Учебное пособие 800681

донорских органов от животных, путем культивирования соматических стволовых клеток с последующим получением определенных типов тканей, создания искусственных органов на основе достижений биоэлектроники и нанотехнологий.

Создание и использование искусственных органов – первое направление в трансплантологии, в котором начала решаться проблема дефицита донорских органов и других проблем, связанных с забором органов у человека, как живого, так и мертвого. В медицинской практике широко используется аппарат «искусственная почка», вошли в практику кардиотрансплантологии искусственные клапаны сердца, совершенствуется искусственное сердце, используются искусственные суставы и хрусталики глаза. Это путь, который зависит от новейших достижений в области других наук (технических, химико-биологических и т.д.), требующий значительных экономических затрат, научных исследований и испытаний.

На данный момент времени, искусственные органы не получили широкого применения в трансплантации людям. Речь идет о единичных операциях, да и их результаты зачастую умалчиваются. Но ежегодно в области выращивания органов появляются новые результаты. По прогнозам ученых разработка и внедрение техники выращивания сложных органов-вопрос времени и велика вероятность, что в ближайшее десятилетие техника будет отработана настолько, что выращивание сложных органов будет широко использоваться в медицине, вытеснив наиболее распространённый сейчас метод трансплантации от доноров.

Литература

1.Зигуненко, С.Н. Сто великих тайн медицины [Текст] / С.Н. Зигуненко. -М.: Изд. Вечер, 2007. -411 с.

2.Стволовые клетки – в вопросах и ответах [Электронный ресурс]: Режим доступа – World Wide Web. URL: http://moikompas.ru/compas/stvol_kletki

3.Хенч Л., Джонс Д. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей [Текст] / Л. Хенч, Д. Джонс; пер с англ. Ю. Л. Цвирко. -М.: Изд. Техносфера,2007. 304 с.

4.Пахарьков Г. Биомедицинская инженерия. Проблема и перспективы [Текст] / Г. Пахарьков. –СПб.: Политехника, 2011.-232 с.

71

5. Е. Лозовская. Трансплантология. От органов к клеткам [Текст]/ Е.Лозовская//АНО Редакция журнала «Наука и жизнь». – 2010.-№6.-с.32-46.

6. . Великобритания разрешит выращивание химер [Электронный ресурс]: Режим доступа – World Wide Web URL:https://lenta.ru/news/2016/01/12/chimeras/

Воронежский государственный технический университет

УДК 669.15

Е.Р. Евтушенко, Б.А. Спиридонов

ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ВЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

Встатье представлены сведения о свойствах ферромагнитных

По отношению к внешнему магнитному полю различают диамагнитные и парамагнитные вещества. Диамагнитные вещества оказывают прохождению магнитных силовых линий большое сопротивление, чем вакуум, и поэтому внешнее магнитное поле их выталкивает. Парамагнитные вещества, напротив, проводят магнитные силовые линии лучше, чем вакуум, и поэтому магнитное поле втягивает такие вещества. Помещенные между полюсами сильного магнита диамагнетики ориентируются перпендикулярно силовым линиям, а парамагнетики – вдоль силовых линий. Различное поведение диа- и парамагнитных веществ обусловлено различным характером их внутренних магнитных полей. Вращение электронов вокруг оси создает магнитное поле, характеризуемое спиновым моментом. Если в веществе магнитные поля электронов взаимно замкнуты (скомпенсированы) и их суммарный спиновый момент равен нулю, то вещество является диамагнитным.

Железо, кобальт, никель – типичные ферромагнитные вещества, вызывающие очень большое усиление внешнего магнитного поля. Появление ферромагнетизма у металлов группы железа оказывается закономерным следствием сильного роста парамагнетизма, который наблюдается уже в ряду предшествующих элементов, из которых хром и марганец в сплавах могут проявлять ферромагниные свойства (сплав Хейслера). Элементы, с порядковыми номерами следующие за никелем являются уже диамагнетиками [1, 2].

72

У ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость = 103

– 105. Магнитная проницаемость =В/Н зависит от напряженности магнитного поля Н и величины индукции В. Изменение индукции В от напряженности магнитного поля графически изображается кривой зависимости В = f (H). Из этой зависимости следует, что при Н = Н0 начинается перемагничивание материала. Величину Нс, представляющую собой напряженность, противоположную по знаку первоначальной и необходимую для полного размагничивания материала, называют коэртицивной силой. Величину В0 при Н0 называют остаточной индукцией.

Явление ферромагнетизма обусловлено тем, что внутри ферромагнетиков ниже температуры, называемой точкой Кюри, имеются небольшие кристаллические области, называемые доменами, в них спины неспаренных электронов оказываются ориентированными взаимно параллельно. Это значит, что в пределах домена существует спонтанная намагничиваемость. Поэтому, чтобы намагнитить все тело, необходимо воздействовать на него внешним магнитным полем. Действие этого поля сводится к повороту магнитных моментов доменов в направлении внешнего поля и к увеличению тех доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением магнитного и к уменьшению других доменов. Магнитное насыщение будет достигнуто тогда, когда магнитные моменты всех доменов будут ориентированы в направлении поля. Это связано с изменением линейных размеров тела (с магнитострикцией). Выше точки Кюри ферромагнитные свойства тела исчезают.

Магнитные материалы с малой коэрцитивной силой Нс и с большой магнитной проницаемостью называют магнитомягкими, а с большой коэрцитивной силой и меньшей магнитной проницаемостью – магнитотвердыми [2, 3].

В последнее время получил широкое распространение ферриты – ферромагнитные полупроводники. Благодаря уникальным свойствам их активно применяют в технике при создании различных радио- и электроприборах. Например, в роторах генераторов и электродвигателей. Эта деталь, по сути, является электромагнитом, имеющим одну обмотку. Она расположена на валу. Поверх обмотки прикреплён специальный сердечник, диаметр которого на полтора-два миллиметра меньше, чем диаметр стартёра. Подачу тока обеспечивают медные кольца. Они также находятся на валу и соединяются с обмоткой специальными щёточками.

73

Обмотка ротора — медный провод, намотанный на металлический каркас, создает магнитное поле. Конструктивно обмотка возбуждения зафиксирована на валу ротора.

Две полюсные половины с выступами клювообразной формы (по шесть на каждой половине), установленные поверх обмотки возбуждения, представляют собой полюсные магниты для усиления магнитного поля. Зубцы (клювы) одной чашки выступают в роли южных (S) полюсов магнита, другой—в роли северных (N) полюсов. Вращение ротора генератора происходит с периодической сменой полюсов магнита N–S–N–S, что приводит к образованию переменного тока в обмотках статора.

Магнитомягкие материалы используют в качестве сердечников трансформаторов. Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначено для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты. Сердечник трансформатора служит для концентрации магнитного потока и выполняется из электротехнической стали, ферритов, но последний обладает очень хорошей электромагнитной проводимостью, лучше, чем трансформаторная сталь. Применяется для эффективной передачи энергии из первичной обмотки во вторичную через магнитное поле, которое практически полностью концентрируется внутри сердечника. Без сердечника большая часть магнитного поля первичной обмотки впустую рассеялась бы в пространстве, не приняв участия в индукции тока во вторичной обмотке.

Другим применением ферромагнетиков является реле - электрическое устройство, которое предназначается для осуществления коммутации различных участков электрических схем при изменении электрических или неэлектрических входных воздействий. Принцип работы электромагнитных реле основан на применении электромагнитных сил, которые возникают в металлическом сердечнике во время прохождения электрического тока по виткам его катушки. Все детали будущего реле необходимо смонтировать на основание и закрыть крышкой, после чего над сердечником электромагнита устанавливается пластина (подвижный якорь), к которой крепятся от одного до нескольких контактов.

74

Напротив закрепленных контактов устанавливают парные им неподвижные контакты. Наиболее широкое применение в схемах автоматики и системах защиты электроустановок получили именно электромагнитные реле, благодаря своей высокой надежности и простоте принципа действия. Электромагнитные реле подразделяются на реле переменного и постоянного тока. Реле постоянного тока, подразделяются на поляризованные, реагирующие на полярность управляющего сигнала, и нейтральные, которые реагируют на протекающий по его обмотке постоянный ток любой полярности [3].

Широкое применение магнитные материалы нашли при создании магнитных лент. Магнитная лента — носитель информации в виде гибкой ленты, покрытой тонким магнитным слоем. Информация на магнитной ленте фиксируется посредством магнитной записи. Устройства для записи звука и видео на

данных на магнитной ленте называется стример. Магнитная лента состоит из гибкой основы, на которую с одной стороны нанесен рабочий слой — суспензия тонкого ферромагнитного порошка в специальном лаке. Между ними может наноситься промежуточный слой, обеспечивающий лучшее сцепление основы и рабочего слоя. Сам рабочий слой может состоять из нескольких слоев с ферромагнитным порошком разного состава. Кроме того, поверх рабочего слоя иногда наносят ещё один — антифрикционный, для

миллиметров до 100 мм и более, в зависимости от назначения. Лента поставляется и используется чаще всего смотанной в плотный рулон на сердечнике или катушке той или иной конструкции. Основа магнитной ленты изготавливается из синтетических материалов, чаще всего ацетат-целлюлозных (диацетататриацетата), полиэтилентерефталата (лавсана) и полиимидов. Применялись и другие материалы (бумага, целлулоид, полиэтилен, полихлорвинил), но они вышли из употребления, так как хуже отвечали требованиям,

чистых металлов. От состава, толщины и однородности рабочего слоя, размеров и формы частиц магнитного порошка во многом зависят основные характеристики ленты.

Существуют также однослойные магнитные ленты, в которых ферромагнитный порошок распределен в толще материала основы, и цельнометаллические, представляющие собой тонкую полосу из углеродистой стали. Однако подавляющее распространение получили именно многослойные ленты, описанные выше.

Используют магнитные материалы в качестве носителей информации. Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1 [2].

Литература 1. Тареева Б.М. Электрорадиоматериалы [Текст] / Б.М.

Тарлеев. М. -1978. – 358 с.

76

2.Харин А.Н., Катаева Н.А., Харина Л.Т. Курс химии: Учебник для приборостроит. спец. вузов [Текст]/А.Н.Харин. – М.:

Высш. школа, 1983.- 511 с.

3.Пул Ч, Оуэнс Ф. Нанотехнологии [Текст] /Ч.Пул, Ф.

Оуэнс. М.: Техносфера.- 2006.- 336с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 669.01(075)

О.В. Горожанкина, Ю.А. Щетинин, Ю.Р. Копылов

СТРУКТУРА И ПЛОТНОСТЬ МЕДНОМАТРИЧНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МЕТОДА ПОДГОТОВКИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР

Приведена схема установки и режим электрохимической обработки углеродных наноструктур, описана технология получения композиционных материалов. Исследована микроструктура и определена плотность образцов композита.

Ключевые слова: электрохимическая обработка, наноструктуры, медь, микроструктура, плотность.

Одной из актуальных проблем современного материаловедения является разработка металломатричных композиционных материалов с содержанием углеродных наноструктур [1-5]. Как известно, добавление углеродных наноматериалов в металлы существенно меняет их физикомеханические свойства, и потому может быть использовано для целенаправленной модификации материалов.

Существенной проблемой при создании нанокомпозитов является равномерное распределение наночастиц в объеме материала [6-8]. Эта проблема является общей для композитов на основе металлов и полимеров. Она обусловлена склонностью наночастиц к агломерации, которая существенно зависит от их структуры, а так же от типа материала матрицы.

В данной работе проведено исследование влияния предварительной подготовки углеродных нанотрубок (УНТ) на

77

микроструктуру и плотность образцов медноматричных нанокомпозитов.

В рамках выполнения данной работы был применен электрохимический метод подготовки углеродных наноструктур (УНС), сочетающий в себе одновременно два процесса: диспергирование и функционализацию.

Принципиальная схема установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема для получения очищенных, диспергированых и функциализированых УНМ

1 – катод в кассете; 2 – анод; 3 – электролитический ключ (капилляр Луггина-Габера) 4 – хлор-серебрянный электрод сравнения; 5 –источник питания, 6 – регистрирующий прибор; 7 – магнитная мешалка; 8 – компрессор; 9 – суспензия электролит-УНТ

Углеродный материал вносился в электролит 9. Плотность тока – 0.3 А/м2, время обработки – 60 минут. После обработки смесь отстаивали. Верхний слой электролита сливали, а остаток промывали дистиллированной водой в соотношении 1:4. Производился контроль отмывки от электролита. Полученная суспензия отделялась от осадка и использовалась в дальнейшей работе при ее смешении с порошком меди.

Порошок ПМС-1 вносился в эту же емкость с помольными телами и обрабатывался при следующих параметрах: 350 об/мин и время обработки – 30 минут. Смесь сушили на воздухе при температуре – 60-100 °С до полного высыхания. Полученные порошковые смеси меди и УНМ прессовали с усилием 30 кгс/мм2,

78

затем проводили спекание. Соотношение компонентов и тип УНС представлены в табл. 1.

Таблица 1

Соотношение компонентов и тип УНС

На рис. 2 представлены структуры поверхностей шлифов. Очевидно, что используемые варианты прессования и спекания не позволяют достичь 100% плотности. На поверхности можно наблюдать как отдельные поры так и протяженные, располагающиеся вдоль вдоль границ зерен.

Следует отметить, что на микрофотографиях практически не удается обнаружить присутствие углеродных наноматериалов. Это связано с тем, что углеродные наноматериалы при взаимодействии с медью в процессе компактирования и последующего спекания обладают тенденцией к образованию на своей поверхности медных пленок, которые в дальнейшем уплотняются и полностью закрывают поверхность углеродных наноструктур. В связи с этим обнаружить их в медной матрице становится крайне затруднительно и удается только в местах разрывов и разрушений.

Образец №2 Образец №3 Образец №5

Рис. 2. Поверхности шлифов медных композитов

79

Отсутствие агломератов частиц УНС свидетельствует об их удовлетворительном диспергировании и равномерном распределении пообъёму образца.

Гидростатическим методом были определены плотности образцов (табл. 2).

Обобщая полученные результаты эксперимента, можно сделать вывод о положительном влиянии электрохимического метода подготовки УНС на структуру медноматричных композитов.

Литература

1.Suarez-Martinez, I. Probing the interaction between gold nanoparticles and oxygen functionalized carbon nanotubes [Текст]/ Suarez-Martinez I., Bittencourt C., et.al. // Carbon. – 2009. – №47 (6).

-P. 1549-1554.

2.Planeix, J.M. Applications of carbon nanotubes as supports in heterogeneous catalysis [Текст]/ Planeix J.M., Coustel N., et. al. // J. Am. Chem. Soc. –1994. – №116 (17). - P. 7935 – 7936.

3.Deng, W.Q. Bifunctional anchors connecting carbon nanotubes to metal electrodes for emproved nanoelectronics [Текст]/ Deng W.Q. // J. Am. Chem. Soc. –2007. – №129 (32). - P. 9834 – 9835.

4.Ajayan, P.M. Nanotube composites [Текст]/ Ajayan P.M., Tour J.M. // Nature. –2007. – №447. - P. 1066 – 1068.

5.Stengel, M. Adatom-vacancy mechanisms for the C60 / Al (111) (6x6) reconstruction [Текст]/ Stengel M. // Phys. Rev. –2003. – 91 (16). - P. 166101-1 – 166101-4.

6.Srinivasa, R. Bakasi. Carbon nanotube reinforced aluminium composite coating via cold spraying [Текст]/ Srinivasa R. Bakasi, Virendra Singh, et. al. // Surface & Coatings Technology. –2008. – №202. - P. 5162 – 5169.

7.Q. Li. CNT reinforced light metal composites produced by melt stirring and by high pressure die casting [Текст]/ Q. Li, C.A.

80