2. Sekce aplikované fyziky
Seznam anotací:
- Dvouparametrový popis vlivu geometrie tělesa na chování únavových trhlin (ÚFM)
- Objemová magnetostrikce kovů a intermetalických sloučenin (ÚFM)
- Aplikace nekonvenčních mechanických zkoušek při hodnocení degradace provozovaných součástí energetických zařízení (ÚFM)
- Vliv inherentních poruch struktury v plazmově stříkaných materiálech na jejich vlastnosti (ÚFP)
- Studium stavových rovnic při tlacích větších než 1 Mbar (Badatelské centrum PALS, společné pracoviště ÚFP a FZÚ)
- Matematické a počítačové modelování vybraných sdružených úloh v oblasti tepelného zpracování kovů elektromagnetickým polem (ÚE)
- Tok nenewtonských kapalin mezikruhovými kanály (ÚH)
- Vírová struktura smykových toků (ÚH)
- Optický rezonátor pro nanometrologii délek (ÚPT)
- Nanokompozitní povlaky jako tvrdá pevná maziva (ÚPT)
- Měření emisivit tepelného záření při kryogenních teplotách (ÚPT)
- Trojrozměrné vektorové modelování fotonických vlnovodných mikrorezonátorů (ÚRE)
- Ultracitlivé měření krátkodobé frekvenční stability (ÚRE)
- Křemenná optická vlákna pro vláknově optickou chemickou detekci v oblasti indexů lomu 1,45-1,62 (ÚRE)
- Dřevěný rám se styčníky odolnými proti zemětřesení (ÚTAM)
- Pevnost a životnost vysokotlakých plynovodních potrubí (ÚTAM)
- Dynamické chování mostů při přejezdu vysokorychlostních vlaků (ÚTAM)
- Numerická simulace problémů nelineární aeroelasticity (ÚT)
- Zdokonalení metody resonanční ultrazvukové spektroskopie (ÚT)
2.1 Dvouparametrový popis vlivu geometrie tělesa na chování únavových trhlin
Experimentální stanovení parametrů popisujících rychlost šíření únavových trhlin je klíčovým krokem pro odhady únavové zbytkové životnosti konstrukcí a tím i pro spolehlivost jejich provozu. Tato měření jsou prováděna v souladu s normami pomocí různých zkušebních těles. Ukazuje se však, že v mnoha případech hodnoty naměřených parametrů závisí na geometrii zkušebního tělesa. Tato skutečnost znesnadňuje přenos laboratorních dat na konstrukce v praxi a může vést ke snížení bezpečnosti jejich provozu. S cílem zmírnit (případně odstranit) dopad tohoto negativního jevu na odhad životnosti a spolehlivosti konstrukcí byly využity poznatky dvouparametrové lomové mechaniky a vliv geometrie tělesa na chování únavové trhliny byl kvantifikován pomocí faktorů, které omezují rozvoj plastické zóny v tělese v důsledku různých okrajových podmínek vyvolaných vnějším tvarem tělesa. Publikovaných prací, které se zabývají touto problematikou, je málo a dostupná experimentální data nejsou v tomto směru úplná a neumožňují formulovat vyhovující metodiku přenosu experimentálních dat z laboratorních vzorků na velké konstrukce. V laboratořích ÚFM proto byla provedena pečlivá měření rychlosti šíření únavových trhlin v tělesech s různou geometrií a následně byl vypracován postup pro stanovení rychlosti šíření únavových trhlin, který v sobě zahrnuje nejen vliv vnějšího namáhání, ale i vliv geometrie tělesa. Získané výsledky umožňují spolehlivější přenos experimentálních dat získaných na laboratorních vzorcích na strojnické konstrukce a tím i zvyšují spolehlivost provozu těchto zařízení.
Hutař, P., Seitl, S., Knésl, Z.: Quantification of the effect of specimen geometry on the fatigue crack growth response by two-parameter fracture mechanics. - Mater. Sci. Eng. A 387-389: 491-494 (2004).
Hutař, P., Seitl, S., Knésl, Z.: The role of constraint in the case of short cracks. - Mater. Sci. Forum 482: 303-396 (2005).
2.2 Objemová magnetostrikce kovů a intermetalických sloučenin
I. Turek (tel. 532 290 437, e-mail: turek@ipm.cz)
Změny strukturních charakteristik i dalších fyzikálních vlastností, doprovázející magnetické fázové přechody, jsou základem pro četné aplikace moderních magnetických materiálů v elektrotechnice. V nedávné době jsme teoreticky zformulovali a kvantitativně rozpracovali elektronovou teorii spontánní objemové magnetostrikce, což je relativní změna objemu v důsledku změny magnetického uspořádání. Vyvinutá teorie se dobře osvědčila nejen pro slitiny magnetických tranzitivních kovů, ale i pro kovy vzácných zemin a jejich intermetalické sloučeniny. Zjistili jsme, že pozitivní objemovou magnetostrikci lze vysvětlit na základě změny velikostí lokálních magnetických momentů vyvolané změnou magnetického uspořádání, zatímco méně častý případ negativní magnetostrikce je důsledkem objemové závislosti párových výměnných interakcí mezi lokálními magnetickými momenty. Teorie může být využita např. k predikci materiálů s invarovými vlastnostmi, tj. systémů vykazujících zanedbatelnou teplotní roztažnost v širokém oboru teplot.
Khmelevskyi, S., Turek, I., Mohn, P.: Spontaneous volume magnetostriction and non-Stoner behavior of the valence band in pure hcp Gd, Phys. Rev. B 70 (2004) 132401.
Turek, I., Rusz, J., Diviš, M.: Theory of spontaneous volume magnetostriction in rare-earth-based systems, Czech. J. Phys. 54 (2004) D279.
Turek, I., Rusz, J., Diviš, M.: Electronic structure and volume magnetostriction of rare-earth metals and compounds, J. Magn. Magn. Mater. (in print).
2.3 Aplikace nekonvenčních mechanických zkoušek při hodnocení degradace provozovaných součástí energetických zařízení
K. Milička ( tel.: 532 290 371, e-mail: milicka@ipm.cz)
Byla provedena rozsáhlá metodická a aplikační studie technik protlačovacích zkoušek na miniaturních tenkých vzorcích (small punch tests) s cílem využití především pro odhad zbytkové životnosti kritických částí provozovaných energetických zařízení. Tyto techniky jsou považovány za vysoce perspektivní a jejich výzkum je prováděn v řadě vyspělých států (USA, země EU, Japonsko). Zcela originální výsledky studia relace tohoto typu zkoušek a zkoušek konvenčních při vysokých teplotách na pokročilé oceli P91 získané v Ústavu fyziky materiálů již byly publikovány [1]. Na pracovišti jsou protlačovací techniky aplikovány nejen na potřeby možností odhadu životnosti, ale i na další problémy studia mechanických vlastností materiálů. Dosažené a již publikované výsledky prokázaly jejich výhodnost při popisu distribuce mechanických charakteristik v objemu svarových spojů ocelí, např. [2]. Originální výsledky byly získány a publikovány i při studiu moderních kompozitních materiálů s kovovou matricí. Studie prokázaly, že techniky lze využít i při badatelském výzkumu mechanických vlastností. Důsledkem vysoké úrovně jak metodických tak aplikačních výsledků pracoviště v oblasti protlačovacích zkoušek na miniaturizovaných vzorcích je i aktivní účast dvou pracovníků v CEN Workshopu 21, který připravuje normy pro jejich provádění a aplikaci v rámci EU a dalších zemí (např. USA, Indie).
Milička, K. - Dobeš, F. : Relation between uniaxial and equi-biaxial creep and creep fracture behaviour in P91 steel. Mater. Sci. Forum, 2004, in press.
Milička, K. - Sobotka, J. - Dobeš, F. - Kuboň, Z: Application of small punch tests in weld characterization. Proc. Int. Conf. Advanced Metallic Materials and Their Joining. October 25 - 27, 2004. Paper 74.
2.4 Vliv inherentních poruch struktury v plazmově stříkaných materiálech na jejich vlastnosti
F. Kroupa, J. Dubský, J. Nohava, J. Matějíček et al.
Bylo navrženo teoretické vysvětlení nelineárního mechanického chování plazmově deponovaných materiálů pod vnějším zatížením s využitím změn v poruchách, které jsou inherentně obsaženy ve stříkaných strukturách (poruchy koheze, trhliny, póry). Rozbor ukázal, že při stoupající tlakové deformaci dochází k postupnému elastickému uzavírání mikrotrhlin, tím k poklesu jejich hustoty a růstu Youngových modulů [obr.]. Naopak, při stoupající tahové deformaci se hustota mikrotrhlin zvětšuje neelastickými procesy a Youngovy moduly klesají. Teoretický model byl ověřován řadou experimentů ve spolupráci se zahraničními i domácími pracovišti (SUNY Stony Brook, NIST v USA, TUT Finsko, FJFI ČVUT). S využitím rentgenové a neutronové difrakce byly popsány napěťové poměry v systémech vrstva/substrát během vnějšího zatížení i bez něj. Dále bylo prokázáno, že povrchové vrstvy mohou výrazně prodloužit únavovou životnost substrátu - jednak díky své schopnosti pseudoelastického chování lamelové struktury, jednak vhodnou velikostí a rozložením napětí, které lze ovlivnit volbou parametrů nanášení. Byla vyvinuta a ověřena metoda současného měření Youngových modulů a zbytkových pnutí v nástřicích "in situ".
Získané výsledky rozšiřují oblast použitelnosti systémů nástřik-substrát, umožňují předpovídat jejich chování z mechanického hlediska i volit technologické parametry vhodné pro vybrané použití.
Porovnání experimentální závislosti napětí-deformace (plná+přerušovaná čára) pro nástřik Al2O3 s teoretickou předpovědí ? = E (e - Ke2)
s K = 300 (plná čára). Je patrný růst tečného modulu pružnosti (směrnice křivky napětí-deformace) v tlaku a jeho pokles v tahu; pro velmi vysoké deformace až do záporných hodnot. Za těchto podmínek již vysoká hustota mikrotrhlin vede až k postupné ztrátě integrity.
[1] Dubský J., Materna A., Chráska P., Prask H. J., Gnäupel-Herold T.: Stress gradients in plasma sprayed chromia coatings. - Přijato na ITSC 05, Basel, květen 2005.
[2] Jůzková R., Ctibor P., Beneš V.: Analysis of porous structure in ceramic plasma sprayed coating. - Image Analysis and Stereology 23: 45-52 (2004).
[3] Kroupa F., Náhlík L., Knésl Z.: Crack growth in thermally sprayed ceramic coatings. - Acta Technica CSAV 49: 149-168 (2004).
[4] Náhlík L., Knésl Z., Kroupa F.: Interaction of a crack in the plasma-sprayed ceramic coating with the metal substrate. - Materials Science Forum, v tisku.
[5] Kovářík O., Nohava J., Siegl J., Chráska P.: Young's modulus and fatigue behavior of plasma sprayed alumina. - J. Thermal Spray Techn. (2004), v tisku.
[6] Matějíček J., Sampath S.: Method and apparatus for determining process-induced stresses and modulus of coatings by in-situ measurement. - U.S. Patent 6478875, 2002.
[7] Kroupa F., Plešek J.: Nonlinear elastic behavior in compression of thermally sprayed materials. - Materials Science and Engineering A 328: 1-7 (2002).
[8] Dubský J., Matějíček J., Prask H. J., Gnäupel-Herold T.: Residual and applied stresses in plasma sprayed Cr2O3 coatings. - Materials Science Forum 404-407: 419 (2002).
2.5 Studium stavových rovnic při tlacích větších než 1 Mbar
D. Batani a kol., Universita di Milano-Biccoca, J. Ullschmied, E. Krouský, J. Skála, L. Juha, B. Králiková, M. Pfeifer, Ch. Kadlec, T. Mocek, A. Präg, B. Rus, M. Kozlová, M. Polan, M. Stupka, R. Dudžak, Badatelské centrum PALS
Znalost chování látek za extrémně vysokých tlaků je důležitá pro termojaderný výzkum, planetární fyziku a další vědní obory. V pozemských podmínkách lze tlaků přesahujících milión atmosfér dosáhnout např. soustředěním paprsku výkonového pulzního laseru na pevný terčík. Fyzikové z Ústavu fyziky plazmatu a Fyzikálního ústavu s italskými kolegy využívali k tomuto účelu fokusovaného modrého paprsku pražského laseru PALS (Prague Asterix Laser System) s impulsním výkonem až 3 000 GW (výkon 3 000 temelínských elektráren). Dopad laserového paprsku na povrch terčíku vyvolá tlakovou (tzv. rázovou) vlnu, z jejíž energie a rychlosti lze vypočítat tlak a teplotu, které charakterizují stav dané látky. Rychlost tlakové vlny určovali fyzici pomocí speciální rychlé infračervené kamery, snímající časový průběh tepelného záření provázejícího výstup vlny na zadní straně tenkého plochého terčíku (viz obrázek). Zmíněné experimenty byly součástí mezinárodních projektů Transnational Access a Laserlab-Europe, prováděných v laboratoři PALS v rámci 5. a 6. rámcového programu EU.
Batani, D., Stabile, H., Ravasio, A., Lucchini, G., Strati, F., Desai, T., Ullschmied, J., Krousky, E., Skala, J., Juha, L., Kralikova, B., Pfeifer, M., Kadlec, Ch., Präg, A., Nishimura, H., Ochi, Y.: Ablation pressure scaling at short laser wavelength. - Phys. Rev. E 68: 067403(1-4) (2003). Batani, D., Strati, F., Stabile, H., Tomasini, M., Lucchini, G., Ravasio, A., Koenig, M., Benuzzi-Mounaix, A., Nishimura, H., Ochi, Y., Ullschmied, J., Skala, J., Kralikova, B., Pfeifer, M., Kadlec, C., Mocek, T., Präg, A., Hall, I .M., Milani, P., Barborini, E., Piseri, P.: Hugoniot data for carbon at Megabar pressures. - Phys. Rev. Lett. 92 (6): Art. No. 065503 (2004).
2.6 Matematické a počítačové modelování vybraných sdružených úloh v oblasti tepelného zpracování kovů elektromagnetickým polem
Ve spolupráci se Slezskou technickou univerzitou v Katowicích byla vypracována řada původních metod pro řešení vybraných sdružených úloh týkajících se indukčního ohřevu a souvisejících fyzikálních procesů v oblasti tepelného zpracování kovů. Vzhledem k tomu, že uvedené procesy jsou energeticky a technologicky náročné a výsledkem musí být produkty o předepsaných vlastnostech a parametrech, je prakticky jedinou možností, jak správně navrhnout příslušné zařízení, jejich matematické a počítačové modelování doplněné vhodnými experimenty. Řešení je však silně komplikováno skutečností že během sledovaných dějů (indukční ohřev, následné kalení, lisování za tepla, tavení kovů a jejich míchání atd.) dochází k interakci několika fyzikálních polí (elektromagnetické, teplotní, termoelastických deformací, rychlostní), které se navzájem výrazně ovlivňují. Pracoviště vyvinulo několik originálních algoritmů, kterými lze tyto modely za použití existujících profesionálních i vlastních programů s dostatečnou přesností řešit a některé ze získaných výsledků byly úspěšně experimentálně ověřeny na uvedeném partnerském pracovišti. Vzhledem k tomu, že zmíněné technologické procesy jsou ekologicky nezávadné, existuje dobrá šance na využití dosažených znalostí v průmyslu. Některé výsledky především teoretického charakteru byly přijaty do mezinárodních impaktovaných časopisů či sborníků.
Šolín, P., Doležel, I., Ulrych, B.: Induction Heating of 3D Non-Ferromagnetic Metal Bodies by Moving Inductors. - Scientific Computing in Electrical Engineering, Mathematics in Industry (ISBN 3-540-21372-4). 4. 373-381. (2004)
Barglik, J., Doležel, I., Karban, P., Ulrych, B.: Modeling of Continual Induction Hardening in Quasi-Coupled Formulation. - COMPEL (ISSN0332 1649). 24. (2005) accepted
Doležel, I., Barglik, J., Ulrych, B.: Continual Induction Hardening of Axi Symmetric Bodies. - Journal of Materials Processing Technology (ISSN 0924 0136). 1, (2005), accepted
2.7 Tok nenewtonských kapalin mezikruhovými kanály
Jiří David, Petr Filip
V rámci projektu analyzovali pracovníci Ústavu pro elektrotechniku přeměny elektrické energie na mechanickou (pohonný systém) a mechanické na elektrickou (generátorický systém) u jednotek s proměnnými otáčkami v přečerpávacích vodních elektrárnách. Progresivním řešením jsou tzv. dvojitě napájené stroje s měničem kmitočtu v rotorovém obvodu. Takové soustrojí zvyšuje účinnost energetické přeměny až o 10 % a má delší životnost omezením účinku kavitace. Změnou otáček lze také krátkodobě krýt náhlý pokles činného výkonu v rozvodné síti setrvačnou energií rotujících hmot a vodního sloupce, a tím významně přispět ke stabilitě energetické sítě.
Důležitý byl zejména vývoj vhodných řídicích algoritmů na bázi vektorového řízení, které umožňují optimální provoz těchto energetických jednotek v běžných provozních stavech i při nestandardních podmínkách. Vznikl komplexní matematický model jednotky s dvojitě napájeným strojem s možností volby vhodného pracovního režimu nastavením rotorového napětí. Na tomto pracovišti vznikla také původní, dnes už rozšířená metoda řízení dvojitě napájeného stroje, poskytující výrazně lepší možnosti řízení stroje při nesymetrické zátěži nebo při nesymetrických poruchových stavech v připojené energetické síti. Dosažené poznatky lze z velké části uplatnit i u generátorických jednotek pro větrné elektrárny.
P.Filip, J.David - Axial Couette-Poiseuille flow of power-law viscoplastic fluids in concentric annuli, J.Pet.Sci.Eng. 40 (2003), pp.111-119.
P.Filip, J.David - Quasisimilarity of helical flow of power-law fluids in concentric annuli, J.Pet.Sci.Eng. 45 (2004), pp.97-107.
P.Filip, J.David - Axial flow of viscoplastic fluids obeying Robertson-Stiff model in concentric annuli. HEFAT 2004, 3rd Int. Conf. Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermomechanics, Ed.J.Meyer, 21-24 June, 2004, Cape Town, South Africa, CD ROM.
J.David, P.Filip - Determination of flow rate in concentric sublayers using Vocadlo viscoplastic model. Proc.17th Int. Conf. Mathematical Methods in Engineering and Technology, Ed.V.S.Balakirev, Kostroma (Russia), 1-3 June 2004, Vol.1, pp.50-52.
2.8 Vírová struktura smykových toků
Václav Kolář
Experimentální část se zabývá dominantní vírovou strukturou "dvojnásobného zatopeného proudového paprsku v příčném unášivém proudění" (DZPvUP). Tato experimentální studie rozšiřuje pro případ náběhu unášivého proudění na dvojici vstupních proudů pod kosým úhlem (45°) předchozí výsledky [1] získané pro tandem a boční uspořádání DZPvUP. Práce [2] se soustřeďuje na rozdělení vířivosti a cirkulaci rychlosti dominantní vírové struktury DZPvUP v kosém uspořádání do určité míry podobné známé dominantní struktuře jednoduchého "zatopeného proudového paprsku v příčném unášivém proudění" (ZPvUP), a to vírové dvojici s opačnou rotací jednotlivých vírů. Podobnosti a rozdíly v rozdělení vířivosti, cirkulaci a hlavních rysech vírové struktury pro tři různá uspořádání DZPvUP - v tandemu, bočním a kosém uspořádání - a jednoduchý ZPvUP jsou zkoumány a detailně popsány [2]. Teoretická část se zaměřuje na charakteristiky vírové struktury poměřující vířivost a rychlost deformace. Je proveden přehled těchto charakteristik a doplněn o nově navrhované charakteristiky [3]. Nedávná orientace výzkumu na dekompoziční metody pro vířivost (viz [4], dekompozice tenzoru obecné hustoty toku vířivosti) se specializuje přímo na samotnou vířivost. Přímá aplikace trojné dekompozice lokálního relativního pohybu v okolí bodu na 2D rychlostní pole je prezentována v [5]. Na rozdíl od dvojné dekompozice pohybu (na rotaci jako tuhé těleso a čistou deformaci) trojná dekompozice pohybu má za cíl extrahovat efektivní smykový pohyb, a tím poskytnout detailnější popis toku. Praktická aplikace uvedeného postupu je provedena na rychlostních datech nominálně rovinného turbulentního úplavu [5].
[1] Kolář V., Takao H., Todoroki T., Savory E., Okamoto S., Toy N.: Vorticity transport within twin jets in crossflow. Exp. Thermal Fluid Sci., 27 (2003), 563-571.
[2] Kolář V., Takao H., Todoroki T., Savory E., Okamoto S., Toy N.: Vorticity and circulation aspects of twin jets in crossflow for an oblique ground arrangement. HEFAT2004 (Proc. 3rd Int. Conf. on Heat Transfer, Fluid Mech. and Thermodyn.), Cape Town (South Africa), 2004 /CD-ROM/.
[3] Kolář V.: On vorticity/strain-rate characteristics. Recent Advances in Fluid Mech. (Proc. 4th Int. Conf. on Fluid Mech.), Dalian (China), 2004, 103-107, Tsinghua-Springer.
[4] Kolář V.: On the Lyman problem. Central Eur. J. Phys., 1 (2003), 258-267.
[5] Kolář V.: 2D velocity-field analysis using triple decomposition of motion. Proc. 15th Australas. Fluid Mech. Conf., Sydney (Australia), 2004 /CD-ROM/.
2.9 Optický rezonátor pro nanometrologii délek
František Petrů, Ondřej Číp, Zdeněk Buchta, Josef Lazar
U špičkových výrobních technologií se jako délková měřidla využívají laserové inkrementální interferometry a indukčnostní nebo kapacitní snímače. Problémem je absolutní přesnost těchto senzorů a jejich kalibrace. Tu je možné provést pouze řádově přesnějším odměřovacím systémem, který je přímo svázán s vysoce stabilním normálem délky - jodem stabilizovaným He-Ne laserem.
V Ústavu přístrojové techniky vyvinuli vysoce přesnou metodu odměřování vzdáleností, která se rozlišením dotýká hranice desetiny nanometru (desetimiliontiny milimetru). Princip spočívá v přímém převodu změny délky Fabry-Perotova optického rezonátoru na změnu optické frekvence externího laditelného laseru, který je metodou derivační spektroskopie svázán s vybraným rezonančním modem rezonátoru a následně opticky směšován s optickou frekvencí normálového laseru. Získaná záznějová frekvence je vyhodnocována frekvenčním čítačem a její hodnota je v přímé úměře s délkou rezonátoru. Vysoké nároky na teplotní stabilitu splňují nosné prvky ze zeroduru a systém je umístěn v termostatizovaném boxu. Jedno ze zrcadel rezonátoru je vybaveno piezoelektrickým posuvem, který umožňuje proměřit vzdálenosti do 2 m. S posuvem je pevně spojeno měřicí zrcadlo inkrementálního interferometru, jehož stupnici chceme kalibrovat.
Číp, O., Petrů, F., Buchta, Z., Lazar, J.: Ultra-precise distance measurement for nanometrology. - Optical Metrology in Production Engineering, Photonics Europe, Strasbourg, Proceedings of SPIE 5457: 22-25 (2004). Číp, O., Petrů, F., Lazar, J., Buchta, Z.: Ultra-precise measurement of distance by Fabry-Perot resonator. - Physica Scripta, přijato k publikaci.
2.10 Nanokompozitní povlaky jako tvrdá pevná maziva
Jaroslav Sobota, Jan Grossman, Tomáš Fořt
Jako tvrdá pevná maziva je možné použít nano(multi)vrstvé a nanokompozitní povlaky obsahující uhlík. Jedná se o tvrdé povlaky, které vykazují nízký koeficient tření a malý otěr, a mohou se tedy uplatnit zejména ve strojírenských aplikacích. Navíc umožňují vytvořit stabilní strukturu s unikátními kombinacemi vlastností, které se u klasických materiálů obvykle navzájem vylučují, např. vysoká tvrdost a houževnatost.
Povlak tloušťky několika mikrometrů se nanáší magnetronovým naprašováním na rotující podložku umístěnou pod kovovým a uhlíkovým terčem. Vše se odehrává v reaktivní atmosféře složené z argonu a dusíku.
Tyto povlaky jsou použitelné pro širokou škálu strojírenských výrobků, břitovými destičkami obráběcích nástrojů počínaje a ocelovými ložisky čerpadel a kompresorů konče. Cílem není jen další prodloužení životnosti výrobků, ale v řadě případů jde i o významné ekologické aspekty, jako např. úspora či dokonce absence chladících kapalin při obrábění. Unikátní vlastnosti souvisejí zejména s použitím nanokompozitů obsahujících uhlík, které mají za sucha koeficient tření nižší, než jsou hodnoty typické pro systém ocel-kvalitní olej-ocel.
Na horním obrázku je příklad řezu nanokompozitní strukturou nitridu niobu na nitridu uhlíku, zobrazeného v temném poli v prozařovacím elektronovém mikroskopu. Velikost NbN nanokrystalů je v rozmezí 1 - 4 nm.
Dolní obrázek ukazuje difraktogram elektronů na vrstvě, skládající se z koncentrických kruhů náležejících náhodně orientované kubické NbN fázi. Difuzní haló pochází od amorfní matrice C-N.
Na uvedené problematice spolupracujeme s Masarykovou univerzitou v Brně, s firmou Euroconsult z Aarhusu v Dánsku, s Elektrotechnickým ústavem SAV v Bratislavě, se Západočeskou univerzitou v Plzni, s ČVUT v Praze a s VUT v Brně.
" Sobota, J., Bochníček Z., Holý, V.: Friction and wear properties of C-N/MeNx nanolayer composites. - Thin Solid Films 433: 155-159 (2003)
" Sobota J., Sorensen G., Jensen, H., Bochníček Z., Holý V.: C-N/NbN nanocomposite coatings, deposition and testing of performance. - Surface and Coatings Technology 142-144: 590-595 (2001)
" Sobota J., Sorensen G., Jensen H., Kuběna J., Holý, V: Temperature stability of C-N/NbN nanocomposite multilayers. - Diamond and Related Materials 9: 587-591 (2000)
2.11 Měření emisivit tepelného záření při kryogenních teplotách
Věra Musilová, Pavel Hanzelka, Tomáš Králík, Aleš Srnka
Vyvinuli jsme a úspěšně odzkoušeli experimentální aparaturu pro měření totálních hemisférických emisivit a absorptivit tepelného záření při kryogenních teplotách malých vzorků o průměru 40 mm. Citlivost aparatury umožňuje měřit emisivity od hodnoty 0.3% při ozáření vzorku černým povrchem o teplotě 25 K.
Za velmi nízkých teplot jsme měřili přenos tepla zářením mezi dvěma rovnoběžnými povrchy -povrchem o teplotě 5 až 10 K a povrchy chlazenými na teploty od cca 4 K do 200 K. Výsledkem měření jsou závislosti totální hemisférické emisivity a absorptivity na teplotě tepelného záření, tj. na teplotě vyhřívaného povrchu. Hliníkové vzorky byly připraveny z plechů o obsahu 99.5% Al, fólií Al 99.5 a polyesterových fólií s deponovanou Al vrstvou. V dalších měřeních jsme se zabývali vlastnostmi hliníkové slitiny AlCu4Mg, elektrolytické mědi 99.5, mosazi, nerezové oceli a fólie ze supravodivé slitiny NbTi. Sledovali jsme vliv různých typů úprav materiálů na přenos tepla zářením, například vliv chemického leštění, mechanické úpravy povrchu a žíhání. Získané hodnoty lze užít v aplikované kryogenice k velmi přesným výpočtům přenosu tepla zářením mezi povrchy s různou teplotou. Díky získaným výsledkům lze optimalizovat různé kryogenní systémy a mimo jiné dosáhnout snížení ztrát kapalného hélia u NMR tomografů a spektrometrů. Obdobná měření teplotních závislostí dosud nebyla publikována a o některé výsledky již projevila zájem výzkumná pracoviště v České republice i v zahraničí.
" Králík, T., Hanzelka, P., Musilová, V., Srnka, A., Haberstroh, C.: Messen von Emissivitäten bei kryogenen Temperaturen. - DKV Tagungsbericht, Bonn, Deutscher Kalte- und Klimatechnischer Verein e.V.: 63-71 (2003)
" Králík, T., Hanzelka, P., Musilová, V., Srnka, A.: Device for measurement of thermal emissivity at cryogenics temperatures. - Proceedings of the 8th Cryogenics 2004 IIR international conference - Praha, ICARIS: 23-29 (2004)
" Musilová, V., Hanzelka, P., Králík, T., Srnka, A.: Low temperature emissivity of metals used in cryogenics. - Proceedings of the 8th Cryogenics 2004 IIR international conference - Praha, ICARIS: 30-33 (2004).
" Musilová, V., Hanzelka, P., Králík, T., Srnka, A.: Low temperature radiative properties of materials used in cryogenics. - Cryogenics 45, přijato k publikaci
2.12 Trojrozměrné vektorové modelování fotonických vlnovodných mikrorezonátorů
J. Čtyroký, L. Prkna, M. Hubálek
Optické vlnovodné mikrorezonátory jsou perspektivní stavební prvky budoucích integrovaně-optických systémů s velkou hustotou integrace pro metropolitní a přístupové optické sítě. Jsou tvořeny optickými vlnovody ve tvaru prstence nebo disku o průměru řádu 1 až 100 mikrometrů, navázanými evanescentní vazbou (optickým tunelováním) na přímé vlnovody (levý obrázek). K návrhu takových struktur je nutné spolehlivě a efektivně modelovat rozložení optického záření v mikrorezonátorech.
Pracovníci Ústavu radiotechniky a elektroniky vyvinuli novou metodu rychlého a přesného výpočtu rozložení elektromagnetického pole v kruhových mikrorezonátorech. Příklad vypočteného rozložení pole ukazuje pravý obrázek. Metoda je součástí originálního softwarového nástroje pro modelování a návrh struktur s mikrorezonátory vyvinutého společně s Universitou v Twente v Nizozemsku v rámci evropského projektu NAIS (Next-generation active integrated-optic subsystems).
Schematický obrázek kruhového mikrorezonátoru. Je-li vlnová délka vstupního signálu v rezonanci, signál vychází z vydělovacího portu, v opačném případě z průchozího portu. Vpravo vypočtené rozložení vertikální složky intenzity elektrického pole v diskovém mikrorezonátoru (obrysy jeho průřezu jsou vyznačeny černými čarami). Prkna, L., Hubálek, M., Čtyroký, J.: Vectorial eigenmode solver for bent waveguides based on mode matching. - IEEE Phot. Technol. Lett. 16: 2057-2059 (2004).
Prkna, L., Hubálek, M., Čtyroký, J.: Field modelling of circular microresonators by film mode matching. - IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 11 (1): v tisku (2005).
2.13 Ultracitlivé měření krátkodobé frekvenční stability
L. Šojdr a J. Čermák
Nejstabilnějšími frekvenčními zdroji při průměrovacích intervalech kolem 1 s jsou krystalové oscilátory, které dosahují na 5 MHz frekvenční stability lepší než 1×10-13 ve smyslu Allanovy odchylky (ADEV). Abychom mohli současné případně i budoucí oscilátory těchto kvalit měřit, potřebujeme k tomu měřicí systém s vlastní nestabilitou 1×10-14 a lepší. Za nejvhodnější pro takováto měření se považuje metoda založená na násobení časové odchylky s využitím duálního směšování (metoda DMTD). Kvazisynchronní signály z referenčního a měřeného oscilátoru na frekvenci v0 se při ní směšují se signálem ze společného oscilátoru, který má frekvenci v0 + Δ v. Výsledkem duálního směšování jsou dva záznějové signály o frekvenci Δ v, jejichž časová diference (představovaná průchody signálu nulou) je vynásobena v poměru v0 / Δ v vůči časové diferenci na vstupu.
Naše práce na metodě DMTD začala v roce 2002 a jejím cílem bylo vyvinout měřicí systém, který by umožnil porovnat i ty nejstabilnější oscilátory. Zkoumali jsme zdroje šumu v elektronice násobiče DMTD, nestabilitu způsobenou interferencí s vnějšími signály, vlivy okolního prostředí i vlivy konstrukční. Optimalizací návrhu (ve spolupráci s BNM-SYRTE, Observatoire de Paris) se podařilo dosáhnout výsledků, které jsou graficky znázorněny na obr.1. Vlastní nestabilita pozadí našeho systému má průběh ADEV(т ) € = 70×10-15/ т a práh blikavého fázového šumu vyjádřený časovou odchylkou TDEV činí kolem 2 fs (při horní mezní frekvenci 15 Hz). Pokud je nám známo, na frekvenci 5 MHz je to dosud nejlepší publikovaný výsledek.
Vlastní nestabilita našeho měřicího systému.
[1] Šojdr, L., Čermák, J., Brida, G.: Comparison of High-Precision Frequency-Stability Measurements Systems. Proc. Joint Meeting 17th European Frequency and Time Forum and 2003 IEEE International Frequency Control Symposium, Tampa, USA: pp.317-325 (2003)
[2] Šojdr, L., Čermák, J., Barillet, R.: Optimization of Dual-Mixer Time-Difference Multiplier. 18th European Time and Frequency Forum, Guildford, UK: (2004), v tisku.
[3] Barillet, R., Čermák, J., Richard, J.-Y., Šojdr, L.: Application of Dual-Mixer Time-Difference Multiplication in Accurate Time-Delay Measurement. IEEE International Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 50th Anniversary Joint Conference, Montreal, Canada: (2004), v tisku.
2.14 Křemenná optická vlákna pro vláknově optickou chemickou detekci v oblasti indexů lomu 1,45-1,62
I. Kašík, V. Matějec, M. Chomát, D. Berková a J. Skokánková
Detekce chemických látek pomocí optických vláknových sensorů přináší řadu výhod ve srovnání s jinými typy senzorů a má nabízí velký potenciál pro ochranu životního prostředí a lékařství. Ve vláknově-optických senzorech jsou dnes většinou využívána křemenná vlákna pokrytá polymerem (PCS vlákna). Tato vlákna mají vysokou citlivost ke změnám indexu lomu nebo absorpčního koeficientu v případě, že se index lomu v oblasti kolem jádra blíži indexu lomu křemene (tj. hodnotě 1,457 pro vlnovou délku 633 nm a teplotu 25 °C). S cílem rozšířit možnosti křemenných optických vláken pro chemickou detekci i pro indexy lomu nižší a vyšší než křemen byly v ústavu navrženy a připraveny nové typy vláken [1]-[3]. Tato vlákna zahrnují mnohovidová vlákna s parabolickým invertovaným profilem jádra (IGI vlákna) a vlákna skleněná pokrytá polymerem (PCG vlákna).
IGI a PCG vlákna byla tažena z preforem připravených modifikovanou chemickou depozicí z plynné fáze (MCVD metoda) a leptáním v kapalné fázi nebo z komerčně dostupných tyčinek optických skel (např. F2, Schott) [4]. Typické profily indexu lomu připravovaných preforem jsou znázorněny na obr. 1. Kalibrační křivky na obr. 2 ukazují, že IGI a PCG vlákna umožňují dosáhnou vysokou citlivost detekce pro indexy lomu v okolí jádra v rozmezí 1,45 až 1,62. Tato vlákna tak umožňují využít širší skupinu materiálů vhodných pro přípravu detekčních membrán nanášených na vlákno a tím zároveň rozšířit počet detekovaných chemických látek, citlivost a selektivitu detekce. IGI vlákna pokrytá polysiloxanovou detekční membránou byla již testována pro detekci toluenu ve vodě v koncentracích 3-5 mg/l [2]. PCG vlákna pokrytá speciálními ormosilovými detekčními membránami jsou v současné době testována pro detekci kyslíku a glukózy ve vodě.
Obr. 1. Profily indexu lomu Obr. 2. Experimentálně určená citlivost senzorových vláken na změny indexu lomu
[1] F. Bardin, I. Kašík, A. Trouillet, V. Matějec, H. Gagnaire, M. Chomát : "Surface plasmon resonance sensor using an optical fiber with an inverted graded-index profile", Applied Optics 41, pp. 2514-2520, 2001.
[2] M. Chomát, D. Berková, V. Matějec, I. Kašík, G. Kuncová : "The effect of hydrodynamic conditions on the detection of aqueous solutions of toluene by means of an inverted graded-index fiber", Sensors & Actuators B90, pp. 151-156, 2003.
[3] I. Kašík, V. Matějec, M. Chomát, M. Hayer, D. Berková, J. Mrázek, J. Skokánková: "Silica-based optical fibres with tailored refractive-index profiles in the region of 1.46-1.52 for evanescent-wave chemical detection", Proc. 7th Europt(r)ode, Madrid, April 2004, P27, Sensors & Actuators, v tisku.
2.15 Dřevěný rám se styčníky odolnými proti zemětřesení
Bohumil Kasal, Stanislav Pospíšil, Ivo Jirovský, Andreas Heiduschke1 , Miloš Drdácký, Peter Haller (TU Drážďany)
Vědci z ÚTAM se významně podíleli, v rámci mezinárodní spolupráce, na vývoji styčníků dřevěných patrových rámů pro oblasti s častým výskytem zemětřesení. Řešení využívá schopnosti vhodně vyztuženého a zhutněného dřeva odolávat velkým deformacím, pohlcovat deformační energii a zachovávat při tom únosnost. Seismicky odolný styčník je proto vytvořen spojením sloupu a průvlaku z vrstveného densifikovaného dřeva, zpevněného tenkými vrstvami laminátu ze skelných vláken. Vlastní spojení přenášející ohybový moment zajišťuje ocelový svorník a řada ocelových kolíků, které přispívají k disipaci energie během otřesů. Styčník byl experimentálně ověřen na dvoupatrových rámech, provedených ve skutečné velikosti i ve zmenšeném měřítku a vystavených účinkům modelových zemětřesení v laboratořích ÚTAM v Praze a ENEL v Itálii. Při experimentech bylo porovnáváno chování dřevěných rámů z obyčejného dřeva s nevyztuženými styčníky s chováním rámů, navržených na základě výsledků výzkumu. Nový rámový styčník přežil bez vážnějšího poškození a významného snížení bezpečnosti silné zemětřesení, které by způsobilo havarijní poškození styčníku železobetonového rámu.
1TU Dresden
Kasal B., Pospíšil S., Jirovský I., Heiduschke A., Drdácký M., Haller P.: Seismic performance of laminated timber frames with fibre reinforced joints. Journal of Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 33:633-646 (2004)
2.16 Pevnost a životnost vysokotlakých plynovodních potrubí
Ľ.Gajdoš, J.Němec, M.Micka, M.Šperl
Svařované vysokotlaké plynovody jsou v provozu vystaveny dlouhodobým agresivním účinkům a poškozování mechanickou únavou, plošnou korozí a korozí pod napětím.
Vzhledem k velkým rozměrům a koncentracím napětí v důsledku geometrických a materiálových imperfekcí je lokální poškozování zrychleno zejména ve svarových spojích. Na základě výsledků zkoušek potrubí s reálnými i umělými defekty byly vypracovány postupy hodnocení jejich lomové odolnosti v závislosti na kvalitě materiálu potrubí, stupni rozvoje defektů ve stěně a zatěžovacích podmínkách potrubí v provozu. Toto vedlo k formulování požadavků na lomově-mechanické vlastnosti potrubních ocelí z hlediska zajištění kritéria iniciace lomu, kritéria "leak-before-break" (dříve teče než praská) a kritéria zastavení běžícího lomu na krátké vzdálenosti. Kromě toho umožnily výsledky zkoušek zpřesnit podmínky tlakové reparace provozem poškozených plynovodů, a tím výrazně prodloužit jejich životnost.
L´.Gajdoš et al.: Structural Integrity of Pressure Pipelines. Transgas, a.s., Prague, Czech Republic, 234 s., 2004
ISBN: 80-86616-03-7
2.17 Dynamické chování mostů při přejezdu vysokorychlostních vlaků
Ladislav Frýba
Železniční mosty jsou za vysokých rychlostí vystaveny intenzivnímu dynamickému namáhání, které se dokonce za určitých podmínek projevuje jako rezonanční kmitání. Proto byl sestaven jednoduchý teoretický model ve formě Bernoulliho-Eulerova nosníku s řadou pohybujících se sil, který byl řešen metodami integrálních transformací. Tak se získaly časové průběhy průhybů, napětí a svislých zrychlení. Ty byly tříděny metodou stékající vody, takže se obdržela spektra napětí, jež jsou potřebná pro odhady únavové životnosti konstrukcí. Numerické řešení bylo provedeno pro betonové a ocelové mosty o rozpětí 5 až 50 m, pro tři typy vysokorychlostních vlaků za rychlostí 5 až 500 km/h. Studoval se vliv jednotlivých parametrů, jako rychlosti jízdy, rozpětí mostů, útlumu apod. Spektra napětí ukázala statistická rozložení cyklů napětí, která jsou důležitá pro únavové výpočty a pro odhad únavové životnosti mostů. Byly odvozeny i jednoduché vzorce pro návrh a posouzení mostů.
L. Frýba : "Dynamic behaviour of bridges due to high speed trains". Proceedings of the workshop "Bridges for High-Speed Railways", editors R. Dalgado, R. Calcada, A.C.e Matos, Porto, 137-158 (2004)
2.18 Numerická simulace problémů nelineární aeroelasticity
Horáček J., Sváček P., Feistauer M., Honzátko R., Kozel K.
Aeroelastické jevy patří mezi nejnáročnější technické problémy, které se vyskytují v mnoha praktických odvětvích - letectví (např. namáhání křídla), lopatkové stroje (turbíny, kompresory), stavebnictví (mosty, věže) atd. Mezi hlavní přednosti numerických simulací aeroelastických problémů patří možnost detailního rozboru vzájemného působení proudící tekutiny a obtékaného tělesa a zejména predikce rozložení dynamického zatíženÍ.
Kolektiv složený z pracovníků Ústavu termomechaniky AV ČR, Matematicko-fyzikální fakulty UK a Fakulty strojní ČVUT v Praze navrhl a realizoval numerické řešení obtékání kmitajícího leteckého profilu nestlačitelnou tekutinou. Pro řešení tohoto problému byly vypracovány numerické metody, založené na metodě konečných objemů a metodě konečných prvků. Metoda konečných objemů byla použita pro Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulaci Navierových-Stokesových rovnic pro nestacionární proudění vazké nestlačitelné tekutiny kolem harmonicky kmitajícího profilu s předepsanými amplitudami. Numerické výsledky byly porovnány s výsledky získanými pomocí metody malých poruch a s výsledky experimentu. Dále byla vyvinuta robustní metoda konečných prvků pro numerické řešení nestacionárního obtékání kmitajícího profilu nestlačitelnou vazkou tekutinou při velkých výchylkách. Metoda je založena na kombinaci následujících postupů: ALE formulaci, vhodné časové diskretizaci, metodě konečných prvků s konečně-prvkovými prostory pro rychlosti a tlaky, stabilizaci schématu, linearizaci diskrétního nelineárního problému, rychlém řešiči velkých soustav lineárních rovnic, numerickém schématu pro řešení systému obyčejných diferenciálních rovnic a na dostatečně přesném vyhodnocení aerodynamických sil působících na profil. Porovnání získaných výsledků s dostupnými experimenty a s výpočty pomocí programu NASTRAN ukazuje, že vyvinutá metoda je aplikovatelná pro proudění s vysokými Reynoldsovými čísly řádu 105-106.
Izočáry rychlosti při obtékání kmitajícího leteckého profilu NACA 632-415 (Kmitání profilu je vyvoláno působením aerodynamických sil. Proudové pole je zobrazeno pro dva různé časové okamžiky a pro post-kritickou rychlost proudu U=40 m/s a Reynoldsovo číslo Re=8 105.)
[1] Sváček, P., Feistauer, M., Horáček, J.: Numerical simulation of a flow induced airfoil vibrations. In: Flow Induced Vibrations (eds. de Langre E., Axisa F.), Ecole Polytechnique Paris, Vol.2, 57-62 (2004)
[2] Sváček, P., Feistauer, M., Horáček, J.: Numerical simulation of flow induced airfoil vibrations with large amplitudes. Journal oj Fluids and Structures (2004, submitted)
[3] Honzátko, R., Kozel, K., Horáček, J.: Numerical solution of flow through a cascade and over a profile with dynamical and aeroelastic effects. In: Flow Induced Vibrations (eds. de Langre E., Axisa F.), Ecole Polytechnique Paris, Vol.2, 377-382 (2004)
2.19 Zdokonalení metody resonanční ultrazvukové spektroskopie
Landa M., Plešek J., Kolman R.
Resonanční ultrazvuková spektroskopie (RUS) je moderní experimentálně-numerická metoda zjišťování elastických konstant materiálu. Vzorek o řádovém rozměru 1mm je rozkmitán ve frekvenčním spektru v oblasti přibližně 1MHz a identifikovány jsou jeho resonance (viz obr.1). Struktura změřeného spektra je pak zpracována inverzním numerickým postupem, jehož výstupem jsou základní elastické vlastnosti materiálu. V obecně anisotropním případě je možné takto určit všech 21 konstant pomocí jediného měření. V citovaných článcích byl poprvé navržen algoritmus, dovolující využít metodu konečných prvků (MKP) pro výpočet vlastních frekvencí vzorku. Uplatnění MKP přináší významné rozšíření aplikovatelnosti RUS, neboť lze proměřit vzorky libovolného tvaru nebo přihlédnout k nehomogenním vlastnostem vrstev u kompozitních materiálů.
Metodou RUS byla například změřena teplotní závislost elastických konstant austenitu slitiny CuAlNi. Toto měření je důležité ze dvou důvodů: i) Na základě citlivostní analýzy se prokázala výhoda metody RUS pro měření smykových složek tenzoru elastických konstant zejména u silně anizotropních materiálů (faktor anisotropie A=12) oproti přímé pulsně odrazové metodě; ii) Byla vypracována obecná metodika určování krystalografických směrů, významných pro hodnocení stability atomární struktury vysokoteplotní výchozí fáze (austenitu) před vlastní fázovou transformací. Prokázalo se, že pro transformaci beta-CuAlNi je významný mód (110)[1-10], kde dochází ke změkčování příslušné smykové tuhosti při ochlazování směrem k transformační teplotě. Navržená metoda bude dále používaná pro nové intermetalické slitiny typu Ti-Ni-X, Co-Ni-Al, Ni-Mn-Ga.
[1] Plešek, J., Kolman, R., Landa, M.: Using finite element method for the determination of elastic moduli by resonant ultrasound spectroscopy. J. Acoust. Soc. Am., 116: 1, 282-287 (2004) [2] Kolman, R., Plešek, J., Landa, M.: Finite element computational technology in resonant ultrasound spectroscopy of composite materials. Mat. Sci. Forum (in press) [3] Landa, M., Novák, V., Sedlák, P., Manosa, L., Šittner, P.: Elastic properties of structural phases in shape memory alloys investigated by resonant ultrasound spectroscopy. Mat. Sci. Forum (in press)
