Цитируемые ученые: гибридные полимеры и добавки для дизельного топлива

| 1301

Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за ноябрь и декабрь. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 77, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 15,548.

Фото: indicator.ru

 

Инженерная школа новых производственных технологий

 

Изготовление композита Fe-Cu из электровзрывных биметаллических наночастиц методом искрового плазменного спекания

Журнал: Vacuum (Q2, ИФ 2,515)

Александр Ложкомоев, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН), Александр Первиков, ИФПМ СО РАН, Андрей Чумаевский, ИФПМ СО РАН, Эдгар Двилис, старший научный сотрудник Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» ТПУ (НОИЦ НМНТ ТПУ), Владимир Пайгин, инженер Инженерной школы новых производственных технологий (ИШНПТ), Олег Хасанов, директор НОИЦ НМНТ ТПУ, Марат Лернер, ИФПМ СО РАН.

В статье представлены результаты исследования процесса консолидации биметаллических Cu+Fe частиц, имевших средние размеры 84нм, в достаточно плотный (92,9 %) композитный материал методом искрового плазменного спекания (ИПС).

«Уникальные биметаллические наночастицы были получены в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН методом электрического взрыва двух переплетенных проволок (Cu и Fe)», — говорится в описании статьи.

Авторы отмечают, что микротвердость спеченного материала в 1,5 раза превышала значения для композита, состоящего из смеси отдельных частиц Cu и Fe, а прочность на сжатие и на растяжение имела анизотропный характер. Такой эффект достигнут благодаря сохранению нанокристаллитов в зернах биметаллического композита в условиях их переориентации в процессе быстрого спекания наночастиц методом ИПС.

Электроимпульсное бурение гранита высоковольтными импульсами положительной и отрицательной полярности

Журнал: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences (Q1, ИФ 3,769)

Артем Юдин, научный сотрудник Научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» (НПЛ ИПЭПТ), Михаил Журков, научный сотрудник НПЛ ИПЭПТ, Сергей Мартемьянов, доцент ИШНПТ, Сергей Дацкевич, научный сотрудник НПЛ ИПЭПТ, Владислав Важов, профессор Инженерной школы энергетики.

«В ТПУ открыт и сейчас интенсивно разрабатывается электроимпульсный способ бурения горных пород.  В мире интерес к способу в последнее время возрос, особенно с точки зрения его применения в бурении глубоких скважин для нужд геотермальной энергетики, поскольку, как предполагают исследователи, использование электроимпульсных буров вместо механических позволит решить проблему быстрого износа бурового инструмента, что в результате снизит затраты на бурение и откроет доступ к дешевой геотермальной энергии», — сообщают ученые.

Фото: электроимпульсный буровой наконечник

В рамках исследования на испытательной площадке около учебного корпуса ТПУ №11 были проведены исследования бурения скважины диаметром 340 мм в граните в среде трансформаторного масла импульсами напряжения положительной и отрицательной полярности при разных расстояниях между электродами. В результате разработанным в ТПУ электроимпульсным буром пробурена скважина глубиной около 15 м.

«Литературные данные показывают противоречивые результаты для подобных условий разрушения пород, акцентируя внимание на том, что при отрицательной полярности импульсов процесс разрушения ухудшается. Результаты работы позволяют сделать вывод, что смена полярности импульсного напряжения не оказывает влияние на характеристики электроимпульсного бурения, это позволит повысить надежность разрабатываемых электроимпульсных буров. Данная работа была выполнена при финансовой поддержке фирмы SwissGeoPower Investment AG (Швейцария)», — отмечается в публикации.

 

Инженерная школа энергетики

 

Микро-взрывной распад и зажигание капель композиционных топлив

Журнал: Combustion and Flame (Q1, ИФ 4,12)

Дмитрий Антонов, ТПУ, Гений Кузнецов (индекс Хирша 34), главный научный сотрудник НОЦ И.Н.Бутакова, Павел Стрижак (индекс Хирша 30), профессор НОЦ И.Н. Бутакова, Оюна Рыбдылова, University of Brighton, Сергей Сажин (индекс Хирша 38), University of Brighton.

По словам авторов статьи, процессы вторичного распыления (измельчения) неоднородных капель, содержащих горючие и негорючие компоненты, могут позволить снизить инерционность зажигания топливных композиций (эмульсий и суспензий), повысить полноту их выгорания, уменьшить антропогенные выбросы, стабилизировать температуру в зоне горения. Однако механизмы, режимы, последствия и основные характеристики процессов micro-explosion остаются в полной мере не изученными вследствие ограничений экспериментальных методик.

В настоящей работе предпринята попытка расширения современных представлений о процессах micro-explosion без влияния различных держателей и подложек. Воспроизведена схема интенсивного конвективного и радиационного нагрева падающей капли. В качестве компонентов двухжидкостной капли рассмотрены: вода, дизель и рапсовое масло. Варьируемые параметры: температура воздуха 850–1050 0С, размеры капли 0.62–1.34 мм, концентрация дизеля или рапсового масла 3–97 %.

В результате были определены времена прогрева неоднородных капель перед распадом, а также динамика изменения площадей поверхности испарения и аэрозольного облака, образующегося при распаде. Показано влияние фактора микро-взрывного распада капель на инерционность процесса зажигания капель. Разработана физическая и математическая модель для описания исследованных процессов.

 

Исследовательская школа химических и биомедицинских технологий

 

Цикло[18]углерод: Вклад в электронную структуру, ароматичность и в поверхностные эффекты

Журнал: Journal of Physical Chemistry Letters (Q1, ИФ 7,329)

Глеб Барышников (индекс Хирша 23), KTH Royal Institute of Technology, Рашид Валиев (индекс Хирша 16), доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий (ИШХБМТ), Артем Куклин, KTH Royal Institute of Technology, Dage Sundholm (индекс Хирша 46), University of Helsinki, Hans Ågren (индекс Хирша 77), KTH Royal Institute of Technology.

Исследователи уточняют, что дискуссия о правильной структуре цикло[18]карбона идут с 60-х годов XX века. При этом стоит добавить, что разные методы квантовой химии приводят к двум различным структурам.

 В 2019 году в работе, опубликованной в журнале Science, было впервые экспериментально показано, что верная структура — полиеновая — с чередованием тройных и одинарных связей.

«Это было неожиданно, так как "грубый" метод HF приводит именно к этой структуре, а более "точные" методы MP2 и DFT с функционалами B3LYP приводят к неверной структуре. В нашей работе мы впервые дали объяснение данному явлению, а также впервые применили метод CASSCF, который приводит к правильной структуре цикло[18]карбона. Результаты метода CASSCF были положены в это объяснение. Было также показано, что данная молекула слабо адсорбирует на поверхности NaCl, которая использовалась в работе SCIENCE в измерениях.  Также впервые в нашей работе в деталях была проанализирована ароматичность обеих структур. На основе данного моделирования было показано, что неправильная структура ("кумуленовая") является переходным состоянием», — говорится в статье.

Влияние гибридных покрытий на основе гидрогеля, биополимера и неорганических включений на коррозионные свойства титановых костных имплантатов

Журнал: Journal of Materials Chemistry B (Q1, ИФ 5,047)

Мария Савельева, Ghent University, Алина Владеску, профессор Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» (НИЦФМКМ), Котрут Михай Космин, профессор НИЦФМКМ, Louis Van der Meeren, Ghent University, Мария Сурменева, старший научный сотрудник НИЦФМКМ, Роман Сурменев, директор НИЦФМКМ, Богдан Парахонский, Ghent University, Andre Skirtach, Ghent University.

Модифицирование титановых (Ti) материалов для костных имплантатов гибридными органическими или неорганическими покрытиями является новым многообещающим подходом для улучшения остеокондуктивности и остеоинтеграции имплантатов. Однако в этих покрытиях, которые в основном являются гидрофильными, химически активные компоненты, способные выделять окисляющие ионы, могут оказывать значительное влияние на коррозионную стойкость Ti, что является критически важным для остеоинтеграции титанового имплантата.

В этом исследовании, для изучения коррозионного поведения Ti от состава покрытия, поверхности Ti были модифицированы посредством нанесения различных типов покрытий: органических (альгинатный гидрогель, модифицированный ионами Ca2 + (Alg), и декстрансульфат ( DS)), неорганических (пористый карбонат кальция CaCO3) и композитных органических-неорганических (Alg-CaCO3, DS-CaCO3).

Также в работе обсуждаются изменение морфологии и состава этих материалов до и после коррозионных экспериментов, выполненных в жидкости, моделирующей физиологическую среду организма (simulated body fluid, SBF). Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) была использована для изучения коррозионных свойств материалов в SBF. Характеристики, полученные в результате EIS-измерений, позволили выявить закономерности изменения коррозионной стойкости от типа покрытия.

Так, немодифицированная поверхность Ti имеет более высокое значение импеданса по сравнению с модифицированными поверхностями, в то время как поверхности Ti, модифицированные с использованием органических покрытий, показали более высокие значения коррозионной стойкости по сравнению с покрытиями, содержащими неорганическую фазу CaCO3 и Ti без покрытия.

Научный обзор по теме бессвинцовых нанокомпозитов на основе полимеров с улучшенным пьезоткликом для различных биомедицинских приложений, связанных с накоплением возобновляемой энергии

Журнал: Nano Energy (Q1, ИФ 15,548)

Роман Сурменев (индекс Хирша 20), директор НИЦФМКМ, Татьяна Орлова, ТПУ, Роман Чернозем, инженер-исследователь НИЦФМКМ, Анна Иванова (индекс Хирша 12), младший научный сотрудник Научной лаборатории высокоинтенсивной имплантации ионов, Ausrine Bartasyte (индекс Хирша 13), Universite de Franche-Comte, Sanjay Mathur (индекс Хирша 50), Universitat zu Koln Department fur Chemie, Мария Сурменева (индекс Хирша 20), старший научный сотрудник НИЦФМКМ.

Альтернативные материалы, изготовленные по бессвинцовым технологиям, для преобразования механической энергии в электрическую с помощью пьезоэлектрического эффекта имеют большое значение в широком спектре технологических применений.

В данном научном обзоре представлены новые подходы для получения гибридных пьезоэлектрических полимерных материалов с улучшенными пьезоэлектрическими характеристиками для различных биомедицинских приложений, включая аккумулирование электроэнергии и ее последующее полезное использование в гибкой электронике, сенсорах и т.д.

Представлены наиболее перспективные пути для значительного улучшения пьезоэлектрического отклика и эффективности получения пьезоэлектричества. Представлена информация, в том числе связанная с механизмами увеличения коэффициентов пьезоэлектрического заряда, поверхностного потенциала и плотности мощности. Рассмотрено влияние различных бессвинцовых наполнителей в структуре пьезоэлектрических полимеров на пьезотклик композита.

«Акцент в работе сделан на пьезоэлектрических композитах на основе поли(винилиденфторида) (PVDF) или его сополимера поли(винилиденфторида)-трифторэтилена PVDF-TrFE, с различными наполнителями в форме наностержней, нанопластинок и т.д., такими как восстановленный оксид графена (rGO), неорганические соединения (наночастицы), например, титанат бария BaTiO3 и ниобат калия-натрия (KNaNbO3)), соли (LaCl3, ErCl3, GdCl3 и т. д.), оксиды металлов (ZnO, MgO, TiO2), металлические наночастицы (Ag, Pt) и углеродные нанотрубки (CNT). Продемонстрировано применение полученных пьезокомпозитов в биомедицинских устройствах и сенсорах, включая имплантируемые наногенераторы, а также стимулирующие “умные” материалы для восстановления поврежденного кожного покрова и регенерации биологических тканей», — говорится в описании статьи.

Также научным коллективом установлено, что новые пьезоэлектрические композитные материалы и устройства на их основе могут быть успешно использованы для очистки воды от различных органических загрязнителей, в качестве имплантируемых устройств, которые функционируют автономно без внешнего электропитания, для аккумулирования электроэнергии или восстановления дефектов костей in vivo, а также в качестве датчиков или детекторов движения человека, мониторинга здоровья (температура и давление).

 

Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

 

Применение фазовых зонных пластинок Френеля для повышения фронтальной разрешающей способности в направлении пассивной апертуры при ультразвуковом контроле с использованием фазированных антенных решеток

Журнал: Sensors (Q1, ИФ 3,031)

Дмитрий Долматов, инженер Международной научно-образовательной лаборатории неразрушающего контроля (МНОЛ НК), Daniel Tarrazó-Serrano, Universitat Politècnica de València, Герман Филиппов, инженер МНОЛ НК, Игорь Минин, старший научный сотрудник отделения электронной инженерии Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности (ОЭИ ИШНКБ), Олег Минин, профессор ОЭИ ИШНКБ, Дмитрий Седнев, директор ИШНКБ.

В данной работе рассмотрена возможность использования фазовых зонных пластинок Френеля в ультразвуковой дефектоскопии с представлением результатов контроля в форме трехмерных изображений внутренней структуры объектов контроля (трехмерная ультразвуковая томография).

Трехмерная ультразвуковая томография с использованием линейных фазированных решеток связана с низкой фронтальной разрешающей способностью в направлении пассивной апертуры такого преобразователя. Это обусловлено конструкцией фазированных антенных решеток, в которых для обеспечения высокой чувствительности контроля длину индивидуального элемента делают много больше его ширины.

«Использование фазовых зонных пластинок Френеля направлено на обеспечение фокусировки в плоскости пассивной апертуры фазированной антенной решетки, в то время как высокое разрешение в плоскости активной апертуры преобразователя обеспечивается за счет его режима работы. Фазовая зонная пластинка Френеля может быть спроектирована в соответствии с условиями проведения контроля и напечатана на 3D-принтере. Кроме того, подобный подход может быть внедрен в существующие системы ультразвуковой томографии без необходимости внесения изменений в ее конструкцию и программное обеспечение. Экспериментальная проверка возможностей использования фазовых зонных пластинок Френеля проводилась на существующей системе ультразвуковой томографии. Полученные при использовании фазовой зонной пластинки Френеля экспериментальные результаты продемонстрировали повышение фронтальной разрешающей способности в направлении пассивной апертуры при высоком отношении сигнал/шум», — отмечают исследователи.

 

Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов

 

Тепломассоперенос при зажигании одиночных капель гелеобразного топлива

Журнал: Journal of the Energy Institute (Q2, ИФ 3,774)

Дмитрий Глушков (индекс Хирша 17), доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов (ИШФВП), Гений Кузнецов (индекс Хирша 34), главный научный сотрудник НОЦ И.Н. Бутакова, Александр Нигай, ТПУ, Ольга Яшутина, ТПУ.

Исследователями было выполнено экспериментальное исследование газофазного зажигания одиночных капель нескольких составов типичного гелеобразного топлива на основе этилового спирта с добавлением загустителя, жидких и мелкодисперсных твердых компонентов.

Применение программно-аппаратных средств высокоскоростной видеорегистрации позволило выполнить анализ закономерностей физико-химических процессов, протекающих в течение индукционного периода. Для рассмотренных составов установлены предельные условия (минимальная температура окружающего воздуха 873 К), необходимые для зажигания топлива, зависимости времен задержки зажигания от температуры воздуха в диапазоне 873–1073 К. Максимальная длительность периода индукции не превышает 3,3 секунды. С использованием теневой методики выполнен анализ характеристик вдува паров горючего в результате микровзрывов капли топлива в среду окислителя. Средние значения скоростей вдува паров составляют около 3 м/с.

«На основании полученных результатов сформулирована физическая модель процесса, которая является основой для разработки математической модели зажигания капель гелеобразных топлив в условиях интенсивного нагрева. Такая математическая модель позволит достоверно прогнозировать характеристики процесса в широких диапазонах варьирования свойств топлива, конфигурации капель и параметров источника нагрева. Областью применения результатов выполненного исследования являются энергогенерирующие установки авиакосмической и теплоэнергетической отраслей промышленности», — уточняют авторы.

 

Инженерная школа природных ресурсов

 

Разработка математической модели расчета цетанового числа дизельных фракций топлив на основе их углеводородного состава и межмолекулярных взаимодействий компонентов смеси

Журнал: Combustion Science and Technology (Q2, ИФ 1,564)

Максим Майлин, ТПУ, Евгения Францина, научный сотрудник отделения химической инженерии Инженерной школы природных ресурсов, Андрей Гринько, научный сотрудник Международной научно-образовательной лаборатории изучения углерода арктических морей.

«Идея использования промоторов воспламенения (цетаноповышающих присадок) для дизельных топлив известна давно, но фундаментальные причины наблюдаемых при этом эффектов на молекулярном уровне до настоящего времени не объяснены. В статье предложен подход к прогнозированию прироста цетанового числа дизельного топлива при добавлении промотора воспламенения, основанный на учете углеводородного состава и энергии межмолекулярных взаимодействий, возникающих между компонентами дизельного топлива», — говорится в статье.

С использованием метода квантово-химического моделирования при температуре (2000 °С) и давлении (50 атм.) дизельного двигателя оценены энергии взаимодействия и показано, почему парафиновые и ароматические углеводороды по-разному влияют на приемистость дизельного топлива к промоторам воспламенения. Получены закономерности, обуславливающие нелинейную зависимость изменения прироста цетанового числа от концентрации введенной присадки. Предложено объяснение синергетических и антагонистических эффектов между углеводородами и промотором воспламенения на основе различий энергий межмолекулярного взаимодействия в дизельных топливных композициях. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда грант № 18-79-00095.

 

Школа базовой инженерной подготовки

 

Тепловыделение в химической реакции между микронными порошками алюминия и водой

Журнал: International Journal of Hydrogen Energy (Q2, ИФ 4,084)

Александр Ильин, профессор отделения естественных наук, Андрей Мостовщиков, старший научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории СВЧ-технологии, Ольга Назаренко, профессор отделения контроля и диагностики Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности, Сергей Змановский, ООО «СУАЛ-ПМ».

«Известно, что порошки алюминия различной дисперсности взаимодействуют с водой с различным тепловыделением. Экспериментально показано, что, анализируя величину теплового эффекта реакции между алюминиевыми порошками и водным раствором NaOH, можно характеризовать порошок алюминия по содержанию в нем металлического алюминия после длительного хранения», — говорится в статье.

Уточняется, что предложенный способ является более экономичным в сравнении с традиционными методами определения характеристик алюминиевого порошка, в частности, дифференциального термического анализа.