорбентами на основе хитозана и минеральных армирующих наполнителей из водных растворов и растворов, содержащих додецилдиметиламин-N-оксид. Показано, что композиционные сорбенты “хитозан–глауконит” и “хитозан–цеолит” характеризуются наибольшим приростом сорбционной емкости по ионам Cu(II) в растворах содержащих ПАВ, чем композиты состава “хитозан–диоксид кремния” и “хитозан–монтмориллонит”. Проведено сравнение сорбционных характеристик композиционных сорбентов с таковыми для исходного гидрогелевого хитозанового сорбента. Получены ИК-спектры, дифрактограммы, микрофотографии поверхности образцов.
Адсорбционные характеристики пленки алюминия легированного празеодимом
摘要
При комнатной температуре были измерены оптические постоянные n и k поликристаллической пленки сплава алюминия и 2.54 ат. % празеодима. На основе этих данных получены спектры оптической проводимости для чистой и окисленной поверхности сплава. При анализе результатов сравнения этих спектров с модельными, получены электронные характеристики оптических переходов, в том числе характеристики поверхностных состояний электронов. Показано, что полоса проводимости сплава с чистой поверхностью расщеплена в минимальной степени. Рассчитаны значения теплоты адсорбции кислорода на поверхности пленки сплава Al–2.54 ат. % Pr. Положение равновесия процессов адсорбции–десорбции пленки сплава при комнатной температуре существенным образом сдвинуто в сторону десорбции.
Получение фотоактивных композитов TiO2/цеолит LTA по растворной технологии в гидротермальных условиях
摘要
Впервые с использованием растворной технологии в реакторе под давлением получены композиты оксида титана и цеолита LTA, содержащие в своем составе 50, 70 и 80% TiO2. Материалы охарактеризованы методами РФА, ИК-спектроскопии, СЭМ, энергодисперсионного микроанализа, низкотемпературной адсорбции-десорбции азота. Адсорбционные и фотокаталитические свойства композитов исследованы на примере модельного красителя родамина Б. Морфология поверхности, текстурные, адсорбционные и фотокаталитические свойства полученных композитов, а также фазовый состав TiO2 в значительной степени зависят от степени покрытия поверхности цеолита. Для композитов 80% TiO2/LTA наблюдалась близкая к 100% степень покрытия и именно для этого состава с размером TiO2 кристаллитов около 11 нм и соотношением фаз анатаз/рутил около 0.54 установлена наиболее высокая фотокаталитическая активность.
НАНОРАЗМЕРНЫЕ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
О формировании спектрально-селективных термооксидных покрытий на поверхности хромистой стали для использования в устройствах солнечной энергетики
摘要
Исследован процесс формирования спектрально-селективных покрытий-абсорберов оптического излучения с высоким коэффициентом поглощением, полученных термическим оксидированием высокохромистой стали Х18Н10Т в течение 1 ч в воздушной атмосфере при температурах 100–900°С. Состав пленок и их толщина контролировали с помощью ИК-Фурье-спектроскопии диффузного отражения и спектральной рефлектометрии зеркального отражения. Показано, что толстые оксидные слои (1400 А) с высоким поглощением в широком диапазоне длин волн солнечного излучения, получаются путем термооксидирования пластин стали при 800–900°C. К сожалению, толстые покрытия, получаемые воздушным оксидированием стали при высоких температурах, спектрально слабо селективны, обладают невысокой механической прочностью, могут растрескиваться, осыпаться. Более тонкие оксидные слои (400–800 А) с невысоким содержанием окислов хрома, формируемые при оксидировании стали при 500–600°С, позволяют получить спектрально-селективное поглощение, достаточное для работы соответствующих преобразователей оптического излучения видимого диапазона. Такие слои более прочны, компактны, имеют высокое оптическое качество и многослойную и/или градиентную структуру, позволяют сформировать 1- и 2-слойные интерференционные покрытия необходимой толщины и состава, обладают высоким поглощением и выраженным фотоэлектрическим откликом в спектральных областях видимого солнечного излучения.
Влияние редокс электролита на электрохимические характеристики нанокомпозитного электрода пэдот-(1,2-нафтохинон-4-сульфонат натрия)/мунт
摘要
Методами циклической вольтамперометрии (ЦВА), гальваностатического заряд-разряда и спектроскопии электрохимического импеданса (СЭИ) изучено влияние редокс электролита на электрохимические характеристики композита на основе проводящего полимера поли (3,4-этилендиокситиофена) (ПЭДОТ) и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ). Для формирования на поверхности нанотрубок равномерного тонкого слоя ПЭДОТ использовали ферментативный способ полимеризации мономера. Электрохимически активное соединение 1,2-нафтохинон-4-сульфонат натрия (НХС) являлось допантом основной цепи ПЭДОТ и, одновременно, компонентом электролита. Добавление 12.5 мМ НХС в электролит увеличивало удельную емкость композитного электрода ПЭДОТ-НХС/МУНТ от 390 до 800 Ф/г при скорости развертки потенциала 10 мВ/с. В редокс электролите 1 М H2SO4 + 12.5 мМ НХС композитный электрод демонстрировал более высокую циклическую стабильность и более низкое сопротивление переноса заряда по сравнению с 1 М H2SO4. После 1000 циклов сканирования потенциала в области от –0.1 до 0.8 В при скорости 100 мВ/с удельная емкость композитного электрода, в растворе 1 М H2SO4 снизилась на 8%, а в растворе 1 М H2SO4 + 12.5 мМ НХС увеличилась приблизительно на 9%.
Особенности селективного лазерного сплавления порошка алюминия, модифицированного гелем пентоксида ванадия
摘要
Представлены результаты исследования особенностей селективного лазерного сплавления (СЛС) порошка алюминия, модифицированного гелем V2O5 в количестве 0.8 мас. %. Показано, что в процессе СЛС на принтере EOS M 280 не удается получить материал с требуемой пористостью. Установлено, что причиной избыточной пористости образцов является высокая скорость нагрева и охлаждения порошков в процессе сплавления, образование легкоплавких фазовых составляющих (AlVO4, V2O5). Температурные режимы процесса (скорости нагрева и охлаждения) не позволяют осуществить синтез интерметаллидов системы Al–V непосредственно в ходе СЛС для изменения функциональных свойств алюминия. Показано, что положительное воздействие V2O5 на сплавление алюминиевых частиц возможно за счет снижения его концентрации на поверхности порошка Al до значений, обеспечивающих лишь разрушение имеющегося оксидного слоя.
НОВЫЕ ВЕЩЕСТВА, МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
Структура, термическая стабильность, жаростойкость и диффузионно-барьерные свойства покрытий в системе Mo–Y–Si–B
摘要
Покрытия Mo–Si–B и Mo–Y–Si–B были получены методом магнетронного напыления в режиме постоянного тока c использованием мишени 90% MoSi2 + 10% MoB, оснащенной сегментами иттрия. Состав и структура покрытий исследовались методами сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа и оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда. Оценку диффузионно-барьерных свойств и жаростойкости проводили посредством отжигов при температурах от 700 до 1000°С. Термическая стабильность определялась при нагреве ламелей покрытий в колонне просвечивающего электронного микроскопа в режиме in-situ. По данным химического анализа, основные элементы были равномерно распределены по толщине покрытий. Скорость роста покрытий не изменялась при введении иттрия и находилась в пределах 325–350 нм/мин. Покрытие Mo–Si–B характеризовалось столбчатой структурой с зернами гексагональной фазы h-MoSi2 размером порядка 50 нм, а также незначительной объемной долей борсодержащей аморфной фазы (a-MoB). Увеличение концентрации Y до 4 ат. % привело к уменьшению размера кристаллитов h-MoSi2 до 10 нм. Покрытие, с максимальной концентрацией иттрия (7 ат. %), содержало аморфную фазу a-MoB с диспергированными в ней кристаллитами фаз h-MoSi2 и t-MoB. Введение в состав Mo–Si–B оптимального количества иттрия (4 ат. %) привело к снижению толщины оксидной пленки в 6 раз после отжигов при температуре 800°С и в 3 раза при 900–1000°С. Покрытие с максимальной концентрацией иттрия (7 ат. %) обладало наилучшими из всех исследованных образцов диффузионно-барьерными свойствами при 700–1000°С, а также по термической стабильности превосходило образец Mo–Si–B. Положительные эффекты от введения иттрия в состав покрытий были связаны с: (а) модификацией структуры, включая подавление столбчатого роста зерен, (б) переходом к структуре с большей объемной долей аморфной фазы, (в) изоляцией границ зерен и удлинением пути диффузии атомов металлов из подложки, а также, (г) образованием защитных поверхностных слоев на основе оксида иттрия при нагреве на воздухе.
Повышение износостойкости среднеуглеродистой стали катодным электролитно-плазменным бороазотированием
摘要
Изучена возможность повышения износостойкости среднеуглеродистой стали с помощью катодного электролитно-плазменного бороазотирования в водном электролите борной кислоты и хлорида аммония. Исследовано влияние процессов диффузии, высокотемпературного окисления и эрозии на морфологию и шероховатость поверхности, состав и структуру диффузионных слоев. Рассчитаны коэффициенты диффузии бора и азота. Установлено влияние диффузионных процессов в поверхностном слое стали на ее упрочнение при закалке, вызванное образованием азотистого мартенсита и боридов в зоне диффузии бора и азота на глубине до 100 мкм и увеличением концентрации углерода на глубине от 150 до 500 мкм за счет обезуглероживания поверхности. Установлен механизм изнашивания бороазотированной стали, соответствующий усталостному износу при граничном трении и пластическом контакте. Показана возможность повышения износостойкости в 3.5 раза и микротвердости диффузионного слоя до 1050 HV после катодного бороазотирования при 850°С в течение 30 мин.
Защитные покрытия на основе диборида титана и углеродных наполнителей
摘要
Проведены исследования по разработке составов защитных покрытий на основе TiB2 и различных углеродных наполнителей, а также способу их нанесения на катодные блоки алюминиевых электролизеров. Определены физико-химические свойства (морфология поверхности частиц, гранулометрический и фазовый состав) исходных порошков диборида титана, физико-механических свойства и микроструктура лабораторных образцов защитных покрытий. Показано, что наиболее перспективными являются композиции на основе TiB2 и углеродного наполнителя МХНУ (масса холоднонабивная низкоусадочная). Проведены высокотемпературные испытания лабораторных образцов покрытий оптимального состава с добавкой 50% МХНУ, которые показали, что покрытие смачивается расплавом алюминия и позволяет уменьшить износ катодных блоков. Покрытие толщиной 20 мм нанесено на подину опытного электролизера локально в виде полос шириной 900 мм вдоль бортов электролизера с учетом профиля износа и в настоящее время проходит промышленные испытания. Результаты мониторинга содержания титана в металле в течение 196 сут после пуска электролизера показывают эффективность использования разработанного покрытия для защиты катодных блоков от износа и увеличения срока службы.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ МАТЕРИАЛОВ
Коррозионные свойства медицинского сплава TiNi с биоинертными покрытиями
摘要
Проведен сравнительный анализ барьерных свойств и коррозионной устойчивости биоинертных покрытий из тантала, нитрида циркония, нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, а также алмазоподобного покрытия (DLC), нанесенных на поверхность медицинского сплава Ti–50.8 ат. % Ni (TiNi). Все указанные покрытия характеризуются высокими барьерными свойствами по отношению к выходу никеля в биосреду в течение продолжительного времени, тогда как в случае TiNi без покрытия концентрация никеля в тестовом растворе быстро растет и превышает уровень допустимого количества миграции уже после 60 сут выдержки. Гальванические пары TiNi – биоинертное покрытие демонстрируют коррозионное поведение, определяемое природой материала покрытия. Наиболее устойчивой к гальванической коррозии является пара TiNi – Ta, для которой не было выявлено никаких признаков коррозионных процессов ни на одном из элементов пары после выдержки в модельном растворе в течение 24 ч. Пары TiNi–12Х18H10T и TiNi–DLC показывают худшую коррозионную устойчивость среди исследованных пар: обширные области коррозии наблюдались на одном из элементов пар.
Влияние добавок натрия на анодное поведение алюминиевого проводникового сплава AlTi0.1, в среде электролита NaCl
摘要
Приведены результаты экспериментального исследования влияния натрия на анодное поведение алюминиевого проводникового сплава AlTi0.1, в среде электролита NaCl. Исследования проведены потенциостатическим методом в потенциодинамическом режиме при скорости развертки потенциала 2 мВ/с. Показано, что модифицирование натрием алюминиевого проводникового сплава AlTi0.1 способствует смещению потенциалов свободной коррозии, питтингообразования и репассивации в положительную область значений. Скорость коррозии алюминиевого проводникового сплава AlTi0.1 при модифицировании 0.01–0.5 мас. % натрием снижется на 10–20%. От концентрации хлорид-иона, в электролите NaCl отмечено рост скорости коррозии сплавов и смещение в область отрицательных значений величины электрохимических потенциалов.
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Ацетон-нейтральный адсорбционный сенсор влажности выдыхаемого воздуха при диагностике сахарного диабета
摘要
Разработан ацетон-нейтральный адсорбционный сенсор влажности выдыхаемого воздуха, который может быть использован в методике диагностики диабета. В конструкции сенсора использовали молекулярное сито – цеолит КА, гранула которого приклеена к пластине кварцевого резонатора продольных колебаний. Порог чувствительности сенсора по парам воды составляет 0.05% относительной влажности. Вследствие проявления молекулярно ситового эффекта молекулы ацетона проникают в поры цеолита лишь при концентрациях выше ~5%. Поэтому сенсор чувствителен к адсорбции паров воды и не чувствителен к парам ацетона, а также другим летучим органическим соединениям, содержащимся в выдыхаемом воздухе. Содержание ацетона и других биомаркеров заболеваний в выдыхаемом воздухе, может быть определено соответствующим специальным сенсором для определения сахарного диабета, рака легких, дисфункции органов пищеварительной системы и других заболеваний.