НаномеханикаНИР

Nanomechanics

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Наномеханика
Результаты этапа: 1) В настоящее время актуален поиск материалов и функциональных компонент, которые имеют необычные механические свойства на микро- и наномасштабных уровнях. Изучены механические свойства хиральных нанотрубок из металлов кубической симметрии (Fe, Cu, Co, Al), свернутых из плоскости (010) под различными углами хиральности. Разработан алгоритм построения атомных моделей нанотрубок с цилиндрической анизотропией упругих свойств различной хиральности. Установлено, что при определенных значениях углов хиральности трубки из Fe, Cu и Сo могут иметь ауксетические свойства, а также связь между одноосной и крутильной деформацией. Показано, что наличие ауксетических свойств у нанотрубок из кобальта является следствием влияния свойств поверхности, так как сами кристаллы кобальта ауксетиками не являются. Исследованы зависимости механических свойств нанотрубок от их геометрических параметров. Показано, что с уменьшением толщины медных нанотрубок с 2.5 нм до 0.8 нм коэффициент связи между одноосной и крутильной деформацией увеличивается в три раза. 2) Эффективное разделение газовых смесей СО2 является одной из центральных проблем улавливания и хранения углерода. Катионные формы цеолитов, содержащие в своей структуре восьмичленные окна 8R или двойные призмы из них (D8R), имеют исключительно высокую селективность по СО2. В работе изучается динамика катионов при физической и химической адсорбции СО2 с образованием карбонатов методом квантовой молекулярной динамики. Образование гидрокарбоната HCO3- было подтверждено низким активационным барьером 0.15 эВ, полученным при моделировании реакции между СО2 и водой на поверхности цеолита NaKA методом NEB (nudged elastic band). В результате расчетов определялись траектории молекул СО2, анионов HCO3-, CO32-, и катионов Na и K. Показано, что карбонаты образуют комплексы с катионами за счет кулоновского притяжения и вытягивают их окон цеолита, открывая проход для молекул газа. При этом гидрокарбонаты HCO3- вытягивают катион К из 8R окна на большее расстояние, чем CO32-: смещения К в направлении нормали к 8R окну составляют 1.2 А для CO32- и 1.6 А для HCO3-. Показано, что наличие в ячейке цеолита молекул углекислого газа не влияет на взаимодействие между HCO3- и катионом К, в результате которого катион вытягивается из окна, открывая его для прохождения молекул СО2. Обнаружено, что наличие одного лишь углекислого газа в ячейке цеолита не позволяет изменить среднее положение катиона К, который колеблется вблизи равновесного положения в 8R окне. По результатам моделирования сделан вывод о том, что эксперименты по измерению индивидуальной адсорбции компонент газовых смесей, содержащих СО2, не позволяют судить о способности цеолита к разделению этих компонент. 3)Исследована плоская задача о течении смеси из 5 инертных газов в разных режимах (континуальный, переходный, свободномолекулярный) в системе, состоящей из нескольких рядов натянутых нитей (филаментов), имеющих различную температуру. Получены распределения температуры, давления, плотности и концентраций компонент в системе. Показано, что под действием перепада температур возникает эффект разделения смеси. Числовые концентрации компонент увеличиваются в направлении холодной стороны камеры между ступенями, а в самих ступенях снижаются скачком. Показано, что разница в молярных концентрациях вырабатывается именно в камерах между ступенями, а в самих ступенях нитей состав практически не меняется. Получено, что наибольший эффект разделения достигается при условии, когда режим течения в ступени приближается к свободномолекулярному, а в камере между ступенями ‒ наоборот, к континуальному. Предложен и исследован новый принцип работы разделительного устройства с подвижной границей, коэффициент разделения которого существенно выше, чем у диффузионного метода. Принцип работы данного устройства основан на организации периодически прерываемого истечения смеси газов в вакуум. Показано, что за счет нестационарности истечения можно получить коэффициент разделения существенно выше, чем у диффузионного метода. Причем это возможно уже при скоростях подвижных элементов устройства порядка нескольких сотых от характерной тепловой скорости молекул. Такие скорости значительно легче достичь в микротехнике (по сравнению со скоростями, характерными для турбомолекулярных насосов). Исследована задача о течении газа в сужающемся микроканале в свободномолекулярном и переходном режимах под действием градиента температуры на стенках. Показано, как наклон стенок влияет на величину эффекта температурной транспирации. Получено, что без приложения градиента температуры на стенках (равномерно нагретые стенки), только за счет их наклона, поток газа создать не удается. Изучен процесс столкновения и перераспределения энергии двухатомных молекул азота и кислорода в широком диапазоне прицельных параметров (поступательной и вращательной энергии, прицельного расстояния, ориентации молекул, фаз вращения) при температурах до 2000 K. Для решения задачи проведена серия из большого числа (~〖10〗^13) молекулярно-траекторных расчетов парных столкновений молекул. Для моделирования использовались классические потенциалы Леннарда-Джонса (между атомами разных молекул) и упругий потенциал (между атомами одной молекулы). В результате анализа полученных результатов выявлены свойства, которые не отмечаются в существующих классических моделях. Так, показано, что угол разлета молекул (определяющий сечение столкновений), и коэффициент обмена энергией в столкновении зависят не только от поступательной энергии относительного движения молекул (как в существующих моделях), но и от вращательных энергий обеих молекул. При этом соотношения вращательных энергии молекул до столкновения также играет важную роль, как при рассеянии, так и при обмене энергией. С применением теории функционала плотности (DFT) были рассчитаны поверхности потенциальной энергии (ППЭ) для пар N_2-N_2,O_2-O_2,N_2-O_2. Расчеты проводились при равновесном значении длины межатомной связи, но с высокой детализацией по углам взаимной ориентации молекул (10 градусов) и межмолекулярного расстояния (0.5 Ангстрем), для детального описания анизотропии взаимодействия двухатомных молекул. В общей сложности, для каждой из трех пар ППЭ была рассчитана в 18810 точках. Показано, что использование произвольных парных потенциалов не позволяет аппроксимировать результаты DFT расчетов с точностью выше 5-6%. В связи с этим, был предложен анизотропный многочастичный потенциал, приближающий полученные DFT результаты с точность 0.75%. В дальнейшем планируется сравнить результаты MD моделирования для полученного потенциала с результатами при использовании парного потенциала Леннарда-Джонса. 4) Механизм обменных реакций CO+N<->CN+O, CO+N<->NO+C, CN+O <->NO+C, протекающих в условиях входа в атмосферу Марса, был исследован на основе DFT моделирования. В результате расчета поверхности потенциальной энергии для рассматриваемой системы были найдены пути реакций, переходные состояния, промежуточные комплексы и соответствующие им частоты колебаний и энергетические характеристики. Показано, что механизмы всех реакций являются многоступенчатыми, и идут через образование нескольких последовательных промежуточных комплексов. Рассчитаны константы скорости исследуемых реакций в широком диапазоне температур и проведено их сравнение с имеющимися экспериментальными данными. Проведено исследование обменного процесса между угарным газом и оксидом азота CO+N2O<->СO2+N2, приводящим к образованию СO2. Методами квантовой механики рассчитаны переходные состояния, частоты колебаний и пути реакции. Рассмотрен как прямой перенос атома кислорода, так и многостадийный процес, идущий через образование нескольких промежуточных комплексов. В рамках теории переходного состояния рассчитаны константы скорости прямой и обратной реакции. Проведен критический анализ имеющихся в литературе экспериментальных данных на основе сравнения с результатами проведенных расчетов. Рекомендуемые константы скорости представлены в обобщенной форме Аррениуса в широком диапазоне температур 300-2500 K. Разработана кинетическая схема образования молекул NO в основном и возбужденных состояниях при взаимодействии диссоциированного воздуха с поверхностью бета-кристобалита (SiO2). Построена кластерная модель бета-кристобалита, учитывающая различные активные центры физической и химической адсорбции. Проведены квантово-механические расчеты поверхности потенциальной энергии для моделирования различных процессов на поверхности SiO2- адсорбция/десорбция атомов и молекул (N, O, NO, N2, O2), ударная и ассоциативная рекомбинация и получены константы скоростей для всех рассматриваемых процессов.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Наномеханика
Результаты этапа: 1. (Косьянчук В.В.)Исследована плоская задача о нестационарном свободномолекулярном течении газа в микроканале с рядом осциллирующих затворов. Показано, что изменение частоты колебаний, коичества завторов и расстояний между ними приводит к характерно различающимся профилям зависимости потока от времени, что может использовано в различных областях микро- и вакуумной техники. Также показано, что такое движение системы приводит к эффекту разделения при течении через канал газовой смеси, и более того, эффект разделению намного более выражен, чем при течении в стационарном режиме (изучавшемся в предыдущих работах), а также достигается при существенно меньших (на 1-2 порядка) частотах колебаний. Проведено моделирование течения разреженного газа в микроканале со стенками движущимися по закону стоячей волны, проведено сравнение с предыдущими результатами, где стенки двигались по закону бегущей волны. Получено, что режимы течения при движении стенок по двум разным законам характерно различаются. Однако движение стенок по закону стоячей волны не приводит к усилению эффекта разделения по сравнению с бегущей волной, как ожидалось. На основании данных квантово-механических и молекулярно-динамических расчетов, проведенных в прошлом году была получена новая двух-параметрическая зависимость для вероятности неупругого столкновения в модели обмена энергией Боргнакке-Ларсена. На примере задач о нольмерной релаксации было показано преимущество данной модели по сравнению с классическими (например моделью Бойда), а также недавней двух=параметрической моделью Жанга. Данная модель была встроена в методы прямо статистического моделирования Монте-Карло (DSMC) и событийного молекулярно-динамического моделирования (EDMD) и была решена задача об истечении разреженного газа (азота) в вакуум. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментом, что подтверждает корректность полученной модели. Также в ходе исследования было выведено интегральное соотношение, связывающее вероятность неупругого столкновения в модели Боргнакке-Ларсена и параметр вращательной релаксаций Zrot. На основании этого соотношения показано, что параметр Zrot в неравновесных процессах не может быть описан одной температурой, и требует двух температур (вращательной, поступательной для корректного описания). Помимо этого, была выявлена интересная особенность процесса вращательно-поступательного обмена энергией на молекулярном уровне – оказалось, что при больших скоростях вращения молекул интенсивность энергообмена увеличивается с ростом относительной скорости столкновения двух молекул, в то время как при малых скоростях вращения, энергообмен с ростом относительной скорости столкновения двух молекул ослабевает. 2. (Брюханов И.А.)С помощью молекулярно-динамического моделирования исследована подвижность краевой дислокации в сплавах твердого раствора Cu-Ni в широком диапазоне температур 100-1100 К и концентраций Ni 0-30%. Показано, что существует два разных режима влияния атомов Ni замещения на движение краевой дислокации. Когда движение дислокации обусловлено силами фононного трения, то атомы Ni действуют как барьеры и замедляют движение дислокации. С повышением температуры сила торможения, связанная с атомами Ni, уменьшается и становится незначительной, начиная с 700 К. С ростом напряжения движение дислокации переходит в режим «насыщения» и ее скорость приближается к скорости звука в материале. В этом режиме, атомы Ni увеличивают скорость движения дислокации, что связано увеличением модуля сдвига твердого раствора Cu-Ni с концентрацией Ni. Показано, что ширина дислокационной линии увеличивается с ростом температуры и уменьшается с увеличением концентрации никеля. На основе полученных результатов сделано предположение, что за фронтом ударной волны в сплавах меди с никелем может достигаться более высокая скорость пластической деформации, а, следовательно, и более быстрая релаксация напряжений, чем для чистой меди. 3. (Брюханов И.А.) Показано, что наличие подложки сжимает слои Pd пленки, тем самым увеличивая энергию диссоциации метана и диффузионный барьер атомов кислорода внутрь поверхности палладия. Показано, что самый минимальный барьер диссоциации CH4 достигается на дефектной подложке (100)γ-Al2O3 среди подложек из других оксидов (ZrO2, Al2O3, шпинели MeAl2O4). Установлено, что добавление атомов Co, Ni, Mn в подложку Al2O3 снижает барьер диссоциации CH4, причем степень влияния атомов соответствует порядку Co > Mn > Ni, в котором для атомов Ni рассчитано наибольшее снижение энергии диссоциации (увеличение скорости диссоциации, соответственно). Проведено сравнение результатов расчетов с экспериментом по окислению O2 на поверхности палладия. Найдено отличие в степени влияния атомов на скорость окисления Ni > Co > Mn. что связано с более высокой температурой окисления O2 для Pd/MnAl2O системы. 4. (совместно с лабораторией 109 Крупнов А.А., Погосбекян М.Ю.)Проведено исследование процессов адсорбции, десорбции и рекомбинации атомов N и O на поверхностях теплозащитных материалов SiO2 и SiC методами квантовой механики в рамках теории функционала плотности DFT (Х3LYP/cc-pVTZ). Для описания гетерогенных процессов использовался кластерный подход, в котором поверхность кристаллов SiO2 и SiC моделировалась различными кластерами, передающими стехиометрию кристалла и валентные состояния атомов, лежащих на верхнем слое. В ходе расчетов были определены ключевые структурные и энергетические характеристики молекулярных систем, описывающих взаимодействия атомов N и O с кремне содержащими поверхностями. В рамках метода переходного состояния с использованием квазистационарного приближения были рассчитаны константы скорости для процессов адсорбции и десорбции атомов N, O и молекул N2, O2, NO, а также ударной рекомбинации атомов N, O на рассматриваемых поверхностях в широком диапазоне температур 500-2200 K. Полученные константы скорости аппроксимированы обобщенной формулой Аррениуса. Таким образом, построена замкнутая кинетическая модель для исследования высокотемпературных физико-химических процессов, протекающих на поверхности тепловой защиты космических и гиперзвуковых летательных аппаратов на основе SiO2 и SiC.
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Наномеханика
Результаты этапа: - Релаксация сдвигового напряжения за счет движения краевых дислокаций. Методами молекулярной динамики и дискретных дислокаций изучается релаксация сдвигового напряжения за счет движения краевых дислокаций в периодической ячейке. Анализируются зависимости напряжения сдвига, пластической деформации и скорости пластической деформации от времени. Показано, что при достаточном удалении дислокаций друг от друга релаксация происходит за счет движения дислокаций, а скорость дислокаций может превышать анизотропную скорость звука. Если дислокации расположены ближе друг к другу, релаксация происходит за счет роста дефектов упаковки. Мы обнаружили, что напряжение, при котором изменяется механизм релаксации напряжений, уменьшается с увеличением плотности дислокаций. Релаксация напряжений в твердом растворе Cu-Ni происходит быстрее, чем в чистой меди, из-за более высокой скорости дислокаций в высокоскоростном режиме. Однако напряжение сдвига, при котором атомы никеля увеличивают скорость пластической деформации, возрастает с увеличением плотности дислокаций. С увеличением плотности дислокаций, расположение дислокаций становится более важным, потому что некоторые дислокации могут двигаться намного быстрее, чем другие, которые задерживаются локальным взаимодействием с другими дислокциями. Влияние атомов Ni будет различным для этих групп дислокаций. Поэтому влияние атомов Ni на релаксацию напряжения сдвига во всей ячейке зависит от отношения числа дислокаций, расположенных близко друг к другу, по сравнению с дислокациями, которые могут свободно перемещаться. - Упругие свойства хиральных металлических нанотрубок. Проанализированы упругие свойства хиральных металлических нанотрубок, полученных путем сворачивания тонких кристаллических пластин с ориентацией [011] и [111], с помощью теории упругости анизотропного тела и метода молекулярной статики. Обсуждаются нанотрубки из железа, меди и алюминия. Продемонстрировано, что такие трубки имеют положительный коэффициент Пуассона во всем диапазоне углов хиральности в отличие от нанотрубок, полученных сворачиванием кристаллических пластин с ориентацией [010]. Установлено, что для нанотрубок, свернутых из пластин с ориентацией [011], коэффициент Пойнтинга при определенных углах хиральности становится отрицательным, что соответствует изменению направления закручивания трубок при растяжении. Показано, что теория упругости анизотропного тела описывает зависимость упругих свойств нанотрубок от угла хиральности и толщины в качественном согласии с результатами метода молекулярной статики. Для некоторых хиральных металлических нанотрубок имеются количественные различия. - Нестационарное течении газа в микроканале с рядом осциллирующих затворов. Проведено численное исследование плоской задача о нестационарном течении газа в микроканале с рядом осциллирующих затворов. Исследование, ранее проводившееся только в свободномолекулярном режиме было расширено на произвольные степени разреженности газа (характеризующиеся безразмерным числом Кнудсена). Как и ожидалось, получено, что с уменьшением числа Кнудсена эффект разделения становится слабее, однако даже при умеренных числах Кндусена (Kn ~ 1) эффект все еще остается значимым. При числах Кнудсена ниже 0.1 эффекта разделения почти исчезает. Помимо этого, были также обнаружены новые режимы работы устройства, в которых наблюдается эффект разделения – показано, что при некоторых соотношениях фаз движения барьеров, разделение наблюдается при относительно невысоких частотах колебаний барьеров – порядка 1-10 кГц, которые могут быть получены на практике. В данный момент проводится углубленное исследование для объяснения такого поведения. - Эффект аэросепарации бинарной смеси газов при истечении из микросопла в вакуум. Проведено численное исследование эффекта аэросепарации бинарной смеси газов при истечении из микросопла в вакуум. Исследованы различные геометрии сопла, различные (по числу Кнудсена) режимы истечения. Также исследовано влияние добавление третьей (несущей) фазы, и влияние геометрии и положения разделителя потока во внешней (вакуумированной) камере. Дано объяснение эффекта разделения в такой постановке и показано, что наибольший эффект разделения наблюдается на именно периферии выходного резервуара за счет искривления линий тока в этой области и действия центробежных сил. Показано, что геометрия сопла слабо влияет на эффективность разделения, однако за счет тонкого подбора параметров можно добиться примерно 10% выигрыша в производительности. При этом показано, что более простые геометрии – сопло без сужающейся части, сопло без расширяющейся части, прямо микроканал – продемонстрировали сопоставимые (в плане эффективности разделения) результаты. Таким образом, простые конфигурации сопла (или даже микрощели) могут быть предпочтительнее на практике из-за простоты их изготовления в микромасштабе. Исследование влияние числа Кнудсена показало, что оптимальные разделение достигается при числах Кнудсена порядка 0.1, что соответствует атмосферным давлением и размерам существующих микросопел. Таким образом, дополнительное разрежение газа при использовании микросопел не требуется. Также установлено, что добавление в смесь третьей более легкой (несущей) компоненты может повысить эффективность разделения двух целевых компонент, но эффект становится значимым при числовой концентрации несущей фазы 70% и выше. Оптимальные эффективность достигается при концентрациях 90-95%, что согласуется с результатами существующих исследований. При этом, получено, что добавление несущей фазы улучшает разделение только при отборе газа на периферии, выходного резервуара, в то время как в зоне около ось сопла эффективность разделения, наоборот, падает. Исследование влияния положения и геометрии разделителя потока показало, что результаты конфигурации с разделителем максимально совпадают с результатами без разделителей если разделитель расположен так и имеет такую геометрию, что его влияние на поток минимально. - Взаимодействие диссоциированного воздуха с каталитической поверхностью. Исследованы процессы адсорбции атомов N и O на поверхности теплозащитного материала SiO2 методами квантовой механики и молекулярной динамики. . На основе построенных ППЭ методами молекулярной динамики были определены константы скорости адсорбции атомов N, O в широком диапазоне температур поверхности 500-2200 K и представлены в виде обобщенной формулы Аррениуса. Проведено сравнение констант скоростей, рассчитанных методом молекулярной динамики, с величинами ранее полученными авторами по теории переходного состояния и известными феноменологическими моделями различных авторов, которое показало хорошее согласие в области высоких температур 1500-2000 K, отвечающей реальным условиям входа возвращаемого космического аппарата в атмосферу Земли. - Исследование начальных стадий самовоспламенения высокоэнергетичного материала триэтилалюминия. Рассмотрены начальные стадии самовоспламенения триэтилалюминия Al(C2H5)3 на основе кинетического механизма, предложенного ранее в Институте химической физики им.Н.Н.Семенова РАН. Проведен квантово-механический расчет структур и энергетических характеристик всех участвующих в процессах молекулярных комплексов. Получены теплоты реакций и найдены энергии связей внутри комплексов, определяющие основные этапы протекания реакций. На основе анализа энергетических характеристик уточнен механизм распада триэтилалюминий при внедрении в него молекулы кислорода. Показано, что приоритетным каналом распада комплекса триэтилалюминий-кислород является разрыв связи между атомами кислорода. При этом суммарный процесс внедрения и распада является экзотермическим и идет с выделением 64.27кДж/моль, что и объясняет процесс самовоспламенения.
4 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Наномеханика
Результаты этапа: Продолжено углубленное исследование плоской задача о нестационарном течении смеси газов в микроканале с рядом осциллирующих затворов. Были выявлены три различных режима (определяемых частотами колебаний), приводящих к усилению разделения газовой смеси, и характеризующиеся разными механизмами. Эффект в режиме средних частот определяется резонансом между волновой скоростью движения барьеров и тепловой скоростью молекул. Данный эффект ослабевает с уменьшением числа Кнудсена и почти отсутствует при Kn~0.1. Эффект в режиме высоких частот, определяется как частотой колебаний затворов, так и их скоростью (которая становится сопоставима) с тепловой скоростью молекул. При этом, при низких числах Кнудсена эффект определяется в основном скоростью движения затворов. Возможно рассмотрение постановки, где колебательное движение затворов будет заменено на поступательное (вращательное). Эффект в режиме низких частот вызван квазистационарным характером истечения. Систем затворов работает по принципу шлюзов, понижая давления в последних секциях, что приводит к истечению с более низким давлением, и, как итог, с более высоким числом Кнудсена, что приводит к более высокому коэффициенту разделения. Однако, такой подход не дает значений коэффициента разделения выше, чем у молекулярной диффузии. Зато, при любых числах Кнудсена можно добиться таких значения за счет использования необходимого числа барьеров. По результатам работы опубликована одна статья, еще одна статья находится на рецензии. Проведено численное исследование течения бинарной смеси газов в микроканале под действием бегущих волн в широком диапазоне чисел Кнудсена. В частности, исследовался диапазон параметров, характерный для поверхностных акустических волн (ПАВ). Показано, что волновое движение границы приводит к разделению смеси газов. Эффект ослабевает с уменьшением отношения амплитуды волн к ширине канала, но присутствует даже для очень малых значений этого параметра. Максимальный эффект наблюдается при волновых скоростях ПАВ порядка 1000 м/c. Также показано, что эффект проявляется сильнее при меньшем отношении длины волн к амплитуде (более крутые волны). Увеличение безразмерной длины канала приводит к усилению эффекта, уменьшение числа Кнудсена (более плотный газ) ослабляет эффект. Также показано, что подобное движение границы приводит к движению газа в направлении распространения волн, что может быть использовано для создания газовых микронасосов. По результатам работы опубликована одна статья, еще одна статья находится на рецензии. Проведено моделирование работы резонатора с газовым в широком диапазоне числе Кнудсена для одно- и многоатомных газов. Показано, что в зависимости от размеров пластины, числа Кнудсена и частоты колебаний, сила, действующая на пластину, может отличаться от теоретических предсказаний формулы для изотермического квазистационарного сжатия, как по величине, так и по фазе. Также показано, что на величину силы может оказываться существенное влияние учет нагрева пластины. Данные аспекты стоит учитывать при проектировании микроустройств с осциллирующими элементами. По результатам работы был сделан доклад на всероссийской конференции. Разработана замкнутая кинетическая модель взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностью теплозащитных материалов на основе кремния (SiO2 , SiC). Для описания гетерогенных процессов использовался кластерный подход, в котором поверхность кристаллического материала моделировалась кластером, передающим стехиометрию кристалла и валентные состояния, лежащих на поверхности атомов. Расчет поверхности потенциальной энергии проводился методом теории функционала электронной плотности (DFT) с расширенным гибридным функционалом, совмещенным с корреляционным функционалом Lee–Yang–Parr (X3LYP). В качестве базисных функций использовался корреляционно-согласованный поляризованный валентный трехэкспоненциальный базисный набор cc-pVTZ. Получены полные системы констант скоростей элементарных стадий - адсорбции/десорбции, ассоциативной и ударной рекомбинации по теории переходного состояния, адаптированной к поверхностным реакциям. Рассчитанные константы скоростей рассматриваемых процессов были аппроксимированы в обобщенной форме Аррениуса в диапазоне температур 500-2200 K и проведено их сравнение с имеющимися в литературе феноменологическими моделями и численными расчетами других авторов. Проведен квантово-механический расчет структуры и энергетических характеристик триэтилалюминия Al(C2H5)3 (ТЭА) в ходе которого найдены три его изомера. Рассмотрены процессы изомеризации триэтилалюминия, получены соответствующие константы равновесия и равновесный изомерный состав ТЭА. Рассчитаны основные термодинамические свойства (теплоемкость, энтальпия образования, энтропия и приведенная энергия Гиббса) найденных изомеров и равновесного состава в широком диапазоне температур. Проведена аппроксимация приведенной энергии Гиббса в соответствии с аналитическим представлением, принятым в справочном издании "Термодинамические свойства индивидуальных веществ" под ред. Л.В.Гурвича. Развиты методы построения моделей высокоскоростной деформации монокристаллов меди с помощью метода молекулярной динамики. Разработан алгоритм создания дислокационной системы в кристаллах металлов. В работе исследовалась роль сформированной дислокационной системы на ударное сжатие и разрушение монокристаллов [111] меди длиной 0.15 микрометров в диапазоне скоростей удара ниже предела упругости (∼1 км/с) бездефектных кристаллов меди. Показано, что за фронтом ударной волны в кристаллах меди, ориентированных вдоль направления [111], происходит интенсивное движение и размножения дислокаций. При этом дислокационные сегменты с положительным вектором Бюргерса распространяются в сторону волны, а сегменты с отрицательным вектором Бюргерса в противоположную сторону. Увеличение длины дислокационных сегментов во время их движения связано с размножением дислокаций и увеличением дислокационной плотности. Когда скорость удара превышает 700 м/с, наблюдается зарождение дислокаций на имеющихся в кристалле дислокациях. Увеличение плотности дислокаций за фронтом ударной волны является квадратичной функцией от ударного напряжения. Распределение длин сегментов дислокаций соответствует логнормальному распределению, в котором средняя длина сегмента уменьшается с увеличением скорости удара. Обнаружено, что упругий предвестник возникает уже при скорости удара 100-200 м/c; его образование связано с дислокационной активностью за фронтом ударной волны. Напряжение на упругом предвестнике затухает, пока ударная волна распространяется через образец. Затухание упругого предвестника хорошо аппроксимируется функцией от расстояния распространения. Обнаружено, что степень затухания увеличивается с увеличением начальной плотности дислокаций и скорости удара. Откольное разрушение в кристалле [111] наблюдается при скоростях удара более 500 м/c и сопровождается зарождением и ростом пустот. Зарождение пустот в образцах с существующими дислокациями происходит медленнее и менее локализовано, чем в бездефектном кристалле. Общий объем пустого пространства, состоящего из пустот, пор и пространства между разделенными частями для кристаллов с дислокациями растет гораздо медленнее, чем в бездефектном кристалле, что указывает на более вязкое разрушение. Величина откольной прочности кристалла длиной 0.15 микрометров составила 12 ГПа, почти не зависящую от скорости удара и начальной плотности дислокаций. что согласуется с предыдущими результатами молекулярной динамики для монокристаллов меди. Проведено молекулярно-динамическое моделирование ударно-волнового нагружения для [110] и [111] медных кристаллов длиной 0.45 и 0.80 мкм в широком диапазоне температур от 100 до 1100 K, чтобы понять роль температуры и дислокаций на величину динамического предела упругости (HEL). Показано, что в идеальных кристаллах меди упругий предвестник имеет форму плато, и HEL почти не изменяется с расстоянием, которое прошла ударная волна. Однако при более высоких ударах наблюдается неустойчивость упругого предвестника, что приводит к колебаниям значения HEL. Температурная зависимость HEL сильно анизотропна. Величина HEL снижается с температурой для кристаллов чистой меди [110] и увеличивается с температурой для кристаллов меди [111]. Этот удивительный результат объясняется наличием дислокационных субструктур в пластической волне в кристаллах [110], что уменьшает подвижность дислокаций и делает процесс зарождения дислокаций более доминирующим, чем в кристаллах [111]. Дислокации в кристаллах меди позволяют HEL затухать гораздо быстрее, чем в идеальных кристаллах. В отличие от идеальных кристаллов [110], кристаллы [110] с дислокациями демонстрируют увеличение значения HEL с температурой, как и в кристаллах [111]. Мы обнаружили, что зависимость HEL, может быть, хорошо аппроксимируется степенным законом, но показатель степени изменяется по мере распространения волны. Значения показателя степени найдены в диапазоне между 0.5 и 0.7 на второй стадии для кристаллов [110] и [111], что согласуется с данными экспериментов для поликристаллической отожженной меди. Проведено моделирование пластин PdO, осажденных на плоскости (100), (010), (001) и (101) на γ-оксида алюминия, оксида титана и диоксида циркония. Относительная стабильность и поверхностная энергия плоскостей PdO разделены на две группы (100), с одной стороны, и (010), (001) и (101), с другой стороны. Рассчитанные барьеры диссоциации CH4 уменьшаются с ростом поверхностной энергии систем, будучи самыми низкими для 4-слойного PdO(010) без подложки и над ZrO2. Окисление CH4 при частичном превращении Pd в PdO позволяет выращивать более активные плоскости PdO над Pd. Рассчитанные барьеры диссоциации CH4, связанные с отдельными плоскостями PdO на оксидах, сравниваются с барьерами окисления, рассчитанными или измеренными в других работах.
5 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Наномеханика
Результаты этапа: Методом молекулярной динамики исследована роль твердорастворного упрочнения на структуру ударной волны и динамический предел упругости (HEL) в [111] кристаллах меди. Твердые растворы Cu-Ni, Cu-Zn, Cu-Ag и Cu-Al выбраны таким образом, чтобы охватить диапазон параметров несоответствия атомов растворенного вещества. В работе показано, что в кристаллах с дислокациями затухание HEL становится медленнее с увеличением параметра несоответствия, что приводит к большим значениям HEL на определенном расстоянии распространения. В твердых растворах без дислокаций HEL появляется при меньших скоростях по сравнению с идеальными кристаллами меди, за исключением Cu-20% Ni. Значения HEL также растут с увеличением параметра несоответствия, и могут принимать значения ниже, чем для чистой меди. Эти результаты показывают, что формирование упругого предвестника облегчается присутствием примесей, а величина и степень затухания HEL связаны с подвижностью дислокаций в [111] кристаллах твердых растворов меди. Изучена роль дислокаций на динамический предел упругости и разрушение кристаллов меди различной ориентации методом молекулярной динамики. Ударные волны моделируются для скоростей удара от 500 до 900 м/c при комнатной температуре. В идеальных кристаллах ударные волны имеют форму плато выше пороговой скорости удара с постоянным пределом упругости (HEL). HEL увеличивается с ростом скорости удара и изменяется в диапазоне 10 GPa между кристаллами меди различной ориентации, достигая максимального и минимального значений для кристаллов [110] и [112], соответственно. В кристаллах с дислокациями напряжение в упругом предвестнике монотонно затухает на интервале движения дислокаций, причем скорость затухания и величина напряжения слабо зависят от ориентации кристалла. При скорости удара 500 м/c порядок [111] > [110] > [100] затухания HEL подтверждается сравнением с известными теоретическими результатами. В идеальных кристаллах при скорости 500 м/c дислокации не зарождаются и откол происходит хрупким образом. Когда дислокации зарождаются за фронтом ударной волны, откол развивается из-за зарождения и роста пустот в местах пересечения основных линий скольжения дислокаций. Показано, что в большинстве кристаллов меди наличие дислокаций замедляет начало разрушения скола и снижает скорость роста пустот. Однако с увеличением скорости удара роль дислокаций снижается. Исключение составляют кристаллы [100], в которых дислокации, наоборот, снижают откольную прочность и ускоряют процесс раскалывания. Кристаллы меди [100] и [104] с дислокациями имеют самую высокую скорость роста пустот и являются наиболее хрупкими, а кристаллы [111] имеют самую низкую скорость роста и являются наиболее вязкими. Предполагается, что сравнение разрушения кристаллов с дислокациями и совершенных кристаллов может дать лучшее понимание того, какие ориентации кристаллов являются более хрупкими, а какие более вязкими. Проведено молекулярно-динамическое моделирование ударно-волнового нагружения кристаллов меди [110] и [111] длиной 0.45 и 0.8 микрон в широком диапазоне температур от 100 до 1100 К, чтобы понять роль температуры и предсуществующих дислокаций на динамический предел упругости (HEL). Показано, что в идеальных кристаллах меди упругий предвестник имеет вид плато, и HEL почти не меняется с расстоянием распространения удара. Однако при больших ударах наблюдаются возмущения упругого предшественника, приводящие к флуктуациям значения HEL. Мы показали, что температурные зависимости HEL сильно анизотропны. Значения HEL имеют тенденцию к уменьшению с температурой для [110] идеальных кристаллов меди и к увеличению с температурой для [111] кристаллов меди. Этот удивительный результат объясняется наличием в кристаллах [110] дислокационных субструктур в виде пластической волны, что снижает подвижность дислокаций и делает процесс зарождения дислокаций более доминирующим, чем в кристаллах [111]. Дислокации в кристаллах меди позволяют HEL затухать гораздо быстрее, чем в идеальных кристаллах. В отличие от идеальных кристаллов [110], в кристаллах [110] с дислокациями, как и в кристаллах [111], наблюдается увеличение значения HEL с ростом температуры. Мы обнаружили, что зависимость HEL может быть хорошо аппроксимирована степенным законом, но степень затухания меняется по мере распространения волны. Значения степени затухания лежат между 0.5-0.7 на второй стадии для кристаллов [110] и [111] согласуется с экспериментальными результатами для поликристаллической отожженной меди. Реализована модификация численных методов DSMC и EDMD для учета границ, движущихся и изменяющих форму по волновому закону. С использованием данного метода была решена задача о течении смеси газов в микроканале c поверхностной акустической волной (ПАВ), распространяющейся по одной из его стенок. Моделирование было проведено в широком диапазоне чисел Кнудсена, в то время как предыдущие работы исследовали только свободномолекулярный режим. Также было проведено исследование эффекта прокачки газа при течении в канале, по одной или обеим стенкам которого распространяются поверхностные акустические волны. Показано, что при наличии ПАВ микроканал работает как газовый насос и вызывает движение газа в направлении распространения волн. Показано, что аналогично эффекту разделения, эффективность прокачки газа снижается с увеличением отношения длины волны к её амплитуде. Также эффект ослабевает с уменьшением отношения амплитуды волны к высоте канала, но только до значений порядка 0.01, и затем почти не меняется. Также, аналогично эффекту разделения, эффект прокачки газа экспоненциально растет с увеличением длины канала. Проведены дополнительных исследования течения в микроканале с рядом осциллирующих затворов в режиме низких частот осцилляции (порядка кГц).В рамках этих исследований были получены следующие результаты: Показано, что абсолютный максимум коэффициента разделения (по значению смещения фаз) всегда достигается при смещении фаз строго равном 2*pi/(количество барьеров), т.е. когда движение системы барьеров образует одну полную волну. Абсолютный минимум же достигается при нулевом смещении фаз (все барьеры движутся в одной фазе). Показано, что при отборе на выходе всего протекающего газа коэффициент разделения устройства ограничен значением коэффициента разделения естественной диффузии в свободномолекулярном режиме (корень из отношения масс компонент). Но при этом, данное значение может быть достигнуто при любом значении числа Кнудсена, и при меньших числах Кнудсена для этого потребуется больше барьеров. Получено, что даже при наличии небольших утечек и перетеканий газа через барьеры (не больше 10% величины газового потока при открытых барьерах), устройство все равно будет работать. Этот результат важен с практической точки зрения, т.к. в реальности барьеры не могут полностью перекрывать канал и всегда будут оставаться некоторые щели, через которые сможет перетекать газ. Показано, что режим низких частот характеризуется “балансировкой” – в режимах, приводящих к увеличению коэффициента разделения, уменьшается поток газа, и наоборот. Такой “компромисс ” характерен для многих известных газоразделительных методов. Таким образом, при реализации данного устройства необходимо не просто пытаться максимизировать коэффициент разделения, но также учитывать и количество производимого газа. Установлено, что поток газа, а также коэффициент разделения на выходе из канала являются периодическими функциями. Показано, что если организовать периодический отбор газа на выходе (делать отбирать газ только в определенные промежутки фаз движения барьеров, в которые наблюдается более высокий коэффициент разделения), то можно существенно эффективность разделения и получить значения выше предела свободномолекулярной диффузии, описанного выше. Платой за это, в соответствии с предыдущим пунктом будет резкое снижение количества производимого газа. Исследованы процессы адсорбции атомов N и O на поверхностях теплозащитного материала SiO2 методами квантовой механики и молекулярной динамики. Расчет поверхности потенциальной энергии (ППЭ) проводился методом теории функционала электронной плотности. На основе полученных ППЭ методами молекулярной динамики были определены константы скорости адсорбции атомов N, O в широком диапазоне температур поверхности 500-2200 K и представлены в виде обобщенной формулы Аррениуса. Проведено сравнение рассчитанных констант скоростей с известными феноменологическими моделями и результатами расчетов по теории переходного состояния. Разработана замкнутая кинетическая модель взаимодействия диссоциированного воздуха с поверхностью теплозащитного материала SiO2 на основе квантово-механических расчетов методом DFT (X3LYP/cc-pVTZ) и теории переходного состояния. Получены константы скоростей элементарных стадий (адсорбция/десорбция, ассоциативная и ударная рекомбинация). Проведен расчет модельной задачи обтекания сферы в рамках приближения многокомпонентного химически реагирующего вязкого ударного слоя в теплонапряженной точке входа в атмосферу Земли. Исследовано влияние различных каталитических граничных условий на структуру и химический состав течения в ударном слое.
6 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Наномеханика
Результаты этапа:
7 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Наномеханика
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".