На основе молекулярно-динамического моделирования исследована система «нанопористый материал — молекулярный водород». Спецификой исследуемой системы является то, что длина свободного пробега молекул больше, чем характерный размер нанопор. Взаимодействие между молекулами водорода описывалось адаптивным межмолекулярным потенциалом, разработанным для описания углеводородных систем. Рассчитаны радиальные распределения плотности газа и скоростей молекул в нанопорах различного размера. Изучено влияние характера взаимодействия стенок нанопор с молекулярным водородом на кинетические свойства газа и адсорбционные свойства нанопористого материала.

В работе исследуется отклик материала с системой пор различного масштаба на высокоскоростную сдвиговую деформацию. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом частиц. На атомном уровне это метод молекулярной динамики, на мезомасштабном уровне - метод подвижных клеточных автоматов. Показано, что в процессе деформации такого материала формируются динамические дефекты вихревого типа. Этот процесс характеризуется тремя стадиями. Первая стадия связана с преимущественно ламинарным характером смещений атомов или элементов среды в областях, прилегающих к нагруженным слоям. Особенность второй стадии заключается в формировании согласованного вихреподобного движения атомов и элементов среды в области между порами. При этом наблюдается периодичность формирования и распада вихревого движения. Для атомного уровня период такого процесса составляет порядка нескольких пикосекунд. Для бoльшего масштаба длительность второй стадии и особенности ее проявления определяются свойствами модельного материала. Третья стадия на атомном уровне связана с потерей устойчивости атомной структуры и формированием полос локализованной деформации. Это сопровождается рассогласованием вихревого движения атомов в области между нанопорами. На мезомасштабном уровне третья стадия сопровождается разрушением материала. Полученные результаты могут иметь практическое приложение при анализе поведения материалов, подверженных, например, радиационному облучению в условиях динамического воздействия.

С использованием метода молекулярной динамики исследовано поведение молекул водорода в нанопорах углерода различной формы: щелевидной, цилиндрической и сферической. Показано, что вблизи стенок нанопор формируется адсорбированный слой молекул с повышенной плотностью, между этим слоем и газом в центральной области нанопоры устанавливается динамическое равновесие. Установлено, что распределение плотности молекул газа по сечению зависит от кривизны стенок нанопор и их размера: при уменьшении размера нанопор плотность адсорбата увеличивается быстрее в сферических нанопорах, стенки которых характеризуются большей средней кривизной.

Впервые зарегистрированы спектры пропускания нанопористого SiО2 / А12О3 - ксерогеля в ближнем ИК-диапазоне при заполнении нанопор молекулами аммиака и ацетона. Обнаружено, что физическая адсорбция данных газов вызывает увеличение пропускания образцов ксерогеля на частотах колебаний поверхностных ОН-групп, носящее обратимый характер.

Решение задачи строится в постановке, предполагающей выполнение требований к материалу одновременно по нескольким деформационно-прочностным характеристикам. В качестве управляющих параметров принимаются рецептурные характеристики дисперсно наполненной полимерной композиции: степень наполнения композиции компактными армирующими включениям, средний размер включений, уровень адгезионного взаимодействия. Требования к заданным деформационно-прочностным свойствам задаются в виде некоторого интервала, в который они должны попасть. Решение строится путем построения в пространстве состояний поверхностей отклика, отражающих зависимость каждого из задаваемых свойств от управляющих параметров. заданный для каждой характеристики интервал отражается на поверхности в виде двух линий уровня, отвечающих максимальному и минимальному значению, а их проекции на плоских параметров ограничивают область, в которую должны попасть значения соответствующих параметров. Пересечения таких областей определят набор управляющих параметров, придающих композиции заданные эффективные свойства.

С помощью компьютерного моделирования исследовано поведение большеугловой границы зерен специального типа в бикристалле меди в условиях сдвигового нагружения. Обнаружено, что одновременно с относительным проскальзыванием зерен в направлении приложенной нагрузки происходит перемещение положения границы зерен в направлении, перпендикулярном действию сдвиговой деформации. Обнаруженное движение носит дискретный характер. Оно приводит к росту одного зерна за счет другого. В работе анализируется механизм такого перемещения, а также исследовано влияние скорости и направления нагружения на характер поведения границы зерен. Результаты исследований позволяют лучше понять атомные механизмы развития пластической деформации в поликристаллических материалах.

Работа посвящена теоретическому исследованию влияния геометрических (ширина) и механических характеристик межфазных границ на прочность, величину предельной деформации и работу разрушения металлокерамических композиционных материалов. Исследование проведено путем компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов с использованием развитой «мезоскопической» структурной модели композита, явным образом учитывающей наличие широких переходных зон «армирующие включения - матрица». Показано, что формирование в материале относительно широких межфазных границ, характеризующихся плавным изменением механических свойств материала при переходе от керамических включений к связующему, позволяет существенно повысить механические характеристики композита. При этом большое значение имеет не только ширина, но и величина градиента изменения механических свойств в переходной зоне. Так, наличие в межфазных областях дефектов и включений наноскопического и атомарного масштабных уровней может приводить к росту внутренних напряжений в интерфейсных зонах, формированию в них резкого градиента механических свойств и, как следствие, снижению деформационных характеристик и работы разрушения композита.

The paper reports on theoretical study to elucidate the influence of geometric (width) and mechanical characteristics of phase interfaces on strength, ultimate strain, and fracture energy of metal ceramic composites. The study was performed by computer simulation with the movable cellular automaton method and a well-developed mesoscale structural composite model that takes explicit account of wide transition zones between reinforcing inclusions and the matrix. It is shown that the formation of relatively wide “ceramic inclusions-binder” interfaces with gradual variation in mechanical properties allows a considerable increase in the mechanical properties of the composite. Of great significance is not only the interface width but also the gradient of mechanical properties in the transition zone. The presence of defects and inclusions of nano- and atomic scales in interface regions can increase internal stresses in these regions, induce a steep gradient of mechanical properties in them, and hence decrease strain characteristics and fracture energy of the composite.

Сделан обзор по моделированию особенностей образования первичной радиационной повреждаемости (ПРП) и формирования радиационных дефектов каскадами атомных смещений. Приведены результаты моделирования методом молекулярной динамики каскадов атомных смещений и особенностей их взаимодействия с дефектами внутренней кристаллической структуры металлов (точечными дефектами, порами, дислокациями, границами зёрен (ГЗ), свободными поверхностями). Показано, что дефекты оказывают существенное влияние на эволюцию каскадов атомных смещений и формирование ПРП металлов.

Автор настоящей книги, профессор Иллинойского университета г. Чикаго (США) Г. Али Мансури, известен как крупный специалист в областях химии нефтегазовых продуктов, термодинамики и статистической механики. Книга охватывает различные направления нанотехнологии: получение наноразмерных материалов с использованием специальных приборов, фундаментальные принципы самоорганизации, а также термодинамические аспекты, связанные с особенностями свойств и превращений, происходящих в материалах на наноуровне. Материал излагается довольно подробно и включает широкий круг проблем, предоставляя читателю необходимые знания основ науки о материалах. В приложении - исчерпывающем глоссарии, детально трактуются понятия, определения, уравнения и теории, химические формулы, аббревиатуры. Эту книгу можно использовать как учебное пособие для аспирантов и инициативных студентов, уже немного знакомых с квантовой и статистической механикой и специализирующихся в области технических, биологических и физических наук. Она также предназначена для ученых смежных областей, которые интересуются достижениями современных науки и технологиями наноразмерных материалов и хотят овладеть их методами. Монография издана в рамках инновационной образовательной программы МИЭТ "Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники".

Очередной выпуск межвузовского сборника содержит статьи, посвященные разработке и развитию современных математических моделей и методов решения широкого круга задач механики деформируемого твердого тела, включая задачи исследования деформирования и разрушения материалов и конструкций при различных физико-механических воздействиях, в частности, нелинейные и нестационарные задачи оболочечных конструкций, задачи нестационарного взаимодействия сред и конструкций. В статьях отражены теоретические и экспериментальные исследования, математические модели, вопросы алгоритмизации и компьютерного моделирования физико-механических процессов, методология оптимального проектирования несущих конструкций с учетом различных критериев и ограничений.

Предложена методика оценки параметров упругих волн при моделировании контактного взаимодействия твердых тел. Анализ спектров Фурье зависимостей от времени таких величин, как компоненты скорости, давление и интенсивность напряжений позволил выявить частоты, характерные как для численной модели и геометрии задачи, так и непосредственно для процессов, протекающих в области контакта при трении.

Исследуется начальная стадия инициации процесса локализации атомных смещений в приповерхностной области на основе анализа особенностей перераспределения избыточного объема. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что избыточный объем концентрируется в тех областях, где в дальнейшем наблюдаются структурные изменения. При этом выявлено, что превышение избыточного объема для этих областей может достигать 5% по сравнению с удельным объемом, приходящимся на атомы, находящиеся вне зоны локализации смещений. Полученные результаты позволяют с новых позиций рассматривать роль избыточного объема в вопросах зарождения и развития пластической деформации на атомном уровне.

Исследуется отклик материала с системой микропор на высокоскоростную сдвиговую деформацию. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что в процессе деформации такого материала формируют динамические дефекты вихревого типа. Этот процесс характеризуется тремя стадиями. Первая стадия связана с преимущественно ламинарным характером смещений атомов в областях, прилегающих к нагруженным слоям. особенность второй стадии заключается в формировании согласованного вихреподобного движения атомов в области между микропорами. При этом наблюдается периодичность формирования и распада вихревого движения. Период такого процесса составляет порядка нескольких пикосекунд. Третья стадия связана с потерей устойчивости атомной структуры и формированием полос локализованной деформации. Это сопровождается рассогласованием вихревого движения атомов в области между микропорами. Полученные результаты могут иметь практическое приложение при анализе поведения материалов, подверженных радиационному облучению.

Исследована возможность нанофрагментации материала в приповерхностных слоях на начальных стадиях процесса релаксации. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики.. Показано, что на начальном этапе процесса релаксации возможно формирование разориентированных наноблоков. Фрагментированная структура формируется в области локализованной деформации вблизи концентраторов напряжений и распространяется вглубь материала. Показано, что в области локализации деформации функция радиального распределения атомной плотности имеет вид размытых пиков, соответствующих пикам идеальной гранецентрированной кристаллической (ГЦК) структуры, а в области кристаллита, где локализация деформации не наблюдается, происходит расщепление пиков ГЦК-структуры, обусловленной деформационным нарушением симметрии. Полученные результаты дают возможность утверждать, что возможным механизмом релаксации внутренних напряжений в постнагруженных твердых телах является эффект нанофрагментации материала.

В данной работе представлены результаты моделирования, которые позволяют сделать вывод о возможности покомпонентной закачки гелеобразующей композиции, позволяющей избежать гелеобразования вблизи ствола в горячих скважинах. Обычные методы закачки геля предусматривают закачку однородной композиции, когда смешивание компонентов производится на поверхности непосредственно перед закачкой или же на стадии производства гелеобразующей композиции. Это не всегда приемлемо, если процесс гелеобразования может начаться в стволе скважины и его окрестностях, а технология требует создания удаленного от скважины гелевого экрана. Представленная в работе модель описывает последовательную закачку в скважину различных растворов, которые при смешивании образуют гель под действием пластовой температуры. Смешивание растворов происходит в результате дисперсии жидкости и задержки ионов на матрице пласта в процессе фильтрации. Изменением объемов растворов компонентов и воды можно регулировать расстояние от скважины до гелевого экрана. Приведены результаты лабораторных экспериментов, подтверждающие теоретическое обоснование модели. Приведены практические расчеты для модели паронагнетательной скважины одного из месторождений Западной Европы.

Проведено компьютерное моделирование поведения межзеренной границы в образце алюминия в условиях высокоскоростного сдвигового нагружения. Расчеты проводились на основе метода молекуляной динамики в теории псевдопотенциала. Было обнаружено, что у условиях данного типа нагружения граница зерен может перемещаться с аномально высокой скоростью, превосходящей даже скорость приложенного сдвига. исследуются атомные механизмы, обусловливающие данный эффект.

Монография посвящена новому, быстро развивающемуся направлению теоретической химии, - компьютерному конструированию неорганических соединений. Рассмотрен подход к компьютерному дизайну соединений, который использует методы искусственного интеллекта для анализа информации баз данных по свойствам неорганических веществ. Описаны базы данных по свойствам веществ и материалов, разработанные в ИМЕТ РАН, и методы компьютерного анализа химической информации. Проанализированы результаты использования компьютерного конструирования для поиска закономерностей в информации баз данных с целью прогноза состава еще не полученных соединений с заданными свойствами. Для научных работников и специалистов в областях неорганической химии и материаловедения, а также всех, интересующихся современными проблемами компьютерного анализа данных и информационными системами.

Проведены экспериментальные исследования формирования дефектной структуры в тонком поверхностном слое стали 20Х18Н10Т в процессе изнашивания в паре трения. Показано, что пластическая деформация в стесненных условиях пары трения является неоднородной и носит вихревой ротационный характер. Для теоретического описания процессов формирования вихревых структур в многоуровневых поликристаллических структурах развит метод возбудимых клеточных автоматов. Численные эксперименты показали формирование ротационных мод деформации на различных структурно-масштабных уровнях — модуляцию значений локального момента силы вдоль межзеренных границ и фрагментацию исходных структурных элементов в исходных конгломератах самосогласованно деформирующихся зерен в поле моментных напряжений.

Научный и практический интерес вызывает решение так называемой обратной задачи компьютерного конструирования материалов - определение внутреннего строения или структуры материала, для которого удовлетворяются некоторые заранее сформулированные требования к эффективным характеристикам. Количество управляющих параметров при этом обычно может быть довольно большим. Например, для дисперсно наполненной полимерной композиции такими параметрами являются объемное или массовое соотношение компонент, внутренняя геометрия материала, определяющая взаимное расположение, размеры и форму фаз, свойства межфазных слоев и т. д. Требования на макроуровне могут формулироваться не для одной их характеристик материала, а сразу для нескольких. так, для материалов конструкционного назначения наиболее важной из деформационно-прочностных характеристик обычно является модуль упругости. На практике часто необходимо обеспечить получение еще нескольких характеристик материала. Для полимерных композиций такими могут быть, например, предельная деформация разрушения при одноосном растяжении, предел текучести и т. д.

Книга профессора Кембриджского университета Роберта У. Кана (1924-2007) "Становление материаловедения" рассказывает о возникновении физического материаловедения, главным образом в США и странах Европы, о его формировании и развитии, о методах и основных исследовательских направлениях. Книга написана увлекательным языком, содержит биографии ряда исследователей и сведения об обстоятельствах появления ряда замечательных научных достижений и открытий. Для студентов, аспирантов и преподавателей, специализирующихся в области физики твердого тела, химии твердого тела, физического материаловедения, нанотехнологий и смежных дисциплин.

В предлагаемой читателю книге известных авторов: профессора Карал К. Коча (США), доктора физико-математических наук Ильи Овидько (Россия), профессора Судипты Сила (СШЩА) и профессора Стэна Вепрека (ФРГ) на теоретическом и прикладном уровнях излагаются фундаментальные основы нанотехнологических процессов и структурных состояний объемных наноматериалов, нанокомпозитов и покрытий. В книге рассматриваются области применения массивных наноматериалов в несущих конструкциях, анализируется стабильность нанокристаллических микроструктур и описываются методы, используемые для изучения их строения. Исследованы закономерности и особенности изменения механических и функциональных свойств наноматериалов и возможных областях применения. Представляются теоретические модели структур нанокристаллических материалов и обсуждаются механизмы их поведения при различных видах нагружения. Книга, содержащая новейшие сведения о свойствах наноматериалов, проблемах и х освоения и перспективах решения, несомненно, полезна студентам, аспирантам, ученым и инженерам, занимающихся разработкой и использованием наноматериалов в различных областях техники.

В работе представлен обзор континуальных моделей, применяющихся при численном моделировании на мезоуровне. Особое внимание уделено микрополярным моделям как представителям двухуровневых моделей механики обобщенных сред для описания материалов со сложной изменяющейся в ходе деформации структурой. Дано изложение модели Коссера и обсуждается ее применение для моделирования пластической деформации металлических материалов на мезоуровне. Приведены некоторые результаты численных расчетов, показывающие возможности микрополярных моделей.

Сборник научных трудов содержит статьи, посвященные современным проблемам химии полимеров, созданию новых полимерных материалов со специальными свойствами, новым направлениям переработки пластмасс. Публикуемые материалы представлены на международную научную конференцию "Пластмассы со специальными свойствам", посвященную 90-летию доктора химических наук, профессора, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР Анатолия Федоровича Николаева. Материалы сборника будут интересны научным работникам и аспирантам, проводящим исследования в области радикальной и ионной полимеризации и сополимеризации, модификации полимеров, изучающим кинетику полимеризационных процессов, создающим полимеры со специальными свойствами, занимающимся переработкой полимерных материалов. Сборник может быть использован в учебном процессе в высших учебных заведениях как дополнительное пособие при изучении специальных дисциплин, предусмотренных программой подготовки специалистов по полимерным специальностям, в частности, по специальности 24.05.01 "Химическая технология высокомолекулярных соединений". Он будет полезен также при изучении дисциплин "Химия и физика полимеров", "Высокомолекулярные соединения", "Технология пластмасс", "Пластмассы со специальными свойствами" и др., при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 240100 "Химическая технология" и 010100 "Химия", при написании студентами выпускных квалификационных работ.

Рассматриваются адаптивные импульсные технологии процессов сварки и наплавки. Предложен подход выработки оптимальных алгоритмов управления, основанный на компьютерном конструировании таких процессов. Подробно рассмотрены два разномасштабных этапа создания интегрированной модели импульсной технологии.

В работе показана возможность изучения закономерностей поведения и диагностики структуры и свойств поверхностных слоев и покрытий на основе спектрального анализа акустических колебаний и силы сопротивления при трении. Исследования проведены на наноскопическом масштабе с использованием численного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. Развита методика анализа упругих волн на основе обработки зависимостей от времени таких величин, как компоненты скорости, давление и интенсивность напряжений, регистрируемых в определенной точке поверхности контртела. Идентифицированы основные пики на спектрах регистрируемых данных, обусловленные собственными частотами системы, геометрическими и адгезионными параметрами модели, а также шероховатостью взаимодействующих поверхностей. Показано, что спектры изменения давления в модели качественно подобны акустическим спектрам записи звука в реальном эксперименте. Теоретически обосновывается возможность применения трибоспектрального анализа на основе вычисления силы трения для диагностики неоднородностей и несплошностей наноскопического масштаба в поверхностном слое толщиной до 100 нм. Результаты изучения показали возможность оценки ряда параметров наноскопических несплошностей, таких как характерный пространственный период их расположения и линейные размеры. Обсуждаются области применения предложенного подхода как перспективного неразрушающего метода исследования поведения и диагностики структуры и поврежденности покрытий и поверхностных слоев наноскопической толщины.

Описан подход к моделированию экзотермических химических реакций, основанный на концепции клеточных автоматов. Для анализа адекватности подхода приведены результаты моделирования процесса распространения фронта реакции при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе в системе Ni-Al. Показано хорошее согласие между модельными и экспериментальными зависимостями скорости движения фронта и максимальной температуры горения от температуры начального прогрева порошковой смеси. Сделан вывод о необходимости явного учета кинетики реакции, в частности растекания жидкой фазы, для корректного описания влияния пористости на протекание экзотермической реакции.