Технические науки/1. Металлургия

К.т.н. Денисенко А.И.

Национальная металлургическая академия Украины

К ФОРМИРОВАНИЮ ДИССИПАТИВНЫХ СТРУКТУР ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ДВУХФАЗНОЙ СТРУИ НА МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ЛЕНТУ

Принципиально новые технологии синтеза металлокомпозитных электродных структур, основанные на инжекции двухфазными струями частиц оксидов металлов в приповерхностный слой проводника [1,2], перспективны и конкурентноспособны в области улучшения технологических и электрохимических характеристик композитных функциональных катодных материалов.

Известно [3], что процесс введения порошков в металлические преграды представляет собой не только ударное взаимодействие, так как изменение структуры в объеме металлической мишени происходит на субмикро-, микро- и макроуровне. Структура композиционного материала формируется в динамическом режиме. При этом связь между технологией и свойствами не является непосредственной, а раскрывается исключительно через структуру самих материалов, которая соответствует центральному звену цепи «технология-структура-свойства» [4].

С целью разработки методов управления структурообразованием металлокомпозитного электрода, формируемого инжекцией в его приповерхностный слой микрочастиц оксидов металлов двухфазной струей, создан с участием автора специализированный программно-аппаратный комплекс, включающий автоматизированную систему мониторинга и регистрации управляющих и диагностируемых параметров [5].

При воздействии двухфазного потока с оксидными микрочастицами на тонкую металлическую ленту экспериментально наблюдалось формирование складчатых узоров, имеющих разную конфигурацию в зависимости от кинетических и энергетических характеристик воздействия.

Известно [6], что из открытых систем, постоянно обменивающихся с окружающей средой энергией и веществом, для состояний, далеких от равновесия, отток энтропии наружу может уравновесить ее рост в самой системе. При определенных условиях суммарное уменьшение энтропии за счет обмена с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. При этом оказывается возможной самоорганизация – создание определенных структур из хаоса, неупорядоченности. Процессы возникновения упорядоченных образований (диссипативных структур) в ходе неравновесных необратимых процессов принято называть неравновесными (или кинетическими) фазовыми переходами. Появление структуры понижает симметрию. Например, возникновение гексагональных ячеек Бенара [6] приводит к тому, что уже не все точки пространства и не все направления эквивалентны.

Наблюдаемые при высокоэнергетическом воздействии двухфазного потока с оксидными микрочастицами на движущуюся металлическую ленту кинетические фазовые переходы, проявляющиеся возникновением диссипативных структур (см. Рис. 1), могут быть количественно охарактеризованы в первом приближении образующейся избыточностью ширины ленты, содержащейся в складках, формирующих узор, относительно первоначальной ее ширины .

Из фотографий фрагментов диссипативных структур, приведенных на Рис.1, следует, что наблюдаемые формы складок ленты, образующих диссипативные структуры, близки к полуцилиндрам разного диаметра, сечения которых в исходной плоскости ленты сориентированы вдоль цилиндрических направляющих. Поперечное сечение одиночной складки на ленте, формирующей канал или виток диссипативной структуры, охарактеризуем величинами радиуса прогиба и его основания (см. Рис. 2).

а б с

Рис. 1. Фрагменты диссипативных структур, формируемых на движущейся (сверху вниз относительно страницы) металлической ленте энергетическим воздействием двухфазного потока с оксидными микрочастицами..

Из сопоставления длины полуокружности сечения каналообразной складки ленты с диаметром этого канала определим прирост ширины ленты, связанный с выбранной складкой:

(1)

Приближение оценки избыточности ширины ленты в одиночной складке разницей длины полуокружности и диаметра канала наиболее эффективно при относительно небольших диаметрах каналообразных складок ленты. Для более крупных складок наблюдается нарушение профиля полуокружности, возможно заострение вершины. Учет близости профиля сечения складки ленты к полуокружности целесообразно охарактеризовать в соотношении (1) коэффициентом формы , приравниваемым к единице для полуокруглой формы сечения складки ленты.

Рис. 2. Модель поперечного сечения металлической ленты с диссипативной структурой.

Просуммировав приросты ширины ленты для всех пересекаемых поперечным сечением ленты складок с учетом их индивидуальных радиусов кривизны, сформируем количественную оценку прироста ширины ленты вследствие высокоэнергетического воздействия на неё двухфазного потока:

(2)

Если пренебречь при оценке прироста ширины ленты мелкими, продольными относительно направления взаимного перемещения ленты и воздействующего двухфазного потока, складками по сравнению с крупными (см. Рис. 1а, 1б, 1с), то линейную плотность крупных продольных складок (количество складок, отнесенное к ширине обрабатываемой полосы) целесообразно использовать в качестве наглядного, хотя и существенно более грубого, чем критерий, определяемый соотношением (2), интегрального индикатора, характеризующего в совокупности кинетические и энергетические характеристики исследуемого неравновесного термодинамического процесса.

Литература

1. Kalinuskin Y., Pinchuk S., Levko O. Lithium manganese dioxside (LiMn2O4) perspective cathode material for power-consuming and portable battery // Advances in metallurgical processes and materials (AdMet 2007). Proceedings of the International conference. V.2. – Dnipropetrovsk: Porohy, 2007. – P. 143-148.

2. Денисенко А.И. К инжекционному методу формирования металлокомпозитного катода // Физика и техника высокоэнергетической обработки материалов / Под ред. проф. В.В.Соболева. – Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2007. – С. 108-118.

3. Ушеренко С.М., Губенко С.И. Сверхглубокое проникание микроударников в металлы (обзор) // Физика импульсной обработки материалов / Под ред. проф. В.В.Соболева. – Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС,2003. – С. 199-222.

4. Ніколенко А.М. Нова проблема фізики та хімії твердого тіла: мезоскопічно невпорядковані середовища // Фізика і хімія твердого тіла Т.4, № 4(2003) С. 758-764.

5. Денисенко А.И., Калинушкин Е.П. Система автоматизации установки инжекционного формирования металлокомпозита // Материалы ХIV Международной конференции по автоматическому управлению (Автоматика-2007).–Ч.1., Cевастополь, 2007, СНУЯЭиП, – С.136-138.

6. Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А Основы физики. Курс общей физики: Учебн. В 2 т. – Т. 1. / Под ред. А.С. Кингсена. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 560 с.