CC BY
64
M. V. Krivenkov, A. N. Pakhomov, V. I. Ivanchura
FUZZY CONTROLLER OF SPEED IN FREQUENCY-CONTROLLED THE ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE
It is given an example of use offuzzy controllers for stabilization of speed of the asynchronous electric drive. Results of the researches are shown in comparison with traditional regulators. Researches prove to be true static and dynamic characteristics.
ХЦК 621.3.049.77
Г. Г. Крушенко, С. Н. Решетникова ПРИМЕНЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Описано современное состояние и перспективы развития нанотехнолий, а также применение нанопорошо-ков выгсокопрочныых тугоплавких химических соединений для повышения физико-механических характеристик и эксплуатационных изделий, изготовляемых из различных металлов и сплавов различными методами.
В последние годы большое внимание уделяется нанопорошкам (НП) химических соединений, которые представляют собой сверхмелкозернистые кристаллические или аморфные образования с размерами, не превышающими 100 нм. Такое отношение к этим материалам объясняется тем, что они обладают уникальными физико-химическими свойствами и механическими характеристиками, существенно отличающимися от таковых для материалов того же химического состава в массивном состоянии. Причем эти свойства могут в определенной степени передаваться получаемым из них или с их участием изделиям.
Если совсем недавно публиковались данные только о способах и оборудовании для получения НП, а также результаты изучения их свойств, то к настоящему времени все чаще появляются публикации по их использованию для создания продукции как на металлической, так и на эластомерной основе [1; 2]
В 2000 г. в США было выделено [3] 497 млн долл. для финансирования работ в области нанотехнологий как одной из высокоперспективных отраслей, при этом большая доля из них (170 млн долл.) предусмотрена для финансирования работ на прорывных направлениях, в частности, в области материаловедения. В 2003 г. для проведения наноисследований в США в рамках National Nanotechnology Initiative было выделено 770 млн долл., в 2004 г. эта сумма была увеличена на 9,5 % (т. е. на 73,15 млн долл.) [4]. А согласно одобренному Палатой Представителей законопроекту, для проведения работ по программам в области нанотехнологий на последующие три года планируется 2,36 млрд долл.
В ноябре 2002 г. в Брюсселе стартовала Sixth Framework Programme of the European Community for research technological development and demonstrates activities (FP6) с суммарным финансированием 1 320 млн евро, которая включает семь приоритетных направлений, в том числе и исследования в области нанотехнологий и нанонауки с бюджетом 120 млн евро. Программа FP6 открыта и для России.
Состоянию нанотехнологий в России в настоящее время посвящена опубликованная в журнале «Вестник РАН» статья член-корреспондент РАН И. В. Мелихова [5], излагающая суть его выступления на майском (2002 г.) заседании Президиума РАН, а также последовавшее за ним обсуждение [6], охватившее широкий круг нанонауки в целом. В результате обсуждения было рекомендовано рассмотреть этот вопрос на декабрьской (2002 г.) Научной сессии Общего собрания РАН. На указанной сессии и был заслушан доклад лауреата Нобелевской премии академика Ж. Алферова «Нанотехнологии и наноструктуры», в котором он сообщил, что Россия занимает лидирующие позиции в этом научном направлении, которое будет определять в XXI в. прогресс в целом ряде областей науки и техники, включая материаловедение. Постановлением Общего собрания РАН было решено включить программу развития нанотехнологий в число главных приоритетов РАН. И в начале 2003 г. была создана комплексная Программа РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов».
В настоящее время сотни организаций во многих странах изготовляют нанопорошки различного химического состава и разрабатывают с их применением различные нанотехнологии для получения продукции широкого профиля. Публикуются сотни статей и монографий, проводятся десятки конференций. Однако практически отсутствует информация о применении нанопорошков в приложении к конструкционным сплавам и получаемым из них изделиям, что не было обнаружено и при подробном ознакомлении с перечнем применяющихся в настоящее время нанотехнологий, а также с перечнем нанотехнологий, появление которых прогнозируется на период с 2010 по 2040 гг. [7]. Автор этой работы, проанализировав обширную научно-техническую литературу, установил, что в настоящее время в мире применяется 57 нанотехнологий, которые охватывают такие области, как компьютерная техника и электроника, биологические науки, простые волокна, защита от коррозии, катализаторы, лег-
коочистимые материалы, космос, экология, военные применения, наномеханосинтез, наномедицина, крионика, оптика и керамика. В каждую из них, в свою очередь, входит ряд нанотехнологий, среди которых можно выделить относительно близкие к предмету, описываемому в настоящей работе: применяющиеся в наши дни - защита сплавов от коррозии, сверхпрочные материалы, керамика. В период с 2010 по 2020 гг. ожидается внедрение 29 нанотехнологий (разработка сверхпрочных адаптивных материалов, новых материалов для космических применений), а с 2030 по 2040 гг. - еще 28 (производство продуктов с заданной атомной структурой, дубликаторы материи).
Однако «отцом» этого направления можно считать известного физика, лауреата Нобелевской премии Р. Фейнмана, который в 1959 г. в своей знаменитой лекции, известной под названием «Там внизу, еще много места», опубликованной в 1960 г. [8], указал на возможные значительные перспективы конструирования в масштабе атомов и молекул, которые могут быть достигнуты в результате получения материалов и устройств в атомно-молекулярном масштабе (atomic-molecular scale) и отметил, что для управления свойствами этих малых наноструктур («nano»-structures), необходимо будет создать новый класс миниатюрного инструментария.
В то же время по данным [9] исторический приоритет в изготовлении и использовании ультрадисперсных (наносистем принадлежит России. Именно в России (СССР) еще в 1950-е гг. на предприятиях атомной промышленности впервые в мире были получены ультрадисперсные порошки металлов с размером частиц около 100 нм, которые были успешно применены при изготовлении мембран для установок диффузионного разделения изотопов урана. А в 1960-е гг. в Институте химической физики АН СССР был разработан левитационный способ (испарение с последующей конденсацией) получения ультра-дисперсных порошков. В 1970-е гг. с помощью методов электрического взрыва проводников и плазмохимического синтеза ассортимент ультрадисперсных порошков был существенно расширен, и в эти же годы появились открытые публикации о различных способах получения и о необычных свойствах малых частиц. В 1980-е гг. был разработан химико-металлургический метод получения ультрадисперсных порошков. Выход нескольких монографий и большого числа научных статей в конце 1970-х -начале 1980-х гг. сформировал в СССР новое научно-техническое направление - «ультрадисперсные системы».
За рубежом первые нанофазные материалы в виде кристаллов диаметром в несколько нанометров были получены лишь в 1987 г. Г. Глайтером с коллегами (ФРГ, университет Саарландеса в Саарбрюккене) [3]. При этом было установлено, что если в обычных крупнозернистых материалах почти все атомы находятся внутри кристалла, то в нанофазных материалах большая их часть расположена на поверхности.
В США исследования нанокристаллических материалов начались только с 1990 г.
Распоряжением Правительства РФ от 25.08.2006 № 1188-р одобрена «Программа координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в РФ», направленная на ускоренное развитие работ в области нанотех-
нологий и наноматериалов, призванная обеспечить реализацию стратегических приоритетов РФ, изложенных в Основах политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу. Основное назначение Программы - достижение целей, определенных Концепцией развития в РФ работ в области нанотехнологий на период до 2010 г. Программа представляет собой комплекс мер, направленных на обеспечение координации работ по созданию и развитию научной, технической и технологической базы в области нанотехнологий и наноматериалов в РФ, а также на объединение усилий федеральных органов исполнительной власти и организаций в интересах ускоренного формирования наноиндустрии в РФ, и является важнейшим организационным инструментом реализации указанной Концепции.
Согласно Программе перспективными направлениями развития нанотехнологий и наноматериалов являются создание научно-технологической и метрологической базы наноиндустрии; разработка наноинженерии и на-носистемной техники; создание функциональных и конструкционных наноматериалов; разработка нанобиотехнологии; осуществление подготовки и переподготовки кадров для наноиндустрии.
В развитие указанной Программы на заседании Правительства РФ 07.09.2006 г. была обсуждена разработанная Минобрнауки РФ Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ» на 2007-2010 гг., которая должна заложить отвечающий современным требованиям материально-технический базис и обеспечить функционирование составляющих инфраструктуры национальной нанотехнологической сети, что, в конечном счете, обеспечит России определенные конкурентные преимущества в борьбе за лидерство в мировой наноиндустрии. Общий объем финансирования Программы составит около 29,06 млрд руб. В результате обсуждения Программы Правительство обязало Минобрнауки, Минэкономразвития и Минфин завершить до 1 октября 2006 г. ее разработку, после чего внести на рассмотрение правительства. При этом Правительство поручило Минобрнауки и Минэкономразвития совместно с Минпромэнерго, Минобороны, Роскосмосом, Росатомом и другими заинтересованными федеральными органами исполнительной власти принять необходимые меры по развитию нанотехнологий.
Однако при этом следует учесть [10], что если согласно принятой в США в 2000 г. упомянутой выше федеральной «Национальной нанотехнологической инициативе» (NN1)) будет разрабатываться не менее тысячи направлений с суммарным финансированием в 2007 г. свыше 1,2 млрд долл., то российская наука способна обеспечить поиск лишь в 200-300 направлениях. При этом по произведенным оценкам, финансирование даже единичной нанотехнологической разработки должно соответствовать примерно 3 млн долл. в год. Поэтому если работы будут производиться по всем 200-300 направлениям, к которым подготовлена российская наука, то финансирование Программы обойдется примерно в 30 млрд руб. в год. А создание соответствующих обеспечивающих производств и служб обойдется еще дороже. Однако та-
кие затраты жизненно необходимы для устойчивого стратегического развития России.
Следует отметить, что, начиная с 1973 г., задолго до «нанобума», вначале в Красноярском институте цветных металлов, затем в Отделе машиноведения ИВМ СО РАН проводятся исследования, в ходе которых был выполнен большой объем работ по изучению возможности применения НП (более 20 видов), полученных методом плазмохимического синтеза и взрывным методом для повышения физико-механических характеристик и качества металлоизделий. Первое авторское свидетельство на изобретение по применению НП для измельчения структуры алюминиевых сплавов [11] получено в 1981г. В проведенных исследованиях в основном использовались НП, полученные методом плазмохимического синтеза [12], который по своим технологическим возможностям и технико-экономическим показателям является наиболее перспективным из известных способов.
При этом были использованы НП, полученные методом плазмохимического синтеза в ИФХИМС СО РАН (Новосибирск), ИНХТ РАН (Черноголовка), ИМЕТ РАН (Москва) ИНХ АН Латвии, Алма-Атинском энергетическом институте, Сибирском металлургическом институте (Новокузнецк) и РИТЦ СО РАН (Томск): А1203; В4С; В^ Н!^ Н®,; LaB6; SiC; Si3N4; Та^ Ti С N ; Ti С N О.; ТЫ; ТЮ,; VC; УСД и другие, а также 0^™ НП: АШ + TiN; BN + В4С; SiC + В4С.
Цругая технология получения НП - метод электрического взрыва проводника (электродуговой синтез), при котором материал проводника в виде проволочки при прохождении по нему мощного импульса тока разрушается, в результате чего образуются ультрадисперсные частицы [13]. Эта технология успешно применяется в научно-исследовательских институтах высоких напряжений (Томск). Согласно работам сотрудников этого института, полученные этим методом частицы порошков обладают запасенной избыточной энергией, величина которой в несколько раз превышает теплоту плавления того же количества вещества в массивном состоянии. Проведенный анализ возможных путей запасания энергии показал, что физически реальным и достаточным в количественном отношении является лишь механизм, связанный со сверхравновесным растворением водорода в металле.
В общем, это отмечалось для частиц НП, полученных методом плазмохимического синтеза [1], что первопричиной возникновения избыточной энергии является развитая поверхность частиц, что, в свою очередь, приводит к отрицательному эффекту - активному насыщению НП газами из окружающей атмосферы как на стадии синтеза, так и при хранении на воздухе даже в двойной полиэтиленовой упаковке. Используемый нами А12О3 был получен методом электродугового синтеза в РИТЦ СО РАН (Томск).
В результате проведенных исследований по нанотематике как в рамках 9-и хоздоговорных тем, так и по 2-м грантам, включая грант Президиума РАН (2003-2007 гг.), было получено 25 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения по применению НП для повышения качества металлоизделий, изготовляемых разными технологиями из различных металлов и сплавов, защищено 4 кандидатские и 1 докторская диссертации. Большая часть работ
была проведена с целью измельчения структуры и, как результат, повышения уровня механических свойств изделий из алюминиевых литейных сплавов (фасонное литье и жидкая штамповка) и чугуна (фасонное литье), алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов при литье слитков полунепрерывным способом. Кроме того, получены положительные результаты при сварке объемной конструкции транспортного средства из листов сплава АМгб сварочными электродами, содержащими в объеме НП. При этом повысились механические свойства сварного шва. Использование НП при электроискровом легировании обеспечило повышение твердости поверхности металлоизделий. В результате введения НП в противопригарные покрытия, применяющиеся для окраски разовых песчаноглинистых литейных форм и стержней, на поверхности стальных и чугунных отливок практически отсутствовал трудноудалимый пригар и повысилась чистота их поверхности. Использование огнеупорных красок, содержащих НП, для окраски поверхности металлических литейных форм, повышает чистоту поверхности отливок и увеличивает съем отливок с одной покраски формы.
В настоящее время в продолжаются исследования по упомянутой выше комплексной Программе РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмер-ных систем и наноматериалов» в рамках проекта «Разработка технологий применения нанопорошков химических соединений для повышения механических свойств металлоизделий».
Работа выполнена при финансовой поддержке программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Разработка методов получения новых химических веществ и создание новых материалов» (проект 8.23), РФФИ (№ 06-08-00477) и ИНТАС (№ 04-80-6791).
Библиографический список
1. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В. П. Сабуров [и др.]. Новосибирск : Наука ; Сибирская издательская фирма РАН, 1995. 344 с.
2. Упрочнение металлических, полимерных и эласто-мерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза / М. Ф. Жуков [и др.]. Новосибирск : Наука ; Сибирская издательская фирма РАН, 1999. 312 с.
3. Большое будущее маленьких кристаллов // В мире науки (Scientific American): 1990. N° 7. С. 24-25.
4. March, G. Hopeful future for a nano-Europe / G. March // Materials Today. 2003. № 7-8. P. 40-45.
5. Мелихов И. В. Физикохимия наносистем: успехи и проблемы / И. В. Мелихов // Вестник РАН. 2002. Т. 72. № 10. С. 900-904.
6. Наука «уходит» в микромир // Вестник РАН. 2002. Т. 72. № 10. С. 905-909.
7. Свидененко, Ю. Г. Прогноз развития нанотехнологий с 2003 по 2050 гг.: прогноз развития нанотехнологий в будущем, а также отрасли человеческой деятельности, которые будут при этом затронуты / Ю. Г. Свидененко. [Электронный вариант]. Электрон. дан. Режим доступа : http://nanonewsnet.ru/09.08.2004]. Загл. с экрана.
8. Feynman, R. P. There’s plenty of room at the bottom / R. P. Feynman // Engineering and Science. 1960. V. 23. № 2. P. 22-36.
9. Арсентьева, И. Ультрадисперсные порошки металлов / И. Арсентьева // Национальная металлургия. 2002. № 4. С. 66-71.
10. Мелихов, И. За бортом. Нанотехнологический бум -без нас / И. Мелихов // Поиск. 8 сентября 2006. N° 36.
11. А.с. СССР № 831840. Способ модифицирования литейных алюминиевык сплавов эвтектического типа /
Г. Г. Крушенко [и др.] ; заявл. 17.10.79; опубл. 23.05.81. Бюл. № 19.
12. Колесников, А. В. Применение ультрадисперсных порошков для повышения качества деталей машин и механизмов / А. В. Колесников, Г. Г. Крушенко, М. Н. Филь-ко. Алма-Ата : КазНИИНТИ, 1991. 72 с.
13. Гаврилов, В. Н. Получение частиц методом электрического взрыва проводников / В. Н. Гаврилов, Е. А. Литвинов // Прикладная механика и техническая физика. 1993. Т. 34. №° 6. С. 28-34.
G. G. Krushenko, S. N. Reshetnikova
CURRENT STATUS AND THE FUTURE TRENDS OF THE NANOTECHNOLOGIES
There presented current status and the future trends of the nanotechnologies. Using the nanopowders of high-strength refractory chemical compounds (nitrides, borides, carbides, etc.) for increasing the physics-mechanical and operating characteristics offactory-made goods made of different metals and alloys by different methods is described.
В. С. Панько, Ю. П. Саломатов
ДВУХЧАСТОТНОЕ СОГЛАСОВАНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ НАГРУЗОК С ПОМОЩЬЮ ДВОЙНОГО Г-ЗВЕНА
Рассматривается метод согласования произвольных комплексных нагрузок с активным сопротивлением линии передачи с помощью сдвоенного Г-звена, обеспечивающий возможность согласования в двух частотных точках. Синтезируются четыре согласующие цепи. Приводятся соотношения для расчета элементов цепей и пример согласования.
Одним из важнейших аспектов проблемы преобразования электромагнитной энергии, принимаемой антенной системой в электрический сигнал, является эффективность согласования комплексного сопротивления антенны 2Н и активного сопротивления линии передачи Я (рис. 1).
R
Zh = Rh + j'Xh
Рис. 1. Согласующая цепь
Для количественной оценки степени согласования используется понятие коэффициента стоячей волны (КСВ), равно
КСВ =
где Г - комплексный коэффициент отражения:
ё
^ _ 1 н - Я
~ ё '
1 н + Я
Наиболее эффективным с точки зрения передачи мощности от антенны в фидер является значение КСВ, равное еди-
ё
І+ г
8
1 - г
ницы, возможное, когда отражение падающей волны отсутствует. Как правило, при прямом подключении нагрузки (антенны) к линии передачи условие согласования не выполняется. Для его достижения используются устройства, включаемые каскадно с нагрузкой и называемые согласующими цепями. Согласующая цепь (СЦ) обеспечивает трансформацию сопротивления нагрузки 2Н к сопротивлению фидера Я в одной частотной точке либо в полосе частот. Для построения согласующих цепей используются известные методы узкополосного [1], широкополосного [2] и многополосового [3] согласования. Вместе с тем в практике построения антенных систем нередко возникают требования, затрудняющие применение указанных методов согласования. В частности, такие антенные системы используются в устройствах связи с разделением по частоте. Пусть система связи использует частоту/1 для передачи и частоту/2 для приема, разнесение между частотами произвольное (рис. 2). Для удовлетворительной работы антенны требуется обеспечение согласования одновременно на обеих частотах. Использование упомянутых выше методик согласования в данном случае затруднительно по следующим причинам. Узкополосное согласование подразумевает всего одну точку согласования. При широкополосном согласовании возможно обеспечение полосы частот Д/=/2 —/, однако в этом случае количество элементов СЦ будет увеличиваться с увеличением А/ Кроме того, согласно теореме Фано, при увеличении А/общий уровень согласования будет ухудшаться.
