12 августа 2017г.
Аннотация
Дан обзор и анализ эффективности изменения свойств материалов при воздействии электромагнитных полей и ионно-фотонных излучений при на тела различных физических состояний
Ключевые слова: электромагнитные поля, ионно-пучковое, воэдействие, лазерное излучение, смешанное энергетическое воздействие на материалы.
Энергетические воздействия на жидкие и твердые тела весьма разнообразны как по физическому характеру так и по динамике воздействия. Сами тела (в зависимости от их физического состояния) обладают некоторым собственным энергетическим потенциалом, который может ( по отношению к другим телам с меньшим потенциалом) выступать как внешний источник энергетических воздействий на другие тела с возбуждением процессов химико-физических структурных превращений и соответствующих изменений свойств. Общий энергетический потенциал (ОЭП) обьединяет ряд частных потенциалов электромагнитных полей (ЭМП), механического ( силового), термического и других воздействий для изменения физических свойств материалов. Например, для дисперсно-пористых тел типа почвогрунтов [1] используют понятия о капиллярном, диффузном, электрическом, гравитационном, температурном, адгезионно-когезионном потенциалах. Химические превращения (преимущественно для жидко-текучих сред) определяются электрохимическим потенциалом, как суммой химического - µ и электрического - э потенциала материальной системы.
Следует указать на различие механического воздействия и ЭМП и полей другого типа. Механическое воздействие осуществляется потоком вещества, состоящего из материальных частиц микро и макроразмеров (твердого, жидкого и газообразного или смешанного состояния). Параметрами воздействия выступают: масса, плотность, скорость соударения. ЭМП – является особой формой энергетического состояния пространства с исчезающе малой массой. Для конкретной прикладной задачи энергетический потенциал может быть выражен в виде удельного энергетического показателя – Дж/м 2 или Дж /г (для поверхностного или обьемного воздействия). Значения частных потенциалов дисперсных горных пород ( типа почвогрунтов) при различных методах измерения имеют следующие значения ориентировочных энергетических показателей , вычисленных на основании полученных автором опытных величин адгезионно-когезионных потенциалов, количества электричества и разности потенциалов в системе грунт-электрод, значений капиллярного потенциала с привлечением литературных данных [1-4]:
- удельная энергия поровой прочно-вязанной влаги – 250-600 Дж/г; диффузной - 100 – 200 Дж/г; свободной влаги – 72 Дж/г (при размере молекулы 10 -9 м );
- адгезионно-когезионная прочность для суглинков (при показателе консистенции 0,1-0,7 ) равна 0,5-1,3 Дж/г ( поверхностная энергия равна 500-2000 Дж/м 2 );
- расчетные удельные энергии массопереноса, рассчитанные: по капиллярному потенциалу равны 0,14-1,5 Дж/г, по опытным значениям количества электричества в системе металл-грунт и электрическому потенциалу – 1,2-12 Дж/г, по осмотическому потенциалу – 0,5-1 Дж/г, по коэффициентам набухания и усадки – 2-12 Дж/г;
- теплота смачивания суглинков – 8-40 Дж/г ( при теплоте испарения воды 2400 Дж/г);
- адгезионный потенциал влажных суглинков (по показателям электроосмотического разьединения контактных слоев) равен 2-5 Дж/г.
Электромолекулярно-ионный потенциал поверхностного молекулярного нанослоя влаги достигает величины 1000 МПа и более, а с ростом толщины, резко падает до указанных выше значений.
При указанных низких значениях потенциалов происходит заметное воздействие почвогрунтов на физическое состояние контактной зоны при длительном соприкосновении с поверхностями подземных сооружений, корней растений.
С повышением плотности энергетического воздействия резко снижается время–t эффективного воздействия. Количество импульсной энергии для изменения свойств различных материалов Э » (qt) т , где q – показатель прочности материала, коэффициент m в ряде случаев близок к значениям от 1до 2. В настоящее время многие энергетические статическме и переменные поля (вибрационные, электромагнитные-ЭМП, гравитационные акустические-АП, температурные, плазменные, радиационные, фотонные) используются для изменения и контроля свойств тел различного физического состояния. Специфичное энергетическое воздействие проявляется в виде направленных излучений: электронно-лучевого лазерного, светового (фотонного), ионно-пучкового. Для использования таких воздействий в нанотехнологиях исключительно важен частотный диапазон излучения волнового типа от низкочастотного ( до 100Гц) до высокочастотного (10-30МГц и выше ). Однако их эффективность во многих случаях (особенно для изменения обьемных свойств) изучена недостаточно. Наиболее изучено и нашло широкое применение температурных полей в металлургии и машиностроении, а также ЭМП – для изменения поверхностных свойств. Внешние энергетические поля для изменения полезных свойств материалов могут быть использованы как для всего обьема данного материала или изделия, так и для обработки его отдельных компонентов. Например, опытами доказана высокая эффективность повышения прочности строительных материалов типа бетонов за счет комбинированного воздействия ЭМП с использованием нано- и микродобавок. Использование импульсных электрических, магнитных и акустических (УКВ) воздействий, как правило, дает наибольший эффект при использовании в технологиях различных отраслей промышленности, медицине, сельском хозяйстве только с учетом физического состояния материалов. Реальные физические состояния тел являются вариациями нескольких идеализированных состояний: твердое (недеформируемое)-Т, жидкое (несжимаемое) - Ж, упругое – У, пластичное П, вязкое- В, порошковое (дисперсное) – Пр, эластичное –Э. Кроме этих 7 состояний ( с учетом отклонений от идеализации) можно отнести к числу наиболее важных физических состояний вариации: УП, УВ, ВП, УЭ, УВП, УПр, ЭП, ВЖ, УТ, ЖПр. Для диспергируемых тел в диапазоне от нано- до макрочастиц ( до мм) наблюдается наличие 2-3-х экстремумов размерных гранулометрических фракций доказывающих энергетическую иерархию размерных ассоциатов.
В процессах связанных с изменением свойств материалов наибольшее значение имеют следующие частотные диапазоны ЭМП: 0,3-3 МГц (материаловедение, в том числе для комбинированных технологий с добавками нанопорошков а также плавка, закалка вихревыми токами), и 3-30 МГц (древообработка, химическая, пищевая промышленность , медицина и ряд других областей). Следует особо отметить существенный эффект от применения слабых ЭМП (медицина. сельское хозяйство, производство строительных материалов. Например постоянное и переменное магнитное поле (в диапазоне 10-60А/м) при кратковременном воздействии на жидкости и влагосодержащие цементные смеси значительно ускоряют процесс твердения и конечную прочность, а полив с/х растений омагниченной водой ускоряет впитывание и прорастание семян и, в конечном итоге, повышает урожайность. Постоянный электрический потенциал 0,05- 0,2В приложенный между корнями и верхушкой овощных растений ускоряет процесс переноса питательного раствора из почвы. В результате этого урожайность плодов повышается на 20 -30% . Отметим . что в данном случае источником потенциала может служить разность потенциалов системы металл-почва ( за счет помещенного в почву вблизи корней мелких обломков металлических отходов производства) Ниже дан краткий обзор и анализ обобщенных результатов исследований и практического использования энергетических полей для изменения свойств различных материалов и контроля их физического состояния. В этом направлении многое еще недостаточно выявлено.
О механическом воздействии (силовой потенциал - СП).
Механическое воздействие на металлы с целью изменения их прочностных и пластических свойств известно давно. В последнее время развиваются технологии многократного прессования и взрывного воздействия-ВВ, дающих значительное повышение характеристик усталостной и изгибной прочности. ВВ с возбуждением скользящей волны более эффектно, поскольку упрочнение (на 50-70%) происходит при более низких импульсных давлениях (в интервале 60-160 килобар). Существует критическое давление (до 600-700 кбар) с ростом дисперсности зерен металлов. При ВВ на никелевые сплавы ( давление импульса до 300кбар в сочетании с тепловой обработкой - релаксационного нагрева до 300-500 С 0 ) твердость растет в 1,6-2 раза.
Взрывное прессование порошков (при действии детонационных импульсов более низкого давления) приводит к их эффективному спеканию с повышением эксплуатационных характеристик.
Использование электромагнитных полей - ЭМП.
Одним из наиболее важным эффектом воздействия магнитного поля (МП) - изменение поверхностного натяжения жидкостей (или твердости конденсированных тел) [2-3]. Магнитная активация воды с изменением режима воздействия приводит к перестройке структуры ее ассоциатов с возможностью регулирования физических свойств при низком значении магнитного потенциала (поверхностного натяжения, вязкости, электрокинетического потенциала, адгезии влажных глинистых пород к твердым телам при положительной и отрицательной температуре тел). Существенное изменение поверхностного натяжения суспензий воды достигается за время 0,5-5с при напряженности МП до 60 А/м. Известно значительное влияние воздействия электрических и магнитных полей (ВЭМП) на изменение физических свойств влагосодержащих сред. Однако характер этих изменений имеющий, как правило, поличастотный характер, изучен недостаточно, особенно в связи с определением оптимального режима электромагнитного воздействия с целенаправленным изменением конкретных свойств данного материала. Следует подчеркнуть, что поличастотный характер изменения градиентов различных свойств отражает фазовые процессы физических превращений в обьеме среды на наноуровне. Влияние ЭМП определенного энергетического уровня сказывается в поглощении веществом внешней энергии необходимой для структуризации новых фаз – своеобразного запуска резонансно- колебательного взаимодействия на размерном уровне молекул и наночастиц.
Оптимальный режим ВЭМП определяется напряженностью поля - Е, временем воздействия – t и температурой Т, скоростью относительного перемещения материала в поле – V и числом изменений направлений потока материала относительно силовых линий – п.
Для твердых тел заметное изменение твердости требует сильного магнитного поля с высокой интенсивностью и длительностью воздействия. В этой связи можно отметить нижеследующие результаты [3- 6]. МП с индукцией до 300мТл заметно повышало микротвердость алюминия только при значительном времени воздействия ( 2-5 ч). Для упрочненных сред, особенно, содержащих наноструктурные образования повышение твердости (до 20%) поверхности происходит за время от 100 с - при постоянном МП в несколько тысяч А/м. Интересно отметить похожую закономерность при действии слабого электрического потенциала (до 0,5В) на поверхность пластичных металлов ( медь, алюминий свинец, железо). В этом случае в зависимости от типа проводимости, поверхностная твердость заметно изменялась с уменьшением или увеличением. Воздействие МП (с индукцией 5-15Тл) на охлажденные металлические сплавы изменяет характер аустенитно- мартенситных превращений. Для максимального изменения свойств необходим контроль оптимизации режима ВЭМП.
Воздействие на воду для затворения бетонов низкоэнергетическим магнитным полем (до 100А/м) приводит к ускорению твердения и повышению прочности на сжатие до 20 -25%.
Импульсные энергетические воздействия – ИЭВ.
Поскольку сцепление между микроассоциатами в большинстве тел сильно различается, то подбором импульсов различной частоты и сравнительно низкой энергоемкости можно разрушить часть связей между частицами (с уменьшением размеров зерен ). Электронно-пучковое воздействие (ЭЛВ) [ 1,4 ] с плотностью энергии 20-30 Дж/см 2 вызывает переструктуризацию твердых тел типа металлов и минералов со снижением размера зерен в 1,5 -2 раза и соответствующим повышением прочности на 20-35%. Применение ЭПВ для аустенитных сталей (при плотности энергии пучка электронов 40 Дж/см 2 , длительности импульсов 150мкс и частоте 0,3Гц) повышало усталостную долговечность стали в 1,5 раза. Воздействие ЭПВ на низколегированную сталь при 15-20 Дж/см 2 увеличивало усталостную долговечность в 1,9 раза. Рост мощности ЭПВ приводит к повышению положительного результата упрочнения и длительной прочности до определенного предела, то-есть имеется экстремальная полезная энергетическая нагрузка в зависимости от состояния и типа материалов. Обработка заполнителей измельченных горных пород бетона импульсным электрическим полем напряженностью 30-120В (при энергоемкости воздействия около 1кВтч/тн) значительно ускоряет процесс гидратации твердения бетона с повышением конечной прочности до 40%. Отметим возможность измельчения зерен при совместном действии электрического тока и механического деформационного воздействия.
Лазерное воздействие – ЛВ (излучение) может передавать энергетические импульсы световой природы на значительное расстояние без существенной потери энергии. Это определяет рациональность в ряде случаев использование ЛВ как для сварки, резки материалов так и поверхностного упрочнения, биоструктуризации живых тканей – в зависимости от частоты и длительности импульсов. Инфакрасное лазерное излучение способно проникнуть в толщу некоторых твердых тел до 100 мм при мощности излучения 10-20 Вт. В металлургии использование концентрированных воздействий на тонкую (10-200мкм) внешнюю оболочку металлических изделий достигается ускоренное закаливание при значительном росте твердости поверхностей. Опыты c b -излучением на кристаллах галоидных минералов [1] с энергией излучения 50-75 кЭВ показали возможность как снижения так и повышение упрочнения , т.е воздействие облучения носит экстремальный характер в диапазоне времени 80-140 минут. В сильных импульсных магнитных полях ( до 36 МА/м) общие структурные изменения приводили к значительному повышению стойкости режущего инструмента – долговечность сверл выросла в 1,3 раза. В опытах со сплавами [4,6] при электронно-ионном (плазменном) воздействии (при продолжительности импульсов 150 мкс, частоте 0,5 1/с и плотности энергии 10-2 15 Дж/см) происходило снижение твердости поверхности, так как при указанной плотности энергии начиналось разрушение структуры.
Известны различные вариации использования газовых разрядов (коронный, искровой, тлеющий, дуговой) с превращением высокоинтенсивных электрических полей внешнего ионизатора в высокотемпературные. Сюда можно отнести импульсное облучение поверхности ионным компонентом плазменной струи интенсивностью 5-8 ГВт/ см 2 . Плазма –это состояние вещества (например, при газовом разряде) с высокой степенью ионизации его частиц и большой электропроводностью. Особенность плазмы – примерно одинаковая кинетическая энергия ее различных частиц. Указанные разряды дают высокий эффект в технологиях взрывного легирования при получении твердосплавных материалов и резком ( в два- три раза) упрочнении поверхностных слоев различных режущих инструментов за счет внесения в них легирующих металлов типа вольфрама и кобальта. Ионно-плазменное облучение может снижать поверхностную прочность, а при облучении химически–активными веществами регулировать прочностные свойства. Например [6] при облучении ионами азота плотностью 10 18 ион/см 2 ( при энергии 20 кЭВ) получено значительное повышение усталостной прочности.
Об акустическом воздействии.
Существенный эффект от интенсивного акустического волнового воздействия наблюдается для весьма высокой частоты (типа УКВ), способствующей перестройке внутренней структуры тел (со сравнительно низким энергетическим сцеплением частиц) – главным образом за счет изменения ориентации и взаимного положения молекул и их энергетических ассоциатов на уровнях ближнего порядка. При этом изменяется время релаксации процессов изменения вязкости, конфигурации структурных единиц и соответствующих внутренних напряжений. Вследствие этого, в жидкосодержащих смесях ( например строительных растворах) значительно улучшается технологический процесс равномерного смешивания вязких смесей с низкоконцентрированными добавками (0,01-0,1%), в том числе с наноуглеродными и нанокремниевыми.
О комбинированных воздействиях
Сочетание применения акустических (УКВ) и магнитных полей дает значительный эффект в изменении свойств жидковязких и пластичных тел с выраженной жидкой фазой. На примере концентрированных твердеющих суспензий доказан конечный прирост прочности ( с 30 до 54%) при совмещении предварительной обработки УКВ и омагничивании. Для переменных МП имеется оптимум частоты (в интервале до 100 кГц), зависящий от размера частиц суспензий и их химического состава. Этот вопрос требует дальнейшего изучения. Эффект МП растет при дезаэрации, повышении молекулярного кислорода, повышения растворимости солей и добавок ( типа щелочей и их солей). Сильное МП способно залечивать трещины в металлоизделиях.
Интересно сопоставить изменение электротермического потенциала в процессах плавления или затвердевания тел различной природы. Опытная зависимость изменения градиента электрического потенциала при охлаждении влажного суглинка (до температуры - 6 -10 градусов) имеет резкий перегиб. Здесь фазовый неравновесный процесс замерзания влаги в порах суглинка сопровождается образованием новых микрогальванических пар со скачкообразной перезарядкой системы. Этот факт может служить сигналом резкого увеличения когезии льдистых прослоек к металлической поверхности. На основании этого автором разработан способ контроля примерзания при транспортировке влажных дисперсных материалов (пат.№ 2148820). При изучении процесса затвердевания цементных растворов падение величины тока в течении нескольких часов (за счет снижения электропроводности при твердении) носит достаточно монотонный характер .Однако временной градиент изменения тока i = f(t) имеет колебательно-затухающий характер. Интересно отметить, что действие переменного электрического поля напряженностью 2-5 В/см в начальный период (соответствующий фазе индукции - интенсификации образования зародышей кристаллизации для последующего твердения гипса) дает резкий скачок изменения прочности структуры от времени действия электрического поля (в течении времени твердения). Указанные факты могут быть положены в основу оптимизационного контроля изменения физических свойств при действии электрических полей. Соответственно, возникает необходимость оперативного контроля качества электромагнитной обработки водных растворов используемых в теплоснабжении (снижение накипи), химических технологиях, очистке водных стоков, интенсификации процессов флотации руд, медицинской терапии, сельскохозяйственных технологиях ( интенсификация прорастания семян, вегетационные поливы, ветеринарии) и других процессах воздействия на влагосодержащую систему постоянного или переменного электрического, магнитного или смешанного поля для регулирования конечных физико-механических свойств. Следует подчеркнуть малую энергоемкость ЭМВ для многих процессах используемых в промышленных и с/х технологиях...
Можно отметить следующие закономерности влияния энергетических полей:
1) Количество ( плотность) энергии ЭМП и других импульсно-волновых воздействий 
коррелируется с прочностью тел s ( на разрыв и изгиб). Чем выше величина s , тем больше энергии поглощает тело для перестройки своей структуры за оптимальное время энергетического воздействия-Т. Увеличение продолжительности энергетического воздействия способствует переходу энергетических импульсов в тепловое движение частиц тела, что не всегда является самоцелью данного воздействия).
2) Характерные сопоставления уровней энергетических воздействий : энергетический потенциал глинистых горных пород – 0,1 -10 Дж/г;
Плотность импульсного (5-100 мкс) ЭМВ – до 10 4 А / мм2 ; электроннопучкового облучения – до 20-40 Дж/см 2 ; напряженность МП от 50 А/м до 50 МА/м. Отметим. что глубина поглощения высокочастотной энергии h = D /√ f , где D – постоянный множитель для данного материала ( металла), f – частота ( например для стали частоте 50 и 5000Гц глубина равна, соответственно, 5 и 0,5 мм ). Ориентировочные значения удельных работ на разрушение или значительное повышение прочности материалов составляют для измельчения твердых горных пород -10-60 Дж/г, для помола кремнезема -20-30 Дж/г, разрыв низкоуглеродистой стали 12-15 Дж/г, то же для спецсталей - до 25 Дж/г, электронно-пучковое воздействие -20 - 40Дж/г, ЭМП и импульсные энергетические излучения – 10-40 Дж/г. В тоже время энергоемкость взрывных технологий, для повышения прочности и других эксплуатационных свойств металлов составляет, ориентировочно, 2000-4000 Дж/г, а для электрохимической обработке наполнителей бетона ( для ускорения твердения и повышения прочности) требуется всего 1-5 Дж/г. То-есть, эффективность взрывного повышения эксплуатационных свойств имеет низкий коэффициент использования энергии.. В первом приближении необходимый уровень энергии воздействия пропорционален прочностным характеристикам данного материала.
3) Как правило, существует оптимальный диапазон плотности и длительности рассмотренных энергетических воздействий для достижения конечного планируемого результата. Следует отметить недостаточность исследований механизма воздействия полей и обоснования их оптимальных параметров.
Список литературы
1.Заднепровский Р.П. Трохимчук М.В. Адгезионно-фрикционные свойства дисперсных тел и их регулирование. Волгоград: ВолГАСУ, 2010.С.91-94
2.Заднепровский Р.П. Условия наибольшей эффективности воздействия электромагнитных полей на изменение свойств воднодисперсных материалов. В сб. материалов 2-ой межд. научно-практ. конф. «Актуальные вопросы науки и техники» . Самара: ИЦРОН, 2015.С.174-180.
3. Заднепровский Р.П. Энергетика измельчения материалов различного физического состояния // Сухие строительные смеси, 2013, №5. С.14-18
4. Вестник Тамбовского университета, серия «Естественные и технические науки», 2010, т.15, вып.3. С.818, 827, 851, 1110
5.Сб. материалов «Петербургские чтения по проблемам прочности» . Санкт –Петербург: госуниверситет, 2012 , часть 1(с.60,66,137), часть2 (51-59, 117, 176
6. Физика прочности и пластичности. Материалы 18-ой межд. конф. Самара : СамГТУ, 2012. С.79, 110,115
