CC BY
101. Разработана методика расчета макропараметров кристаллической решетки (энергия связи ЕСВ, степень искаженности решетки Sm), для сталей и сплавов по заданному химическому составу образца и состоянию его основной фазы.
2. Установлена корреляционная зависимость между вычисляемыми параметрами кристаллической решетки (ЕСВ, Sm) и механическими свойствами образца.
3. Определены коэффициенты корреляционной функции для каждого механического свойства.
4. Построены номограммы, позволяющие по заданным механическим свойствам определить возможный химический состав.
5. Формирование механических свойств многокомпонентных неупорядоченных сплавов происходит в объемах размером несколько нанометров.
Литература
1. Баранов М.А. Как два гауссовых облака заряда взаимодействуют между собой // Международное научное объединение «Prospero». - 2014. - № 4. -с. 76-79.
2. Баранов М.А. Точное аналитическое представление энергии взаимодействия взаимно перекрывающихся распределений заряда / Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - т. 11. - № 4. - 2014. - с. 473 - 476.
3. Марочник сталей и сплавов. Под ред. А.С. Зуб-ченко. 2-е изд. М.: Машиностроение, 2003. 783 с.
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ВОДЕ И ЭЛЕКТРОЛИТАХ
Соломкин Федор Юрьевич
к.т.н, ст.научн.сотр., Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт Петербург
В современной технике для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую используются твердотельные термоэлектрики. Многие из них изготавливаются из достаточно токсичных материалов, в состав которых входят теллур, свинец, висмут. Кроме того, синтез этих материалов связан с высокотемпературными технологическими процессами. В данной работе исследовались термоэлектрические эффекты в жидкой среде. Это вода и электролиты на ее основе. Исследование термоэлектрических эффектов в жидких средах может представлять интерес как в технике, так и при изучении биофизических процессов, что обусловлено уникальными свойствами воды.
В [1] было показано, что в ячейках, стенки которых представляют собой плоскопараллельные пластины с размером щели от десятков ангстрем до миллиметра, состоящих из неоднородных проводящих материалов, наблюдается «водоэлектрический эффект». Эффект состоит в том, что на атомном уровне у окружающих воду стенок ячейки, поверхность которых геометрически и энергетически неоднородна, дипольные молекулы воды ориентируются формируя между пластинами дендритную «структуру». В результате поляризации тонкого слоя воды между стенками ячейки возникает электрическое поле. Вода переходит в жидкокристаллическое состояние. ЭДС таких ячеек велика. В интегральном исполнении, из 1 м3 окружающего пространства можно получить энергию порядка киловатта. В природе таких ячеек образованных, например, микротрещинами в горных породах существует великое множество. Вероятно, такие источники энергии участвуют в естественных природных электрохимических и термоэлектрических процессах. Эта работа открывает широкие перспективы для развития альтернативной энергетики, однако при объяснении физической природы эффекта не учитывается возможность влияния температурных полей.
Известен макроэффект, - «водный мост» [3] (рис.1), который также свидетельствует о переходе жидкой воды в упорядоченное состояние. В изолированных друг от
друга стаканах с деионизированной водой помещали электроды (анод и катод). При включении постоянного электрического поля высокого напряжения (15кВ), вода в стаканах поднимается и, повиснув в пространстве между емкостями, создает цилиндрический водный мост диаметром 1-3 мм и длиной до 25 мм. Исследования показали, что первоначально мост формируется за счет электростатических зарядов на поверхности воды. Затем электрическое поле концентрируется внутри объема, упорядочивая молекулы воды. Обнаружено 7% изменение плотности воды в мосте, что может свидетельствовать о выстраивании молекул воды в упорядоченную структуру. Устойчивость моста ограничена температурой 333К.
Что касается живой природы, известно, что многие живые организмы, в том числе человек, на 70-90% состоят из воды и водных растворов. Нормальному состоянию человеческого организма соответствует область температур 309,6-310 К, что составляет в 0.4 К. Теплоемкость воды достигает минимальных значений около 310 К. Именно при температуре 309,6-310 К реакции обмена веществ в организме человека наиболее интенсивны. Особую роль при этом играет вода, «связанная» с биологическими молекулами и мембранами клеток. Будучи связанной с мембранами, она превращается в воду со структурой льда - все ее свойства коренным образом меняются. Диэлектрическая проницаемость уменьшается в десять раз, а теплопроводность возрастает в семьдесят раз.
Цель данной работы состояла в исследовании термоэлектрических эффектов в жидкой среде. Исследовались температурные зависимости термоэдс воды и электролитов, капсулированных в тонких стеклянных трубках, торцы которых разнесены на несколько сантиметров, и площадь электрического контакта которых незначительна по сравнению с площадью пластин в водоэлектрических ячейках (рис.2).
Поскольку в тонких трубках перемешивание слоев жидкости и диффузия незначительны, то появляется возможность формирования вдоль температурного градиента «структур» с различными свойствами.
На Рис.3, 4 показано как влияет изменение температурного градиента на известные термоэлектрики (п-ВИе, р-В^е) и дистиллированную воду.
Из графиков видно, что для твердотельных термоэлектриков изменение направления и величины температурного градиента не влияет на тип проводимости мате-
риала и величину термоэдс, в то время как у воды наблюдается изменение знака термоэдс. Кроме того, термоэдс воды сильно зависит от величины температурного градиента. Чем он меньше, тем больше абсолютная величина термоэдс, которая при ДТ=10-2-10-3 К может составлять 103 ^/К, что свидетельствует о высокой чувствительности к незначительным изменениям температурного поля.
Рис.1. «Водный мост» [2].
Рис.2. Измерительная ячейка (длина канала = 30 тт, диаметр канала= 0.5 тт). 1- фторопласт, 2- вода, 3- кварц, 4- стеклоуглерод, Дф- термоэдс ячейки, Дф1 и Дф2 - эдс термопар.
Пример чувствительности воды к влиянию внешних факторов показан на Рис.5, на котором наблюдаются синусоидальные изменения термоэдс при работе бытового рефриджератора, расположенного на расстоянии 1 метра от не экранированной измерительной ячейки.
Учитывая низкую теплопроводность воды и возможность повышения ее электропроводности при растворении в ней солей и щелочей можно предположить, что
ста"
Рис.6 (а,б).
В отличие от воды, растворы электролитов обладают высокой термочувствительностью в более широком интервале температурного градиента и не требуют специальной экранировки в процессе измерений. Так же как и у воды, в этих электролитах наблюдается смена знака термоэдс при изменении направления температурного градиента. Полученные данные свидетельствуют о том, что в узком температурном интервале происходит устойчивая во времени поляризация объема жидкости. Устойчивость поляризованного состояния подтверждается и тем, что при механическом повороте ячейки относительно температурного градиента на 180° термоэдс резко меняет знак на противоположный. Расширение температурного интервала (нагрев), вероятно, приводит к нарушению «упорядоченного состояния» объема жидкости и резкому снижению термоэдс.
Еще одно подтверждение возможности поляризации и формирования жидкокристаллического состояния в
такие жидкие системы могут найти практическое применение и как источники энергии, и как чувствительные сенсоры.
На Рис. 6 показаны зависимости термоэдс от изменения температурного градиента для водных растворов NiSO4 и №ОН, из которых видно, что характер зависимостей определяется свойствами растворителя (водой).
тонких слоях воды и электролитов было показано в эксперименте с ячейкой состоящей из двух ниодимовых магнитов разделенных кольцевой резиновой прокладкой толщиной 1 тт, Рис. 7. В ячейку была залита вода. При этом в отсутствии температурного градиента (при комнатной температуре) на обкладках (магнитах) регистрировалась разность потенциалов в 500 mV. В температурном градиенте т/эдс ячейки уменьшается и при разности температур на обкладках 10 К составляет 47000 ^/К. Термоэдс лучших твердотельных термоэлектрических материалов составляет около 200-300 ^/К. Такие ячейки просты в изготовлении и эксплуатации и, вероятно, могут быть использованы как альтернативные источники энергии.
Полученные данные могут быть полезны как в области энергетики, так и при исследовании биофизических процессов связанных с поляризацией биологических жидких сред в не больших градиентах температуры (экстро-
Рис.5. Термоэдс воды под действием внешних факторов (чувствительность к излучениям от бытового рефриджератора).
- 2000
.-4000
—
№ОН)ад /
1,4 Т, т1п
а
2,8
б
яние градиента температуры на т/эдс насыщенных растворов (№ОН^ (а) и (NiSO4)aq (б).
сенсорика, методы восточной медицины), а также свидетельствуют о высокой чувствительности жидких сред к слабым неоднородностям тепловых полей. По-видимому, при объяснении физической природы эффекта следует
учесть, что в генерации разности потенциалов могут участвовать не только дендритные цепочки из поляризованных молекул воды, но и поляризованные кластеры, которые состоят из сотен и более молекул.
Рис.7. Магнито-электрическая ячейка. Площадь поверхности магнита S= 540 мм2
Список литературы 3. Elmar C Fuchs, Jakob Woisetschläger, Karl Gatterer,
1. Синицын Н.И., Елкин В.А. // Заявка на открытие № Eugen Maier, René Pecnik, Gert Holler and Helmut А-411 от 24 мая 2005 г. (Международная академия Eisenkölbl// J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, V.40, № 19, авторов научных открытий и изобретений). рр.6112-6114
2. Синицын Н.И., Елкин В.А. // журн. "Биомедицинские технологии и радиоэлектроника", 2006, № 1-2, с. 35-53, № 5-6, с. 34-56
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ДИФФУЗИЯ ЛОКАЛЬНЫХ МИКРОДЕФЕКТОВ ВБЛИЗИ ФРОНТА ТРЕЩИНЫ РАЗРУШЕНИЯ В ПОЛИМЕРАХ И КОМПОЗИТАХ НА ИХ ОСНОВЕ
Валишин Анатолий Анатольевич
доктор ф.-м. наук, профессор Московского государственного университета тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова и Московского государственнго технического университета им. Н.Э. Баумана, г.Москва.
DISTRIBUTION AND DIFFUSION OF LOCAL MICKRODEFECTS NEAR THE FRONT OF FRACTURE CRAKS IN POLYMERS AND COMPOSITES BASED ON THEM.
Anatoly Valishin, doctor of science, professor of Lomonosov Moscow state university of fine chemical technology and Bauman state technical university, Moscow. АННОТАЦИЯ
Статья является продолжением и развитием предыдущих работ [6,7,12], в которых описано формирование зоны вынужденной эластичности перед фронтом трещины разрушения в аморфных стеклообразных полимерах, кинетика разрушения слабых узлов несущего молекулярного каркаса, образование и накопление локальных микродефектов, названных дырками, их упругое взаимодействие. В настоящей статье показано, что взаимодействие дырок приводит к тому, что каждая дырка окружена «атмосферой» более мелких дырок. Показано, что фронт трещины является источником собственного упругого поля. Показано, что дырки диффундируют навстречу фронту трещины. Рассчитаны диффузионные потоки дырок. ABSTRACT
The concentration of microdefects near the crack fracture in polymers and composites based on them. This article is a continuation and development of previous studies [6,7,12], which describes the formation of zones of forced elasticity in front of the crack fracture in amorphous glassy polymers, the kinetics of destruction of weak nodes carrying the molecular skeleton formation and accumulation of local micro-defects, called holes, their elastic interaction. In this paper, it is shown that the interaction of holes leads to the fact that each hole is surrounded by "atmosphere" of smaller holes. It is shown that the crack front is the source of its own elastic field. It is shown that the holes diffuse toward the front of the crack. Designed diffusive flux of holes.
Ключевые слова: микродефекты, их взаимодействие, трещина, полимеры, упругие поля. Key words: microdefects, interaction, crack, polymers, the elastic field of the hole
Разрушение твердых тел и, в частности полимеров и композитов на их основе - это процесс накопления внутренних микроповреждений до некоторого критического состояния [1-7]. Этот процесс локализован преимущественно в слабых местах структуры материала, где возникают очаги перенапряжений, в которых механическое
напряжение значительно больше, чем вдали от них. Такими очагами являются, в первую очередь, микро- и макротрещины [8-10] В температурном диапазоне между температурой хрупкости и температурой квазихрупкости в линейных полимерах перед фронтом трещины под влияниям высоких напряжений развивается вынужденная
