ЛОКАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ И ТИТАНА

The local energy heterogeneity of the flat surfaces of alumina and titanium oxide is studied using the density functional theory. The periodic total energy calculations have shown that the positions of the adsorption sites corresponding to potential energy minima of the oxide surface interaction with a trial particle (hydrogen atom) depend on its distance to the surface. The active sites of (0001) Al2O3 and (001) TiO2 surfaces at distances of more than 2 Å are characterized by one global minimum of potential energy that localizes upon the surface metal atom. At distances of the order of 1–2 Å the global minimum degenerates in several energy states and number of which is defined by the initial surface symmetry. There are three active sites with hexagonal symmetry within an elementary cell of (0001) Al2O3 surface and two sites with the mirror symmetry on a (001) TiO2 surface, displaced to the metal atom relatively of electronic density maxima positions of oxygen surface atoms. The results obtained are explained by perturbation introduced by the electron of a trial particle into surface electronic density distribution that leads to the degeneration of the active site. New sites positions do not coincide with the space geometry of metal and oxygen atoms at oxide surface.Методом функционала плотности изучена локальная энергетическая неоднородность поверхностей оксидов алюминия и титана. Расчетами по схеме периодических ячеек установлено, что положения центров адсорбции, соответствующие минимумам потенциальной энергии взаимодействия поверхности с пробной частицей (атом водорода), зависят от ее расстояния до поверхности. На расстояниях более 2 Å активные центры на поверхностях (0001) Al2O3 и ( 001) T iO2 характеризуются одним глобальным энергетическим минимумом, находящимся над поверхностным атомом металла. На расстояниях порядка 1–2 Å глобальный минимум вырождается в несколько энергетических состояний, кратность которых определяется симметрией исходной поверхности. В пределах элементарной поверхностной ячейки (0001) Al2O3 находится три активных центра с гексагональной симметрией, а на поверхности (001) TiO2 – два центра с зеркальной симметрией, смещенных к атому металла относительно положений максимумов электронной плотности поверхностных атомов кислорода. Результаты объясняются возмущением, вносимым электроном пробной частицы в распределение поверхностной плотности, что приводит к вырождению активного центра. Положения вырожденных центров не совпадают с пространственной геометрией атомов металла и кислорода на поверхности оксида

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДВУХСЛОЙНОМ ЦИЛИНДРЕ

The paper presents a calculation method for thermo-elasto-plastic stressed-deformed state in two-layer cylindrical bodies due to abrupt temperature changes on outer load-free boundary. The boundaries of plastic zones at various relations correlations between stress-strain properties of the internal and external cylinders and distribution of residual stresses after temperature unloading have determined in the paper.Разработан метод расчета термоупругопластического напряженно-деформированного состояния в двухслойных цилиндрических телах под воздействием резких изменений температуры на внешней границе, свободной от силовых нагрузок. Определены границы пластических зон при различных соотношениях между физико-механическими характеристиками внутреннего и внешнего цилиндров, распределение остаточных напряжений после температурной разгрузки

МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ МИКРОСИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ СО, H2 , C3H8 , CO2

Manufacture of module of chemical sensors on a single chip is one of the promising directions in the development of gas sensory. The aim of this work was development of construction of multisensor microsystem enabled to retain the characteristics of a single sensor and its dimensions and, at the same time, to reduce power consumption and cycle time of measuring concentration of gases CO, H2 , C3H8 , CO2 in the environment. Multisensor microsystem consists of four detached sensors placed on a single substrate of nanostructured aluminum oxide. The use of through-holes and the dielectric substrate itself in microsystem topology reduced power consumption of gas microsystems. We have devised a method of measuring sensitivity of foursensor microsystem to the concentration of gases CO, H2 , C3H8 , CO2. A full cycle of measuring gases concentration consisted of the time required for preliminary heating of all sensors of the microsystem (5 s), the heating time of each of the sensors sequentially (5 s) and time required to measure resistance for each sensor (80 s). The measured results show that the reaction time of multisensor microsystem when exposed to gases – H2 at a concentration of 0,001 %, CO2  1 %, СО – 0,02 %, C3H8 – 0,01 % does not exceed 90 s for full measurement cycle. Sensitivity value at power consumption of < 150 mW makes up 48–64 % for H2 , 32– 36 % for CO2 , 20–29 % for СО, 68–78 % for C3H8 . The proposed method to control sensitivity of multisensor microsystem to the concentration of gases CO, H2 , C3H8 , CO2 allows performing measurements within 90 s while the measurement cycle by a single sensor in pulse heating mode is 2 min, in continuous heat mode – 5 min. Maximum power consumption of the microsystem does not exceed 150 mW. Microsystems allow measuring lower concentrations of detected gases. Изготовление модуля химических сенсоров на одном кристалле является одним из перспективных направлений в развитии газовой сенсорики. Целью данной работы являлась разработка мультисенсорной микросистемы для уменьшения времени измерения концентрации газов CO, H2 , C3H8 , CO2, а также снижение потребляемой мощности микросистемы в целом. Мультисенсорная микросистема включает четыре одиночных сенсора, размещенных на одной подложке из наноструктурированного оксида алюминия. Использование в топологии микросистемы сквозных отверстий и диэлектрической подложки снизило потребляемую мощность газовой микросистемы. Нами предложен способ измерения чувствительности четырехсенсорной микросистемы к концентрации газов CO, H2 , C3H8 , CO2 . Полный цикл измерения концентрации газов состоял из времени предварительного прогрева всех сенсоров микросистемы (5 с), времени разогрева каждого из сенсоров последовательно (5 с) и времени измерения сопротивления каждого сенсора (80 с). Результаты измерений показали, что время реакции мультисенсорной микросистемы при воздействии газов: H2 с концентрацией 0,001 %, CO2 – 1 %, СО – 0,02 %, С3H8 – 0,01 % не превышает установленного для полного цикла измерения 90 c. Значение чувствительности при потребляемой мощности < 150 мВт составило для H2 – 48–64 %, для CO2 – 32–36 %, для СО – 20–29 %, для С3H8 – 68–78 %. Предложен способ контроля чувствительности мультисенсорной микросистемы к концентрации газов CO, H2 , CO2 , C3H8 , который позволяет проводить измерения за 90 с. В то время как цикл измерения одиночным сенсором в среднем составляет, в режиме импульсного нагрева – 2 мин, в режиме постоянного нагрева – 5 мин. Максимальное значение потребляемой мощности микросистемы составило не более 150 мВт. C помощью микросистем можно проводить измерения более низких концентраций детектируемых газов

Износостойкость наноструктурированных металлополимерных самосмазывающихся порошковых композитов

Tribotechnical tests and microstructural studies were carried out. Wear mechanism of nanostructured metalpolymer self-lubricating composite materials has been established. This mechanism involves in the formation of separating polymer layers on the friction surface, which reduces the coefficient of friction and running-in period of parts of friction units. Carbon nanoparticles move along the friction surface, hinder the development of seizure processes during the interaction of microroughnesses of the contacting surfaces of the material and the counterbody during the destruction of the separating polymer layers. It was found that the polymer filler is displaced from the friction zone, carbon nanoparticles are pressed into the open areas of the surface of the copper matrix of the composite when the pressure in the tribocontact is higher than 1.5 MPa. The temperature in the tribocontact increases, the polymer filler degrades, the carbon nanoparticles are removed from the friction zone, the strength properties of the composite decrease, the friction coefficient and the wear rate increase at a sliding speed above 1.5 m/s. The obtained research results can be used in mechanical engineering, transportation industry and power engineering.Проведенные микроструктурные исследования с использованием методов сканирующей электронной микроскопии и триботехнические испытания с применением стандартных методов изучения характеристик трения и изнашивания позволили установить механизм повышения износостойкости наноструктурированных металло- полимерных самосмазывающихся композиционных материалов. Показано, что политетрафторэтилен, содержащийся в порошковой медной матрице, позволяет на поверхности трения сформировать полимерные слои, способствующие снижению коэффициента трения и повышению нагрузочно-скоростных режимов эксплуатации узла трения, а при разрушении данных слоев в процессе трения наноструктуры углерода, распределенные в объеме медной матрицы, препятствуют развитию процессов схватывания, возникающих при взаимодействии микронеровностей на поверхностях материала и контртела. Установлено, что при значениях давления в трибоконтакте выше 1,5 МПа происходит вытеснение полимерного наполнителя из зоны трения и практически полное вдавливание наноструктур углерода в открытые участки поверхности медной матрицы композита, в результате чего частицы наноструктурного углеродного наполнителя не имеют возможности перемещаться по поверхности трения и не препятствуют развитию процессов схватывания поверхностей композиционного материала и контртела. Повышение скорости скольжения выше 1,5 м/с сопровождается ростом температуры в трибоконтакте, что ведет к деструкции полимерного наполнителя и потере им свойств самосмазывания. Также интенсивное тепловыделение в трибоконтакте сопровождается образованием и накоплением структурных дефектов поверхностных слоев композиционного материала с сопутствующим снижением его прочностных свойств, повышением коэффициента трения и интенсификацией процесса изнашивания контактирующих поверхностей. При этом скорости скольжения выше 1,5 м/с способствуют достаточно быстрому выносу наноструктур углерода из зоны трения и, соответственно, ухудшению триботехнических характеристик композиционного материала. Полученные результаты исследований могут быть использованы в машиностроении, на транспорте и в энергетике

Анализ механических свойств трансверсально-изотропных композитов с учетом межфазного слоя

The problem of theoretical prediction of composite's properties taking into account of interface layer, has been shown. For this aim the modification of three-phase model of fiber reinforcing transverse-isotropic composite has been proposed. The calculated parameters have been compared with the results of alternative simplified methods. This modification (four-phase model) allows us to take into account the interface layer parameters and to obtain nonlinear dependencies of the elastic properties of composite on fibers content, relative thickness and shear modulus of the interface layer in the expanded range of reinforcing.Рассмотрена проблема теоретического прогнозирования свойств композитов с учетом межфазного слоя. С этой целью предложена модификация трехфазной модели армированного волокном трансверсально-изотропного композита Полученные расчетные оценки сопоставлены с результатами использования альтернативных упрощенных методик. Использование модифицированной (четырехфазной) модели позволило получить нелинейные зависимости упругих свойств композита от объемного содержания волокон, относительной толщины и модуля сдвига межфазного слоя в широком диапазоне армирования

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИБРИДНЫХ НАНОНАПОЛНЕННЫХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИТОВ

Triboengineering and strength properties of hybrid composite materials based on copper–copper-plated polytetrafluoroethylene–carbon nanostructure power systems are investigated. It is shown that the introduction of carbon nanostructures and metal-plated polytetrafluoroethylene (PTFE) into a metal powder matrix of composite, when it is formed by the electrocontact sintering method, allows obtaining materials with high-performance characteristics. By the criteria of strength and wear resistance it is established that the optimal content of copper-plated PTFE particles in the investigated composites with powder copper matrix is 5–6 wt. % and of a carbon nanostructured filler – 0.06–0.07 wt. %.Исследованы триботехнические и прочностные характеристики гибридных композиционных материалов на основе порошковых систем «медь–омедненный политетрафторэтилен–наноструктуры углерода». Показано, что введение наноструктур углерода и плакированного металлом политетрафторэтилена (ПТФЭ) в порошковую металлическую матрицу композита при его формировании методом электроконтактного спекания позволяет получить материалы с высокими эксплуатационными характеристиками. По критериям прочности и износостойкости установлено, что оптимальное содержание частиц омедненного ПТФЭ в исследованных композиционных материалах с порошковой медной матрицей составляет 5–6 мас. %, а наноструктурного углеродного наполнителя – 0,06–0,07 мас. %

A review on substances and processes relevant for optical remote sensing of extremely turbid marine areas, with a focus on the Wadden Sea

The interpretation of optical remote sensing data of estuaries and tidal flat areas is hampered by optical complexity and often extreme turbidity. Extremely high concentrations of suspended matter, chlorophyll and dissolved organic matter, local differences, seasonal and tidal variations and resuspension are important factors influencing the optical properties in such areas. This review gives an overview of the processes in estuaries and tidal flat areas and the implications of these for remote sensing in such areas, using the Wadden Sea as a case study area. Results show that remote sensing research in extremely turbid estuaries and tidal areas is possible. However, this requires sensors with a large ground resolution, algorithms tuned for high concentrations of various substances and the local specific optical properties of these substances, a simultaneous detection of water colour and land-water boundaries, a very short time lag between acquisition of remote sensing and in situ data used for validation and sufficient geophysical and ecological knowledge of the area. © 2010 The Author(s)

Suspended particulate matter as an indicator for turbulent diffusion due to ocean surface waves

Sometimes modelled Suspended Particulate Matter (SPM) shows large deviations from measurement. These problems may be related to insufficient model physics or incorrect parameterizations. On the other side, the large sensitivity of SPM to external forcing and internal processes makes it a perfect marker to study turbulence in the ocean, because the vertical distribution of SPM depends on settling velocities and turbulence, which propagate material from bottom up to the surface in shallow seas. Satellite observations in the North Sea show that the SPM concentration at the surface grows rapidly during a storm and builds plume-shaped structures. The satellite data reveal also that SPM concentration decreases rapidly after the wave height decreases, justifying the hypothesis that strong turbulence created by surface waves is a major contributor to the SPM dynamics. In this paper, the impact of the surface waves on the turbulent mixing in the North Sea is studied. The wave-induced turbulence is parameterized and implemented into the General Ocean Turbulence Model (GOTM) as an additional source of turbulent kinetic energy (TKE). A number of tests experiments are carried out in order to reproduce experiments in a water tank and observations in the North Sea. In a tank ink is injected into water of 1 m depth. Experiments with 0,667 Hz frequency waves of different amplitudes (no winds, no currents) are done. If the amplitude is less than 2 cm, the ink is moving along the wave orbits. The patch stays unchanged for minutes. The motion is clearly laminar. For amplitudes of about 3 cm some vortexes become visible eroding the upper parts of ink pattern. For amplitudes greater than 4 cm the motion is obviously turbulent and the ink is completely dissolved within seconds. The extended GOTM model reproduces these observations. In the North Sea the data from the satellites MOS (Modular Optoelectronic Scanner) and MERIS (MEdiumspectral Resolution Imaging Spectrometer) are used to derive the SPM concentration at the surface. The circulation model HAMSON and the wave model WAM are applied to reconstruct the hydrodynamics and sea state. Erosion and sedimentation processes taken from the Suspended Particulate Mater Transport model (SPMT), developed in the GKSS Research Center and German Federal Maritime and Hydrographic Agency (BSH), are combined with the extended GOTM model. Results will be shown demonstrating the importance of waves for the vertical mixing processes in the Southern North Sea during storm situations. This mixing is most significant in the upper layers and strongly influences the SPM patterns

WATERLINE DETECTION AND MONITORING IN THE GERMAN WADDEN SEA USING HIGH RESOLUTION SATELLITE-BASED RADAR MEASUREMENTS

High resolution TerraSAR-X/TanDEM-X as well as Sentinel-1 remote sensing Synthetic Aperture Radar (SAR) data are used to determine and monitor the waterline in the Wadden Sea. In this very unique and dynamic coastal region in the southeastern North Sea, tidal flats extend several kilometers away from the coast during low tide with features like tidal inlets and sand banks. Under the influence of tidal water currents transporting large amounts of eroded material, inlets and sand banks move over time; heavy storms can even cause large variations in their extensions in merely a few hours. Observation of these obstacles is crucial for maritime security as high ship traffic is caused by the ports of Hamburg, Bremerhaven, Wilhelmshaven and others. Conventional monitoring campaigns with ships or airplanes are economically expensive and can only provide limited coverage. We present an automatic algorithm with Near Real-Time capability for extracting the waterline at the time of recording from SAR images, which allows for a fast and large scale determination of changes in coastal outlines. The comparison of recent acquisitions of TerraSAR-X and Sentinel-1 to bathymetry data of the Elbe estuary obtained in 2010 reveals significant changes in tidal flat structures