Новочеркасская научная школа электрохимиков начала формироваться с момента организации в 1932 г

Вид материала

Подобный материал:

Становление и развитие научно-педагогической школы

«Электрохимические технологии»

Новочеркасская научная школа электрохимиков начала формироваться с момента организации в 1932 г. четвертой (после московской, ленинградской и киевской) по счёту в Советском союзе кафедры «Технология электрохимических производств».

Целью и задачами таких кафедр была подготовка инженерных кадров по таким остро необходимым уже в ту пору реализации планов первой пятилетки развития народного хозяйства СССР, как производство химических источников тока, гальванические покрытия (для нужд электротехнической промышленности, промышленности средств связи и др.), защита металла от коррозии, электрохимических методов и средств аналитической химии (анализа состава химических продуктов и веществ природы), а также создание средств автоматического контроля и управления химическими реакциями и процессами, протекающими с многофакторными зависимостями на основе электрохимических знаний и закономерностей.

Организатором и первым заведующим кафедры был назначен, тогда ещё студент Северо-Кавказского химико-технологического института (в последствии химико-технологического факультета Донского политехнического института), Михаил Фёдорович Скалозубов.

Формирование Новочеркасской школы электрохимии шло параллельно с расширением материально-технической базы развития кафедры «Технология электрохимических производств», её кадрового состава и контингента студентов.

В 1931–1932 учебном году первая группа студентов, ставших электрохимиками, была переведена со специальности «Основы химии» и уже в июне 1932 г. был произведен первый выпуск инженеров-электрохимиков. Спешная подготовка таких специалистов диктовалась потребностями экономики и обороны страны. 1932 г. – это год конца первой пятилетки развития страны, вступающей на путь восстановления и индустриализации её отраслей хозяйства. Тогда страна начала создавать свою отечественную авиацию, автомобильную промышленность. Развивались на новой научно-технической основе машиностроение, связь, морской флот, сельское хозяйство и другие отрасли. Для всего этого были необходимы электрические аккумуляторы, «крылатый металл» – алюминий, чистейшая медь, производимые только электрохимическим способом (электролизом), новые технологии гальванопокрытий – цинковые, хромированные, никелированные, медные, золочёные, серебрёные и др. Всё это могли осуществить специалисты – химики-технологи электрохимических производств, которых в стране остро не хватало. В числе первого выпуска кафедры ТЭП таких специалистов был Сергей Яковлевич Попов, тема дипломной работы которого была посвящена гальванотехники расплавов. В 1937 г. ему выдано авторское свидетельство «Электролитический способ получения свинцового порошка», необходимого, в частности, для производства электрических аккумуляторов.

В 1939 г. С.Я. Попов успешно защитил кандидатскую диссертацию на тему «Об электрическом извлечении натрия из амальгамы».

В период с 1938 по 1941 гг. заведующий кафедрой ТЭП Александр Григорьевич Разумников исследовал и разработал условия получения блестящих гальванических осадков из растворов электролитов простых ионов электроосаждаемого металла и свинцевания стальной дроби.

Применение простых электролитов было мировым уровнем гальванотехники того времени. Следует сказать, что до избрания в сентябре 1948 г. заведующим кафедрой ТЭП тридцатипятилетнего доктора химических наук, профессора Льва Ивановича Антропова на кафедре проводились довольно скромные по тематике и объемам исследования в области гальванотехники. Международное призвание школа получила после избрания его в 1947 г. заведующим кафедрой ТЭП ХТФ НПИ, которого по праву следует считать основателем “Новочеркасской научной школы электрохимиков”. Очевидно, что самое главное условие создания современной научной школы в данном вузе – это его научный учебно-технологический потенциал и инновационный капитал.

С приходом на кафедру Л.И. Антропова существенно обновилась тематика НИР, которая была связана с новым этапом развития гальванотехнической науки – разработкой и освоением так называемых комплексных электролитов, содержащих те или иные добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ). В таких электролитах электроосаждение происходит не только из простых ионов, но из комплексных соединений электроосаждаемого металла, что обеспечивает существенное улучшение эксплуатационных качеств гальванопокрытий (увеличивает коррозионную устойчивость, улучшает декоративные, оптические и другие качества). Синергетически усиливало это действие комплексов применение ПАВ, что открывало новые возможности гальванотехники. Так, аспирант Юрий Васильевич Федоров под руководством Л.И. Антропова разработал новый метод подавления самопроизвольного выделения в электрохимических системах цветных металлов на поверхности черных, и успешно решил задачу прямого меднения железных изделий без применения, как это было принято на практике, промежуточного электроосаждения подслоя никеля.

Это новое направление в гальванотехнике – применение комплексных электролитов и ПАВ – имело огромное практическое значение и решало многие задачи самой гальванотехники, цветной металлургии (так называемой проблемы цементации металлов) и защиты металлов от коррозии.

Юрий Васильевич Федоров впоследствии стал доктором наукидолгое время возглавлял кафедру физической химии в Днепродзержинском металлургическом институте.

Исследование, разработку и внедрение в практику комплексных электролитов и поиск новых добавок в электролит активно и плодотворно проводил со своими аспирантами доцент С.Я. Попов, который в 1962 г. успешно защитил докторскую диссертацию на тему: "Исследование процесса катодного выделения металлов из аминокомплексных электролитов". Разработанные электролиты были широкомасштабно внедрены в ряде производств машиностроительной, электронной и других отраслей промышленности.

Следующее прогрессивное направление гальванотехнической науки, несомненно, связано с внедрением в практику новых, так называемых электролитов-коллоидов, разработка которых впервые в мировой практике была начата на кафедре ТЭП, в научно-исследовательской проблемной лаборатории при НПИ "Защита металлов".

Первым разработчиком этого направления была аспирантка Ирина Дмитриевна Кудрявцева, которая в 1967 г. защитила кандидатскую диссертацию по теме "Получение твердых и износоустойчивых покрытий серебром и его сплавами из сульфатно-аммониевого электролита", а в 1994 г. защитила докторскую диссертацию по теме "Интенсификация электроосаждения металлов и сплавов из электролитов-коллоидов".

Результаты систематических и многолетних исследований закономерностей электроосаждения металлов и их сплавов из нового класса электролитов – электролитов-коллоидов, из которых гальванопокрытия осаждаются в результате катодного восстановления, наряду с простыми и комплексными ионами, коллоидов и (или) тонких дисперсных (микрогетерофазных) образований соединений электроосаждаемого металла, получили признание в современной электрохимической науке. Это нашло отражение в публикации заказного обзора "Электроосаждение металлов из электролитов-коллоидов" (авторы И.Д. Кудрявцева, В.И. Балакай и автор настоящей статьи) в сборнике "Итоги науки и техники. Электрохимия" (1990 г.) издания ВИНИТИ и двух докладов на 14-м Всемирном конгрессе по защитным покрытиям металлов (Англия, 1996 г., И. Кудрявцева, Л. Дегтярь и автор настоящей статьи), а также в закреплении этого направления 10 приоритетами (авторскими свидетельствами и патентами), десятком защищенных кандидатских диссертаций.

В разработанных теоретических основах гальванотехники электролитов-коллоидов принято, что электровосстанавливаемые тонкие дисперсии соединений электроосаждаемых металлов мигрируют к поверхности катода и восстанавливаются на нем вместе с ионами. При этом они входят в диффузионный слой катода, не исключая его трудноразмешиваемой части, которая и представляет собой основное препятствие для массопереноса в обычных катодных процессах и лимитирует общую скорость электроосаждения.

Тонкодисперсные системы разряжающихся соединений металла у катода образуют своеобразную подвижную систему пор, в которой под действием электрического поля катода возможно возникновение равновесных или неравновесных электроповерхностных явлений (электроосмоса, электрофореза, диффузиофореза, диэлектрофореза, диполофореза и др.), вызывающих эффективное размешивание, в том числе и в слое, непосредственно прилегающем к катоду. Это и приводит к повышению в несколько десятков раз предельно допустимых плотностей тока без ухудшения качества гальванопокрытий.

Системы коллоидных соединений и тонких взвесей могут возникать в электролитах при их приготовлении, при растворении анодов, а чаще всего за счет вторичных реакций на катоде, например, подщелачивания приэлектродного слоя в результате протекания параллельной реакции выделения водорода. На устойчивость работы электролитов-коллоидов и качество покрытий из них значимо влияют порядок приготовления растворов, концентрация исходных компонентов, температура и рН при приготовлении растворов и при электроосаждении. На основе электролитов-коллоидов разработаны способы и технологические регламенты нанесения гальванопокрытий конкретного практического назначения.

В качестве объектов исследования были:

– высокопроизводительный цинкатный электролит;

– электролит хромирования на основе трехвалентных соединений хрома, представляющий интерес с точки зрения охраны окружающей среды;

– электролит никелирования при комнатных температурах;

– электролиты серебрения и висмутирования;

– электролиты для нанесения сплавов никель-бор, цинк-кадмий и др.

Дальнейшее развитие гальванотехники электролитов-коллоидов было связано с привлечением методов математического моделирования и локальной потенциометрии и развито тогда кандидатом технических наук, доцентом, ныне доктором технических наук, профессором Валентином Николаевичем Селивановым и аспирантом Александром Викторовичем Копиным. Ими были разработаны математические модели массопереноса ионов, комплексов и коллоидных частиц в диффузионном слое катода, создано программное обеспечение, позволившее оптимизировать составы электролитов, условия и режимы электролиза для конкретных гальванических производств и разработать энерго- и ресурсосберегающие технологии. Существенным достижением этого подхода явилось установление влияния состава и строения вводимых в электролиты-коллоиды добавок ПАВ на технологические затраты и качество получаемых гальванопокрытий конкретного назначения, а также приоритетный ("ноу хау") синтез необходимых для этого добавок.

Доцентом В.Н. Селивановым и старшим научным сотрудником (ныне доцентом) Ириной Георгиевной Бобриковой предложено использование многофункциональных ПАВ, обеспечивающих положительный заряд коллоидных частиц при изменении состава приэлектродного слоя и коллоидных частиц в значительных пределах. В качестве таких ПАВ, имеющих широкий диапазон потенциалов ионизации, предложено использование модифицированных водорастворимых полимеров, содержащих специально подобранные функциональные группы -NH₂, -NH, -CONH₂, -NH-CS-NH -SO₂C₆H₅NH₂ и др., в зависимости от состава коллоидных частиц природы металла. Разработанные и синтезированные ПАВ вследствие высокой адсорбционной способности адсорбируются не только на коллоидных частицах, но и на электроде, улучшая декоративные функциональные свойства гальванических покрытий.

Применение электролитов-коллоидов и полифункциональных добавок в электролит, а также метода моделирования оказались весьма перспективными и в решении другой весьма важной в гальванотехнике задачи – анодного растворения металлов.

Большое количество отходов, содержащих те или иные металлы, например, олово, в настоящее время утилизируются экономически неэффективно. Исследования и разработки, проводимые под руководством И.Г. Бобриковой, позволили предложить усовершенствованный технологический регламент утилизации олова, позволяющий сократить энергозатраты с одновременным получением качественных гальванопокрытий олова, а также установить ряд новых закономерностей анодного растворения металлов (олова, цинка) в электролитах-коллоидах, имеющих важное научное значение. В частности, установлено, что при соответствующем составе электролита-коллоида и введении в него добавок стабилизаторов и перезарядчиков коллоидных частиц скорость анодного растворения цинка возрастает в 2 – 2,3 раза при прочих равных условиях, то есть обнаруживается одновременное ускоряющее воздействие как на катодные, так и на анодные процессы.

Обнаруженные закономерности и синтезированные полифункциальные ПАВ позволили разработать ряд электролитов с высокими эксплуатационными характеристиками:

– цинкатные с добавками ПЭПА и алкилтриметиламмоний хлорида;

– сернокислый цинкования;

– аммиакатный электролит цинкования с добавками диметилди-аллиммоний хлорида и 9,9,12,15,18,18-гексаэтилтетраазогексакосана гидроксида;

– аммиакатный электролит цинкования с добавками НПИ-89 и Новокор-ц;

– сернокислый и азотнокислый растворы меднения с добавками полимерных многофункциональных ПАВ;

– цирофосфатный электролит меднения, позволяющий получать безпористые медные покрытия толщиной 0,5 – 1 мкм непосредственно на стали;

– электролиты для осаждения блестящих и малопористых никелевых покрытий.

Электролит цинкования с добавками блескообразователей НПИ-89 и Новокор-ц внедрен на Ростовском заводе металлофурнитуры, Тверском экскаваторном заводе, Шахтинских центральных механических мастерских. Годовой экономический эффект от внедрения электролита составил более 1,2 млн. руб./год (в ценах 1991 г.).

Установленные закономерности электроосаждения из электролитов-коллоидов позволили найти новые подходы и пути решения экономико-экологических проблем гальванотехники вообще.

Для решения этих задач предлагается использовать разбавленные по основным компонентам электролиты, которые позволяют снизить содержание их в сточных водах и в атмосфере производственных помещений или вообще создать замкнутый водооборотный цикл, а также уменьшить расход реактивов на приготовление и корректировку ванн.

Применение разбавленных по основному компоненту электролитов для электроосаждения металлов является относительно новым направлением в современной гальванотехнике. Но, как указывалось выше, эффект повышения массопереноса в электролитах-коллоидах тем выше, чем менее концентрированный раствор. На этом, как известно, зиждется эффект "электрокапиллярной сверхпроводимости Григорова-Фридрихсберга и проявление всех других электроповерхностных явлений.

Многолетние и достаточно полные исследования доцента Владимира Ильича Балакая подтверждают сделанный выше прогноз и позволили разработать на уровне восьми авторских приоритетов новые технологии гальванопокрытий никелем и его сплавами на основе экологически более приемлемых разбавленных электролитов-коллоидов, которые апробированы и внедрены на Новочеркасском электровозостроительном заводе, в в/ч 42286 (г. Новочеркасск), НПО "Авангард" (г. Ленинград), а также апробированы на Кизлярском электромеханическом заводе, Минском заводе "Термопласт" и др.

Аспект применения электролитов-коллоидов навел на мысль об использовании некоторых промстоков химических предприятий в качестве добавок в электролиты гальванических ванн.

Поисковые исследования, проведенные кандидатом технических наук, доцентом, ныне доктором технических наук, профессором В.И. Балакаем подтвердили перспективность этого пути совершенствования гальванотехнологий и решения задачи экологии гальванопроизводств.

Технология нанесения никелевых покрытий из электролитов, в которых использовались в качестве блескообразующей добавки отходы промстоков, внедрены на предприятиях: Харьковском тракторном заводе, Харьковском электромеханическом заводе, Харьковском машиностроительном заводе ФЭД, Минском заводе вычислительной техники, Лермонтовском заводе "Микроом" и апробированы на Харьковском заводе им. Малышева, Харьковском заводе "Серп и молот, Минском заводе им.Фрунзе, Минском мото-велозаводе, Минском заводе "Термопласт.

Традиционные исследования области предельных токов катодных процессов получили качественно новое развитие в исследованиях профессора кафедры физики НГТУ А.В. Бондаренко по электролитическому получению металлических порошков различного назначения: однодоменных (нитевидных) для производства прессованных магнитов, магнитосодержащих полимерных пленок (магнитных носителей информации), порошков металлических сплавов для изготовления неотражающих электромагнитные волны экранов, высокопроизводительных катализаторов магнитной жидкости и других, включая очистку выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Накопленный фактический материал по влиянию физических факторов воздействия (акустических колебаний, магнитного поля) на процесс электрокристаллизации позволил раскрыть механизм этого процесса и разработать способы промышленного производства с заданными функциональными свойствами, а также совместно с доцентом С.А. Семенченкотеоретически обосновать и экспериментально подтвердить эффект эмиссии акустических колебаний (волн) в процессе зарождения металлических кристаллов или их анодного растворения.Разработанные лабораторией излучатели акустических низкочастотных колебаний в жидкой среде (вибраторы рифленых электродов) позволили увеличить скорость процесса образования порошков, например, меди, в 15 – 20 раз, а главное – управлять свойствами этих порошков, что существенно расширило область их применения, а также спроектировать и внедрить на ряде заводов страны установки по регенерации травильных растворов производства печатных плат или отработанных растворов гальванических цехов.

Большой теоретический и практический интерес представляют результаты исследований, проведенных совместно с доцентом Е.И. Бубликовым и С.А. Семенченко, аспирантами Е.Е. Щербаковой, И.Н. Козловцевой, И.Н. Калайдой, С.И. Куртенко, по технологии облагораживания поверхности никеля и железа путем формирования в процессе электролиза беспористых тонкослойных (2 – 3) полупроводниковых пленок с аномально низким и стабильным переходным сопротивлением. Разработка выполнялась в рамках Всесоюзной научной программы «Платиновые металлы» и внедрена на заводе "Звезда" (г. Элиста) взамен золота или серебра в электроконтактах коммутирующих аппаратов.

По этой тематике защищено 10 кандидатских диссертаций, а в 1993 г. А.В. Бондаренко защитил докторскую диссертацию по теме: "Научно-технические основы и технологическое обеспечение производства электролизом металлических порошков с заданными функциональными свойствами". Актуальность разрабатываемой тематики подтверждает включение ее в Государственные комплексные программы НИОКР.

Большой вклад в развитие гальванических технологий внесла группа исследователей кафедры физической химии под руководством профессора, доктора технических наук Ю.Д. Кудрявцева, разрабатывающая проблему применения нестационарного электролиза в гальванотехнике и других электрохимических технологиях.

Ю.Д. Кудрявцевым впервые была установлена возможность анодного диспергирования металлов платиновой группы с целью получения высокодисперсных, высокоэффективных и высокоселективных катализаторов особого назначения. Применение нестационарного электролиза позволило решить ряд технологических задач по оксидированию металлов, например, алюминия, в интересах электронной и пищевой промышленности. В 1995 г. Ю.Д Кудрявцев защитил докторскую диссертацию по теме "Поведение металлов при нестационарном электролизе в щелочных и нейтральных растворах и возможности практических применений".

Достигнутый коллективами кафедры ТЭП и проблемной лабораторией НПИ "Защита металлов" при этой кафедре уровень НИОКР в области гальванотехники позволил им решать достаточно сложные научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки, главное, расширить тематику исследований, ощущая при этом настоятельную потребность производства и тенденции развития прикладной электрохимии.

Одной из таких тем в плане НИОКР этих коллективов на годы пятилетки развития народного хозяйства страны (1971 – 1975 гг.) была "Электрохимическая обработка сверхпрочных и сверхтвердых материалов и сплавов". Тема была заказной НПО "Микрокриогенной техники" (г. Омск) и НПИ стал одним из первых в стране ее разработчиков. Для решения поставленных заказчиком задач была организована группа во главе со старшим преподавателем, кандидатом технических наук Валентином Ивановичем Мацокиным и аспирантом Юрием Николаевичем Кудимовым.

В 1973 г. Ю.Н. Кудимов успешно защитил кандидатскую диссертацию по теме: "Исследование процесса электрохимической обработки некоторых легированных конструкционных сталей". Полученные результаты были настолько значимыми, что он стал соавтором 5 авторских свидетельств, а сконструированный им и прошедший успешно заводские испытания и много лет использованный заказчиком станок по получению фигурных (заданной геометрии) отверстий в деталях их из сверхпрочных сплавов был удостоен диплома выставки “Наука – производству” (г. Тольятти), а его разработчики (Ф.И. Кукоз, К.Н. Кудимов, В.И. Мацокин, А.А. Крутинь, А.И. Киндя, В.В. Шахбазян) стали лауреатами этой выставки.

Вскоре Ю.Н. Кудимов был назначен руководителем вновь созданной в НПИ научно-исследовательской и опытно-конструкторской лаборатории "ЭХРО НПИ", которая начала расширять свою тематику и внедрять свои НИОКР в практику. Вся тематика НИОКР лаборатории выполнялась только по постановлениям и Программам правительства, АН СССР совместно с соответствующими НИИ радиоэлектротехпрома и других министерств.

Развернувшиеся масштабные исследования лаборатории ЭХРО (теореретические основы, технологические и конструкторские решения, практическое внедрение) привели к значительному повышению сложности НИОКР по этой проблеме, что потребовало как увеличения количества сотрудников лаборатории, круга специалистов (конструкторов механического оборудования, автоматчиков, материаловедов, математиков, экономистов, химиков-аналитиков, специалистов по ЭВМ, прибористов и др.), так и установления более тесных связей с самими заказчиками-производственниками и другими научными коллективами страны в этой совершенно новой области прикладной электрохимии (НПО "Маяк", г. Киев; НИИХИТ, г. Саратов; НПО МКТ, г. Омск; ОКТБ "Орион", г. Новочеркасск; НИИТОП, г. Горький и Ростов; АН СССР, АН УССР, НИИ твердых материалов г. Киев; НИИЭСС, г. Астрахань; Молдавская АН, г. Кишинев). Включение в тематику НИОКР кафедры ТЭП решения проблем электрохимической размерной обработки металлов явилось своевременным и весьма перспективным направлением. Полученные обнадеживающие поисковые результаты первых лет исследований породили половину дальнейших плодотворных экспериментальных и теоретических исследований. Они стали поворотными пунктами в развитии науки на кафедре, схожими с тем, когда она (наука) получает в распоряжение карту нового района Страны Неизвестного. Поэтому неудивительно, что каждый месяц или квартал появлялись изобретения, новые заказчики, оригинальные научные результаты, часть которых, к сожалению, нельзя было публиковать, новые актуальные темы диссертационных работ и рост числа разработчиков-исследователей как на самой кафедре ТЭП, так и из других организаций страны. Следует сказать самые добрые слова благодарности о ныне покойном академике Молдавской академии наук Юрии Николаевиче Петрове, который проявил большой интерес к нашим исследованиям и оказывал всяческую поддержку в их дальнейшем расширении и развитии. Все это позволило в 1986 г. организовать совместно с Минэлектротехпромом и НПО "Маяк" (г. Киев) в НПИ отраслевую научно-исследовательскую лабораторию "Поликом" для решения актуальных задач в интересах этого заказчика.

ОНИЛ "Поликом", просуществовав три года, создала всю необходимую доработку и техническую документацию по тиражированию созданного еще в начале 80-х годов первого в стране электрохимического станка по перфорированию ленточных материалов специального назначения. Такими полуавтоматическими станками "ЭХРО трафарету" оснащены многие радиотехнические заводы страны (с элементами ГАП).

Электрохимический способ перфорирования ленточных материалов по трафарету был изобретением сотрудников лаборатории. Оно заключалось в том, что в зазор между катодом и анодом (обрабатываемой лентой из заданного металла) помещался синхронно перемещающийся (вращающийся) с металлической лентой (рулонная технология) перфорированный (по требуемой геометрии отверстий) гибкий ленточный диэлектрический материал (лавсан, капрон, оксидированный тантал, ниобий и др.). Усовершенствованный впоследствии (снабженный микропроцессорной техникой) полуавтоматический станок обеспечивал шероховатость поверхности изделий R₂ = 1,25 и 0,62 мкм и точность геометрии отверстий – от 5 до +8 мкм.

Лаборатория успешно решила задачи прошивки криволинейных пазов в титановых сплавах, обработки по заданной геометрии формы магнитных изделий, разработала и передала заказчику технологический регламент обработки крыльчатки микротурбин и др.

На базе НИЛ "ЭХРО" и ОНИЛ "Поликом" была создана студенческая НИИ лаборатория с широким привлечением старшекурсников не только кафедры ТЭП, но и других факультетов (механического, электротехнического, ПРИМа).

Организована была учебная лаборатория "Электрохимическая обработка металлов", в которой выполнялось 8 обязательных общетеоретических и общеэкспериментальных работ и 10 НИРС. Две темы: "ЭХРО, управляемое микропроцессором" (студент С.И. Иванов (ХТФ), руководитель Ю.И. Баранов), "Установка непрерывного перфорирования никелевой ленты" (студент A.T. Малагин, руководитель О.Ф. Сазонов) были удостоены в 1981 году дипломов Всесоюзного конкурса НИРС.

Сотрудниками лаборатории "ЭХРО" и "Поликом" и прямыми заказчиками были подготовлены и защищены 2 докторские (А.В. Телевной и Ю.Н. Кудимов) и 12 кандидатских диссертаций.

В последнее время научно-исследовательский коллектив под руководством зав. каф. физики Донской Государственной Академии Сервисса доцента С.В. Кирсанова, бывшего нашего аспиранта и с.н.с. лаборатории "ЭХРО", успешно разрабатывал новый способ размерной электрохимической обработки, основанный на совмещении перфорированного трафарета (планшета) катодом-электродом-инструментом (ЭИ) для автоматизированного маркирования (ЭХМ) и клеймения деталей. Сущность способа coстоит в том, что в качестве ИЭ используются полупроводниковые пластины, на нерабочую поверхность которых нанесено светотокопроводящее покрытие, на которое в процессе маркирования (клеймения) проецируется через фотошаблон управляемое по программе световое излучение. При этом происходит обработка (растворение металла) поверхности детали под освещенными участками ЭИ.

Развитие этого способа позволяет существенно усовершенствовать распространенный ныне метод ЭХМ – растровый метод. Разработанная этим коллективом исследователей простая и надежная система коммуникации и управления элементами ЭИ не содержит механических, электромеханических и прижимных контактов и переключателей. Устройство позволяет оперативно менять наносимую информацию и может быть использовано для нанесения меняющейся буквенно-цифровой информации для маркирования и клеймения деталей, изготовления фирменных табличек, а также для изготовления различной фурнитуры и декоративной продукции.

Объем наносимой информации определяется количеством элементов раствора. При необходимости нанесения более обширной информации можно использовать сканирующий фотоуправляемый секционный ЭИ. Эти и другие экспериментальные результаты легли в основу двух успешно защищенных докторских диссертаций С.В. Кирсанова и Н.И. Санникова.

В настоящее время вновь начинает находить применение ЭХО печатных плат (ПП). Особенно она перспективна при изготовлении гибких печатных кабелей, а также при изготовлении СВЧ ПП, где подложка является элементом микрополосковых линий и, следовательно, такие платы не могут быть изготовлены традиционными фотохимическими методами. При этом для каждого рисунка ПП изготавливают ЭИ, что является достаточно трудоемкой задачей. Кроме того, по гидродинамическим параметрам процесса ЭХО этот ЭИ не может быть достаточно большой площади.

Для решения этой проблемы представляется перспективным использовать сканирующий матричный фотоуправляемый ЭИ. При этом ЭИ имеет ширину обрабатываемой пластины и выполнен в виде одного ряда плотно расположенных электродов. Каждый элемент ЭИ, отдельный усилитель и отдельный информационный выход соединен с многоэлементным фотоприемным устройством (ФПУ) типа линейки. Число элементов в таких ФПУ обычно не превышает 50 – 200. При необходимости можно использовать несколько ФПУ, расположенных в ряд.

Создание фотографических устройств с полупроводниковым токочувствительным слоем и электрохимической системой регистрации является одним из перспективных направлений в несеребреной фотографии. По а.с. № 1824623 ("Полупроводниковый способ получения видимого изображения", 1992 г.) разработан полупроводниковый электролитический метод получения фотографий. Изображение формируется на токопроводящей поверхности, имеющей контрастный цвет по отношению к цвету пластины. ЭИ выполнен из кремниевой полупроводниковой пластины. Преимуществами метода являются простота конструкции, фотографическая чувствительность в широком спектральном диапазоне, в том числе и в инфракрасном, также возможность управления чувствительностью. Эти результаты и дальнейшее развитие знаний в этой области получены и служат целью и задачами ЮРГТУ (НПИ) доцента Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (ЮРГУЭиС)

Примечательно, что многие из лаборатории "ЭХРО НПИ" кафедры ТЭП впоследствии возглавили научные коллективы (Ю.Н. Кудимов, С.В. Кирсанов – зав. каф., Ю.А. Кривобоков – проректор вуза (г. Иркутск), а ныне ректор Кабардино-Балкарского государственного университета, А.А. Крутинь – зам. директора завода (Новочеркасск) Е.К. Лосев, О.Ф. Сазонов возглавляют современные малые предприятия и др.).

В свое время в НГТУ (НПИ) было утверждено научно-исследовательское направление "Теория и технология электроосаждения и размерной обработки металлов". Разработки по этому направлению осуществляются в следующих исследовательских группах:

– проблемно-поисковые и технологические исследования (руководитель профессор кафедры ТЭП ЮРГТУ И.Д. Кудрявцева);

– моделирование и оптимизация (руководитель доцент каф. ТЭП ЮРГТУ В.Н. Селиванов);

– проблемы экологии в гальванотехнике (руководитель доцент каф. ТЭП ЮРГТУ В.И. Балакай);

– нестационарный электролиз (руководитель профессор кафедры физической химии ЮРГТУ Ю.Д. Кудрявцев);

– методы исследования и прикладной акустики (руководитель профессор кафедры физики ЮРГТУ А.В. Бондаренко, ныне руководитель - доцент Е.И. Бубликов)

– анодные процессы в гальванотехнике (руководитель с.н.с. каф. ТЭП ЮРГТУ И.Г. Бобрикова);

размерная электрохимическая обработка металлов (руководитель доцент С.В. Кирсанов – зав. кафедрой физики Донской государственной академии сервиса, г. Шахты).

В настоящее время общее руководство школой осуществляет крупнейший ученый, заслуженный деятель науки и техники, действительный член МАН ВШ, доктор технических наук, профессор кафедры ТЭП Федор Иванович Кукоз.

Традиционной темой научных исследований кафедры ТЭП с самого начала её организации было изучение проблемы и решения задач, связанных с химическими источниками тока разных типов и назначений. Если до середины ХХ в. такими объектами были классические электрические аккумуляторы с традиционными оксидами (гидрооксидами) металлов и чистых металлов, т.е. неорганических веществ, как правило, с достаточно большими удельными весами (массами), такими как Pb, PbO_3, Zn и другие, то в последующем в качестве электрохимических систем начали применяться металлы с малыми удельными весами (такие, как литий, калий), неустойчивые в водных средах, но достаточно устойчивые в соответствующих органических веществах.

В Новочеркасском политехническом институте исследование таких систем и на их основе разработка и создание химических источников тока (ХИТ) новейших систем была начата на кафедре ТЭП НПИ в 1972 г. Так, исследования ХИТ с расплавленным электролитом названы тепловыми ХИТ (ответственный исполнитель – В.И. Гончаров), твёрдым и апротонным электролитами (ответственный исполнитель – А.М. Коломоец) научное руководство темами осуществлял автор настоящей статьи, который в соавторстве с Ф.Ф. Трушем и В.И. Кондратенко издал монографию «Тепловые и химические источники тока» (Ростов н/Д: Изд-во Рост. гост. ун-та, 1989. – 174 с.), и «Тепловой разгон щелочных аккумуляторов» (с соавторами Д.Н. Галушкины, Н.Н. Галушкиной – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. – 123 с.).

С 1989 г. начало работать, после ряда реорганизаций, выделенное из кафедр ТЭП (профессор Ф.И. Кукоз), МиАХИ (профессор С.И. Гончаров) и ПАХТ (руководитель доцент В.Д. Вернидуб) в отдельное с самостоятельным финансированием и администрацией подразделение «Научно-производственный комплекс» (руководитель М.С. Плешаков), в которое входил завод «Элиан» для производства малосерийной продукции (технический директор - выпускник кафедры ТЭП Ю.К. Доморовский).

За период с 1982 по 1993 г. были разработаны литиевые элементы типа ER6. ER14, ER20 на основе жидких окислителей, обладающие патентной частотой, выпускаемые до 100 тыс. шт. в год. Элементы прошли государственные испытания в космической системе спасения терпящих бедствие (КОСПАС-САРСАТ) и в настоящее время используются в системах радиопеленгации.

В самые последние годы на кафедре ТЭП ХТФ в сотрудничестве с работниками других кафедр ЮРГТУ и преподавателями Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты) развёрнуты и интенсивно проводятся исследования по трибоэлектрохимии.

Трибоэлектрохимия – синтетическое слово, построенное из слов трибология и электрохимия. Трибология, как наука о трении, износе и смазке, имеет предметом изучения объекты, которые можно в первом приближении обозначить схемой: М|Э|М, где М – металлы или их сплавы или другие твердофазные вещества, например, керамика, пластмассы, композиты; Э – жидкофазные или твердофазные смазки – чаще всего электролиты (масла, вода, графит, полимерные органические вещества и др.).

Поскольку контактная динамическая механическая обработка материалов (в которую включают резание, приработку, шлифование, полирование, виброобкатывание и др.) по своей физико-химической и механо-электрической сущности не изолирована от общей проблемы трения и изнашивания материалов, и при этом реализуются процессы внешнего трения, то в трибологию включаются также все явления и процессы, которые проявляются как в узлах трения, так и в устройствах для контактной динамической механообработки металлов_.Поэтому такие объекты, в которых существует трение, в дальнейшем будем именовать трибосистемами.

Электрохимия (словосочетание из слов «электричество» и «химия») – наука о химических превращениях веществ, преобразовании форм энергии и видов информации под действием электрических сил в системах из комбинации последовательно соединенных проводников первого рода (т.е. проводящих электрический ток электронами) и второго рода (т.е. проводящих электрический ток ионами).

Электрохимические цепи (объекты), как и триботехнические, представляют собой системы, выражаемые той же схемой М|Э|М, в которых качестве М выступают металлы, их сплавы, углерод (графит), оксиды металлов и некоторые органические соединения, а в качестве Э – ионопроводящие среды: водные растворы апротонных высокомолекулярных органических соединений, органических кислот, щелочей, солей, расплавы последних и др. Как видно, трибосистемы аналогичны электрохимическим цепям,_в которых одновременно реализуются как трибологические, так и электрохимические процессы и явления. Системное изучение последних, аналитическое их описание, установление их закономерностей и законов есть содержание и основная задача трибоэлектрохимии.

Физической природой возникновения электрохимических явлений и процессов в трибосистемах является наличие в них гальванического контакта проводников первого (М) и второго (Э) рода, на границе которых возникает сугубо электрохимический объект – двойной электрический слой (ДЭС). Особенностью этой границы в трибологических системах является, как правило, разнородность электропроводности (электронами или ионами) и непрерывное изменение состояния их поверхности (поверхностных свойств), равно как и состава, и состояния ионопроводящей среды Э в процессе трения. Кроме того, динамические ударные и тепловые процессы, сопровождающие трение или резание, способны создавать условия для возникновения дополнительных к чисто электрохимической природе электрические поля.

Расширение условий и режимов работы трибосистем в современной технике и технологии (высокие скорости и нагрузки, глубокий вакуум, низкие и высокие температуры, нетрадиционные жидкие и газообразные среды, высокоэнергетические излучения, трение и износ в биологических объектах, особенности трибологического поведения при нулевой гравитации, мощные тепловые воздействия, электрические поля и др.) создают предпосылки для реализации многообразных специфических трибоэлектрохимических механизмов трения и изнашивания (избирательный перенос и аномально низкое трение, водородное изнашивание, трибополимеризация, финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО) [2]. Одновременно требуют разработки и внедрения новые безынерционные неразрушающие методы и средства исследования, среди которых заметное место могут занять электрохимические, а в конечном итоге, для поиска способов и средств решения проблем повышения надёжности, долговечности и оптимизации работы трибосистем, в частности, следующих задач этой актуальной темы:

1. Накопление нового фактического материала и раскрытие физико-химической природы влияния электрического поля, возникающего самопроизвольно в трибосистеме или специально накладываемого внешним источником ЭДС, процессы трения, динамической контактной механообработки и изнашивания материалов трибосистемы.

2. Разработка и стандартизация электрохимических методов исследования процессов в трибосистемах безынерционного (в реальном времени) извлечения информации в процессе трения и изнашивания деталей трибосистемы.

3. Разработка электрохимических методов и средств оптимального выбора материалов для трибосистем, используемых в конкретных условиях и режимах эксплуатации, в том числе и в условиях коррозионно-механического изнашивания.

4. Создание электрохимических безынерционных экспресс-методов контроля и управления процессами в трибосистеме в заданных условиях и режимах их использования.

Необходимость развития «трибоэлектрохимии» в качестве новой междисциплинарной научной и межотраслевой технологической области знаний и практики продиктовано актуальностью решения проблемы повышения ресурсов и надёжности работы всего того, что содержит узлы трения. Среди них, пожалуй, самыми коренными и актуальными являются коррозия металлов и трение.

Известно сколь «ненасытным Молохом» является коррозия металлических конструкций в естественных условиях: каждая восьмая домна в мире «работает» на восполнение потерь металла в дар этому коррозионному «Молоху».

Трение в определённом смысле тоже «Молох» - только это «пожиратель» не только металла из-за износа, но и энергии. Например, в металлургических прессах или скуберах, волочильных станах большая половина усилий расходуется на преодоление сил трения [3].

В мире работает огромное количество машин, которые выходят из строя в основном (85 - 90%) в результате износа их подвижных деталей. Помимо затрат на их ремонт при износе, увеличивается расход топлива, смазочного материала и запасных частей. В транспортных машинах на трение расходуется около половины потребляемого ими топлива.

Можно смело утверждать, что проблемы трения и износа - одни из глобальных проблем мировой науки. Они, как и проблема коррозии металлов, важнейшие факторы, определяющие надёжность и долговечность машин и механизмов, стали острейшими в последние годы в связи с широким развитием машиностроения, новейших отраслей науки и техники, которые к тому же с годами всё более и ускореннее ожесточаются и обостряются [4,5].

Уровень развития экономики любой страны во многом определяется достижениями в машино- и аппаратостроении. Эти достижения теснейшим образом связаны с прогрессом в механической обработке металлов, их сплавов и других материалов, непосредственно определяющей их срок службы и эксплуатационные характеристики. Последние же зависят от скорости изнашивания материалов и потери ими своих качеств, что в свою очередь прямо связано с процессами трения, являющимися предметом и содержанием трибологии.

Трибоэлектрохимия как междисциплинарная наука и межотраслевая технология методически опирается на фундаментальные науки – прежде всего, физику, химию и электрохимию, на состояние, свойства и эксплуатационные характеристики поверхности твёрдых тел пары трения, непосредственно зависящие от физических, химических и электрохимических явлений и процессов, реализующихся в узлах трения, и находит своё приложение в науке и технике конструирования, изготовления и эксплуатации подвижных сопряжений машин, механизмов и аппаратов. Тем самым трибоэлектрохимия охватывает все три фазы существования машин (конструкцию, изготовление и эксплуатацию) и одновременно глубоко входит в технологию изготовления этих конструкций (устройств), в технологию производства материалов для узлов трения, в экономико-экологическую оценку их производства и эксплуатации.

Функциональное назначение пар трения, оптимизация их служебных параметров и эксплуатационных характеристик предопределяют цели и задачи трибоэлектрохимии как науки и технологии:

– регистрировать и идентифицировать явления и процессы в узле трения;

– устанавливать причинно-следственные связи между трибоэлектрохимическими и другими явлениями и процессами в узле трения;

– выявлять и объяснять аномальные факты в процессах трения;

– обобщать выявленные трибоэлектрохимические закономерности в трибосистемах разных назначений и конструкций, с различными смазочными материалами, телом и контртелом, в разнообразных условиях и режимах работы;

– моделировать трибоэлектрохимические процессы и разрабатывать

единую концепцию трения;

– обосновывать органическую взаимосвязь трибоэлектрохимии с фундаментальными науками и технико-технологическими отраслями;

– расширять возможную перспективу появления и развития новых смежных с трибоэлектрохимией технико-технологических наук, таких как инженерия поверхности, инженерия подшипников, инженерия смазочных материалов с наперёд заданными эксплуатационными качествами и др.;

– создавать полноценное освещение последних достижений в трибоэлектрохимии и других смежных науках и технологиях.

Трибоэлектрохимия ныне ускоренно и масштабно вторгается в промышленные производства, являясь активным методом воздействия на материалы, придающим им полезные свойства.

Понятие «трибоэлектрохимия» в настоящее время, как и другие понятия современной науки, техники и технологии, уже вышло за пределы отдельных частных наук и стало общенаучным. Его формирование обусловлено весьма существенными в наши дни интегративными тенденциями образования понятий, общих для ряда частных наук. Дальнейшее развитие трибоэлектрохимии несомненно будет способствовать разрешению ряда важных общенаучных задач и, в частности, задач по созданию обобщённого понятийного аппарата современной науки, а также по организации автоматизированных систем управления процессами и явлениями в узлах трения с граничной смазкой. До сих пор, однако, в трибоэлектрохимии нет единой точки зрения относительно статуса этой науки. Между тем, её бурное развитие делает особенно актуальным решение ряда связанных с ней проблем, таких, как специфика и познавательные возможности информационного подхода, характер взаимодействия трибоэлектрохимии со смежными науками, возможные и перспективные направления её развития в будущем.

Трибоэлектрохимические знания ныне широко применяются. Трибоэлектрохимии посвящены ряд монографий и научных публикаций и в мае 2006 г. в Новочеркасске состоялась Международная научно-техническая конференция «Проблемы трибоэлектрохимии», на которой обсуждались:

– электрохимические основы трибологических явлений и процессов;

– трибоэлектрические процессы в узлах трения, а также при механической обработке материалов как из материалов, их сплавов, так и из полимеров;

– фреттинг-коррозия и методы борьбы с ней;

– влияние нанометрических кластеров на явления и процессы в трибосистемах;

– влияние электрохимической поляризации трибосистемы и эффекта Ребиндера на изнашивание трибосопряжений;

– методы исследования, техника эксперимента в трибоэлектрохимии;

– моделирование трибоэлектрохимических процессов;

– проблемы и задачи трибоэлектрохимии.

Трибоэлектрохимия состоит из трёх разделов: общетеоретического, фактического и специально-прикладного. Сбалансированность этих составляющих – залог успеха как в преподавании, так и в творческом использовании специалистами достижений трибологии, материаловедения, всех разделов химии (аналитической, неорганической, физической, органической), физики твёрдого тела и жидких сред, электрохимии и др. в профессиональной деятельности. Знания этих научных и учебных дисциплин включаются в соответствующих соотношениях в предмет и содержание трибоэлектрохимии.

В заключение отметим, что в Новочеркасскую научную школу по электрохимии входили 10 научно-исследовательских лабораторий, в которых проводили научные исследования около 50 остепененных научных работников и в разное время работало до 120 сотрудников.

Blog

Новочеркасская научная школа электрохимиков начала формироваться с момента организации в 1932 г