Смачивание и растекание малых объемов жидкости по текстурированным лазерным излучением поверхностям стали

Глеб Котельников

Смачивание и растекание малых объемов жидкости по текстурированным лазерным излучением поверхностям стали

Цель работы – установить применимость молекулярно-кинетической и гидродинамической моделей к описанию динамических процессов в условиях растекания капли жидкости по поверхностям стали, текстурированным наносекундным лазерным излучением. В результате выполнения НИР разработана процедура получения новых типов гидрофобных и гидрофильных поверхностей стали с многомодальной шероховатостью и с упорядоченной текстурой в форме кратеров. Установлена применимость молекулярно-кинетической модели к описанию динамических процессов в условиях растекания капли по созданным поверхностям стали. Актуальность НИР обусловлена возможностью практического применения новых типов гидрофобных и гидрофильных поверхностей стали с многомодальной шероховатостью и с упорядоченной текстурой в форме кратеров. Такие поверхности обладают уникальными функциональными свойствами например, высокая стойкость к коррозии, накипи, абразивному износу, обрастанию.

Энергетика

Дипломы

Вуз: Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)

ID: 5f2e4dc7cd3d3e0001b4ee7f

UUID: e706ef70-bb72-0138-1468-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: почти 4 года назад

Просмотры: 42

10.84

Глеб Котельников

Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 1,5 МБ

Поделиться работой

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Школа Инженерная школа энергетики Направление подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника НОЦ И.Н. Бутакова БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА Тема работы Смачивание и растекание малых объемов жидкости по текстурированным лазерным излучением поверхностям стали УДК 532.6:669.1.017:539.211 Студент Группа 5Б6Б ФИО Котельников Глеб Евгеньевич Руководитель Должность ФИО Доцент НОЦ И.Н. Бутакова ИШЭ Ученая степень, звание Феоктистов Дмитрий Владимирович к.т.н., доцент Подпись Дата Подпись Дата КОНСУЛЬТАНТЫ: По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» Должность ФИО Доцент ОСГН Трубченко Татьяна ШБИП Григорьевна По разделу «Социальная ответственность» Должность ФИО Ассистент ООД ШБИП Немцова Ольга Александровна Ученая степень, звание Подпись Дата Ученая степень, звание Подпись Дата Подпись Дата к.э.н., доцент – ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ: Руководитель ООП ФИО Доцент НОЦ И.Н. Бутакова ИШЭ Ученая степень, звание Бульба Елена Евгеньевна к.т.н., доцент Томск – 2020 г.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Школа Инженерная школа энергетики Направление подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника НОЦ И.Н. Бутакова УТВЕРЖДАЮ: Руководитель ООП _______ _______ Бульба Е.Е. (Подпись) В форме: (Дата) (Ф.И.О.) ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы Бакалаврской работы Студенту: Группа ФИО 5Б6Б Котельникову Глебу Евгеньевичу Тема работы: Смачивание и растекание малых объемов жидкости по текстурированным лазерным излучением поверхностям стали Утверждена приказом директора (дата, номер) 10.02.2020, №41-31/с Срок сдачи студентом выполненной работы: 11.06.2020 г. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ: Объект исследования – смачивание и процесс растекания Исходные данные к работе малых объемов жидкости по текстурированным поверхностям стали. Предмет исследования – применение молекулярно- кинетической и гидродинамической моделей для описания динамических процессов в условиях растекания капли жидкости по поверхностям стали, текстурированным лазерным излучением. Перечень подлежащих Проведение исследованию, проектированию и смачивание и растекания малых объемов жидкости на разработке вопросов обзора научных публикаций по тематике: поверхностях, текстурированных лазерным излучением. Разработка процедуры оценки геометрических размеров элемента текстуры и параметров шероховатости. Определение основных характеристик процесса динамического смачивания (наступающий и отступающий 2

динамические контактные углы, гистерезис). Определение экспериментальных зависимостей динамического контактного угла от микроструктуры поверхности стали, и скорости движения контактной линии. Перечень графического материала Презентация Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы Раздел Консультант Финансовый менеджмент, Трубченко Т.Г. ресурсоэффективность и ресурсосбережение Социальная ответственность Немцова О.А. Дата выдачи задания на выполнение квалификационной работы по линейному графику Задание выдал руководитель: Должность ФИО Доцент НОЦ И.Н. Бутакова ИШЭ Феоктистов Д.В. выпускной Ученая степень, звание 25.12.2019 Подпись Дата Подпись Дата к.т.н., доцент Задание принял к исполнению студент: Группа ФИО 5Б6Б Котельников Глеб Евгеньевич 3

Запланированные результаты обучения выпускника образовательной программы бакалавриата по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» Код результата Р1 Р2 Р3 Р4 Р5 Р6 Р7 Р8 Р9 Результат обучения (выпускник должен быть готов) Универсальные компетенции Осуществлять коммуникации в профессиональной среде и в обществе в целом, в том числе на иностранном языке, разрабатывать документацию, презентовать и защищать результаты комплексной инженерной деятельности. Эффективно работать индивидуально и в коллективе, в том числе междисциплинарном, с делением ответственности и полномочий при решении комплексных инженерных задач. Демонстрировать личную ответственность, приверженность и следовать профессиональной этике и нормам ведения комплексной инженерной деятельности с соблюдением правовых, социальных, экологических и культурных аспектов. Анализировать экономические проблемы и общественные процессы, участвовать в общественной жизни с учетом принятых в обществе моральных и правовых норм. К достижению должного уровня экологической безопасности, энерго- и ресурсосбережения на производстве, безопасности жизнедеятельности и физической подготовленности для обеспечения полноценной социальной и профессиональной деятельности. Осознавать необходимость и демонстрировать способность к самостоятельному обучению в течение всей жизни, непрерывному самосовершенствованию в инженерной профессии, организации обучения и тренинга производственного персонала. Профессиональные компетенции Применять базовые математические, естественнонаучные, социальноэкономические знания в профессиональной деятельности в широком (в том числе междисциплинарном) контексте в комплексной инженерной деятельности в производстве тепловой и электрической энергии. Анализировать научно-техническую информацию, ставить, решать и публиковать результаты решения задач комплексного инженерного анализа с использованием базовых и специальных знаний, нормативной документации, современных аналитических методов, методов математического анализа и моделирования теоретического и экспериментального исследования. Проводить предварительное технико-экономическое обоснование проектных разработок объектов производства тепловой и электрической энергии, выполнять комплексные инженерные проекты с применением базовых и специальных знаний, современных методов проектирования для достижения оптимальных результатов, соответствующих техническому заданию с учетом нормативных документов, экономических, экологических, социальных и других ограничений. 4

Р10 Р11 Р12 Р13 Р14 Р15 Р16 Проводить комплексные научные исследования в области производства тепловой и электрической энергии, включая поиск необходимой информации, эксперимент, анализ и интерпретацию данных, и их подготовку для составления обзоров, отчетов и научных публикаций с применением базовых и специальных знаний, и современных методов. Использовать информационные технологии, использовать компьютер как средство работы с информацией и создания новой информации, осознавать опасности и угрозы в развитии современного информационного общества, соблюдать основные требования информационной безопасности. Выбирать и использовать необходимое оборудование для производства тепловой и электрической энергии, управлять технологическими объектами, использовать инструменты и технологии для ведения комплексной практической инженерной деятельности с учетом экономических, экологических, социальных и других ограничений. Специальные профессиональные Участвовать в выполнении работ по стандартизации и подготовке к сертификации технических средств, систем, процессов, оборудования и материалов теплоэнергетического производства, контролировать организацию метрологического обеспечения технологических процессов теплоэнергетического производства, составлять документацию по менеджменту качества технологических процессов на производственных участках. Организовывать рабочие места, управлять малыми коллективами исполнителей, к разработке оперативных планов работы первичных производственных подразделений, планированию работы персонала и фондов оплаты труда, организовывать обучение и тренинг производственного персонала, анализировать затраты и оценивать результаты деятельности первичных производственных подразделений, контролировать соблюдение технологической дисциплины. Использовать методики испытаний, наладки и ремонта технологического оборудования теплоэнергетического производства в соответствии с профилем работы, планировать и участвовать в проведении плановых испытаний и ремонтов технологического оборудования, монтажных, наладочных и пусковых работ, в том числе, при освоении нового оборудования и (или) технологических процессов. Организовывать работу персонала по обслуживанию технологического оборудования теплоэнергетического производства, контролировать техническое состояние и оценивать остаточный ресурс оборудования, организовывать профилактические осмотры и текущие ремонты, составлять заявки на оборудование, запасные части, готовить техническую документацию на ремонт, проводить работы по приемке и освоению вводимого оборудования. 5

ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА «СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ» Студенту: Группа ФИО 5Б6Б Котельников Глеб Евгеньевич Школа ИШЭ Отделение (НОЦ) И.Н.Бутакова Уровень образования Бакалавриат Направление/специальность 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника Тема ВКР: Смачивание и растекание малых объемов жидкости по текстурированным лазерным излучением поверхностям стали Исходные данные к разделу «Социальная ответственность»: 1. Характеристика объекта исследования (вещество, материал, прибор, алгоритм, методика, рабочая зона) и области его применения Объект исследования: текстурированные поверхности стали. Области применения: в устройствах медико-биологического назначения, системах охлаждения, автомобилестроение, авиационная промышленность. Перечень вопросов, подлежащих исследованию, проектированию и разработке: 1. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности:  специальные (характерные при ГОСТ 12.2.032–78 ССБТ Рабочее место эксплуатации объекта исследования, проектируемой при выполнении работ сидя. Общие рабочей зоны) правовые нормы трудового эргономические требования. законодательства;  организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны. Вредные и опасные факторы: -Недостаточная освещенность рабочей зоны -Отклонение показателей микроклимата в лаборатории 2. Производственная безопасность: 2.1. Анализ выявленных вредных и опасных факторов -Повышенный уровень 2.2. Обоснование мероприятий по снижению электромагнитных излучений воздействия -Повышенный уровень статического электричества -Опасность поражения электрическим током Литосфера, атмосфера и гидросфера: люминесцентные лампы, твердые бытовые отходы: бумажные, пластиковые); Утилизация люминесцентных ламп и твердых бытовых отходов по 3. Экологическая безопасность: 6

регламенту СанПиН 2.1.7.1038-01 Возможная и наиболее типичная ЧС: Пожар (причиной возникновения пожара может стать нарушение противопожарного режима, профилактические мероприятия, первичные средства пожаротушения) 4. Безопасность в чрезвычайных ситуациях: Дата выдачи задания для раздела по линейному графику Задание выдал консультант: Должность ФИО Ассистент ООД ШБИП Немцова Ольга Александровна Ученая степень, звание 5Б6Б Подпись Дата Подпись Дата – Задание принял к исполнению студент: Группа 25.03.2020 ФИО Котельников Глеб Евгеньевич 7

ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» Студенту: Группа 5Б6Б ФИО Котельников Глеб Евгеньевич Школа ИШЭ Уровень образования Бакалавриат Отделение школы (НОЦ) Направление/специальность Исходные данные к разделу «Финансовый ресурсосбережение»: 1. Стоимость ресурсов научного исследования (НИ): материально-технических, энергетических, финансовых, информационных и человеческих менеджмент, И.Н.Бутакова 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника ресурсоэффективность и Полная стоимость проекта 217778,8 руб., из них материальные затраты 74172руб., амортизация 9723,43руб., заработная плата участников проекта 79880,7 руб., продолжительность выполнения работы 122 дня, электропотребление 158,6 кВт*ч. 2. Нормы и нормативы расходования ресурсов Накладные расходы 16%; Норма амортизации 20 % 3. Используемая система налогообложения, ставки Коэффициент отчислений на социальные налогов, отчислений, дисконтирования и нужды 30 % кредитования Районный коэффициент – 30% Перечень вопросов, подлежащих исследованию, проектированию и разработке: 1. Оценка коммерческого потенциала, перспективности и альтернатив проведения НИ с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 2. Планирование и формирование бюджета научных исследований -Описание потенциальных потребителей; -Анализ конкурентных технических решений; -SWOT-анализ -Планирование работ; -Разработка графика Ганта. -Формирование бюджета затрат на научное исследование. 3. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), -Определение финансовой эффективности финансовой, бюджетной, социальной и и ресурсоэффективности экономической эффективности исследования Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей): 1. Многоугольник конкурентоспособности 2. Диаграмма Ганта Дата выдачи задания для раздела по линейному графику Задание выдал консультант: Должность ФИО Доцент ОСГН ШБИП Трубченко Татьяна Григорьевна Ученая степень, звание Подпись Дата Подпись Дата к.э.н., доцент Задание принял к исполнению студент: Группа ФИО 5Б6Б Котельников Глеб Евгеньевич 8 25.03.2020

Реферат Выпускная квалификационная работа 108 с. 22 рис., 30 табл., 96 источников. Ключевые слова: смачивание, растекание, лазерное текстурирование, гидрофильность, молекулярно-кинетическая теория, гидродинамическая теория. Объектом исследования является смачивание и процесс растекания малых объемов жидкости по текстурированным поверхностям стали. Цель работы – установить применимость молекулярно-кинетической и гидродинамической моделей к описанию динамических процессов в условиях растекания капли жидкости по поверхностям стали, текстурированным наносекундным лазерным излучением. В процессе исследования проводились эксперименты по определению статических и динамических контактных углов на поверхностях стали с анизотропной и упорядоченной текстурой. Основные эксплуатационные конструктивные, технологические характеристики: и экспериментальная техникоустановка, включающая в себя оптическую теневую систему и систему визуализации процесса. Область применения: энергетика (конструирование высокоинтенсивных теплообменных систем), химическая промышленность (транспортировка, разделение жидкостей), авиация (создание самоочищающихся, противотуманных, водоотталкивающих поверхностей), машиностроение (разработка тепловых двигателей), медицина (создание противомикробных поверхностей). 9

Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки Определения В настоящей работе применяются следующие термины с соответствующими определениями: Контактный плоскостями к угол – угол, межфазным который поверхностям, образован касательными которые ограничивают смачивающую жидкость. Динамический контактный угол – контактный угол, изменяющийся в процессе растекания жидкости по поверхности твердого тела. Гистерезис – это разница между наступающим и отступающим контактным углом, которые образуются в условиях натекания / оттекания жидкости по твердой поверхности. Пиннинг – неподвижное состояние контактной линии на поверхности твердого тела, при этом смоченная площадь остается неизменной. Наступающий контактный угол – это максимальный угол, достигаемый перед тем, как контактная линия начинает двигаться в сторону газовой фазы. Отступающий контактный угол – это минимальный угол, достигаемый до того момента, когда линия начинает движение в сторону жидкой фазы. Номенклатура и единицы измерения θS – статический контактный угол,°; θD – динамический контактный угол,°; α – угол скольжения,°; θA – наступающий контактный угол,°; θR – отступающий контактный угол,°; θm – микроскопический контактный угол,°; L – макроскопическая длина; Lm – микроскопическая длина; Ca – капиллярное число; U – скорость перемещения линии трехфазного контакта, мм/с; 10

kB – постоянная Больцмана, Дж/К; T – абсолютная температура, К; κ0 – частота равновесия случайных молекулярных смещений, Гц; λ – среднее расстояние каждого смещения, м; h – постоянная Планка, Дж·с; γ – поверхностное натяжение, Н/м; η – динамическая вязкость, Па·с; 𝜉 – коэффициент трения ЛТК, Па·с; Sa – среднее арифметическое высоты, мкм; Sq – среднее квадратичное высоты, мкм; Ssk – асимметрия; Sku – эксцесс; Sdr – уровень развернутой межфазной поверхности, %; Sz – максимальная высота, мкм; Sp – максимальная высота выступов, мкм; Sv – максимальная высота впадин, мкм; Sdq – приращение среднего квадратичного отклонения; d – диаметр кратера, мкм; s – глубина кратера, мкм; h – глубина кратера, мкм; dср – средний арифметический диаметр кратера, мкм; 𝜎̃ – среднеквадратичное отклонение; ∆сл – длина доверительного интервала, мкм; 𝑡𝛼𝑛 – коэффициент Стьюдента; 𝛼 – доверительная вероятность; 𝑠ср – средняя арифметическая глубина кратера, мкм; hср – средняя арифметическая глубина кратера, мкм; 𝜐 – скорость линейного перемещения лазера, мм/с; n – количество линий прохода лазера, мм-1; θуст – установившийся контактный угол,°; 11

a – константа, характеризующая время, за которое контактный угол превысит 50% от установившегося значения, сут.; t – время стабилизации свойств смачиваемости, сут. R2 – коэффициент детерминации; 𝑔 – ускорение свободного падения, м/с2; 𝜌 – плотность, кг/м3; Обозначения и сокращения ЛТК – линия трехфазного контакта МКМ – молекулярно-кинетическая модель ГДМ – гидродинамическая модель СЭМ – сканирующий электронный микроскоп СКУ – статический контактный угол Нормативные ссылки В настоящей работе использованы ссылки на следующие стандарты: 1. ГОСТ 12.2.032-78 ССБТ «Система стандартов безопасности труда. Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие эргономические требования» 2. СанПиН 2.2.2.542-96 «Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам» 3. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» 4. СП 52.13330.2011 «Свод правил естественное и искусственное освещение» 5. СП 52.13330.2016 Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95* 6. ГОСТ 12.1.005-87 «Система стандартов безопасности труда. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования» 12

7. СанПиН 2.2.4.548–96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» 8. ГОСТ 12.0.003-74ССБТ «Система стандартов безопасности труда, опасные и вредные факторы» 9. СанПиН 2.2.4.1191-03 «Физические факторы производственной среды электромагнитные поля в производственных условиях» 10. ГОСТ 12.1.005-88 «Система стандартов безопасности труда» 11. ГОСТ 12.1.045–84 «Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля» 12. СанПиН 2.2.2./2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» 13. РД 39-22-113-78 «Временные правила защиты от проявлений статического электричества» 14. ГОСТ 12.1.030-81ССБТ «Электробезопасность» 15. ГОСТ 12.4.113-82 «Система стандартов безопасности труда» 16. ГОСТ 12.1.009-2016 «Межгосударственный стандарт система стандартов безопасности труда. Электробезопасность.» 17. ГОСТ 17.4.1.02-83 «Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнений» 18. ГОСТ 12.1.007–76ССБТ. «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности» 19. ГОСТ 30772-2001 «Ресурсосбережение. Обращение с отходами. 20. СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений» 21. ГОСТ Р 22.0.01-2016 «Безопасность в ЧС. Защита населения» 13

Содержание ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 17 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СМАЧИВАНИЮ И ПРОЦЕССАМ РАСТЕКАНИЯ МАЛЫХ ОБЪЕМОВ ЖИДКОСТИ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТЕКСТУРИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ...................................................................................................... 18 1.1 Изменение свойств смачиваемости после обработки лазерным излучением .......................................................................................................... 18 1.1.1 Изменение свойств смачиваемости после обработки пикосекундным лазерным излучением......................................................... 23 1.1.2 Изменение свойств смачиваемости после обработки фемтосекундным лазерным излучением ...................................................... 24 1.1.3 Изменение свойств смачиваемости после обработки наносекундным лазерным излучением ......................................................... 27 1.2 Гистерезис контактного угла и динамические контактные углы. Способы определения гистерезиса контактного угла. ................................... 29 1.3 Метод «сидячей капли» ........................................................................... 31 1.4 Теоретические и эмпирические модели ................................................. 32 1.4.1 Гидродинамическая теория ............................................................... 32 1.4.2 Молекулярно-кинетическая теория .................................................. 34 1.4.3 Комбинированные модели ................................................................ 36 1.5 2 Выводы по первой главе .......................................................................... 37 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ................................................................................................ 40 2.1 Обработка поверхности стали одиночным лазерным импульсом ...... 40 2.2 Процедура оценки геометрических размеров элемента текстуры и параметров шероховатости ............................................................................... 41 2.3 Описание экспериментальной установки по исследованию поверхностных явлений (смачивания и растекания малых объемов жидкости). ........................................................................................................... 47 14

2.4 3 Исследование микрорельефа ................................................................... 49 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ .................................................. 50 3.1 Результаты анализа влияния одиночного лазерного импульса на формирование элемента текстуры на поверхности стали ............................. 50 3.2 Инверсия свойств смачиваемости после лазерного текстурирования 56 3.3 Математическое описание гидродинамических процессов в условиях растекания жидкости по текстурированным поверхностям .......................... 59 4 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ....................................................... 69 Введение.............................................................................................................. 69 4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ... 69 4.2 Производственная безопасность ............................................................. 71 4.2.1 Анализ выявленных вредных и опасных факторов ........................ 71 4.2.2 Обоснование мероприятий по снижению воздействия .................. 76 4.3 Экологическая безопасность ................................................................... 77 4.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях .............................................. 79 Выводы по разделу ............................................................................................ 80 5 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ..................................................................................... 81 Введение.............................................................................................................. 81 5.1 Оценка коммерческого потенциала, перспективности и альтернатив проведения НИ с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения ... 81 5.1.1 Описание потенциальных потребителей ............................................ 81 5.1.2 Анализ конкурентных технических решений .................................... 82 5.1.3 SWOT – анализ ...................................................................................... 84 5.2 Планирование и формирование бюджета научных исследований...... 85 5.2.1 Планирование работ ........................................................................... 85 5.2.2 Разработка графика Ганта ................................................................. 86 5.2.3 Формирование бюджета затрат на научное исследование ............ 88 15

5.3 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования .. 93 5.3.1 Определение финансовой эффективности и ресурсоэффективности ................................................................................... 93 Выводы по разделу ............................................................................................ 95 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 97 Список использованных источников ................................................................ 101 16

ВВЕДЕНИЕ Контроль смачивания и процесса растекания малых объемов жидкости на технологических поверхностях является актуальной проблемой в связи с возможностью применения полученных результатов. Например, создание самоочищающихся, противомикробных, антикоррозийных, водонепроницаемых материалов, уменьшение сил трения, сопротивления на поверхности. Исследования в этой области, будут интересны предприятиям занимающимся разработкой оборудования для транспортировки, разделения жидкостей, устройств зондирования, антенн, радаров, в космической отрасли, при конструировании спутников. Лазерное текстурирование – один из перспективных методов создания текстуры на поверхности, позволяющей управлять малыми объемами жидкости. За последние годы ведущими научными учреждениями в области поверхностях явлений ведется поиск обоснования механизма инверсии свойств смачиваемости на различных материалах после лазерного текстурирования. Цель работы установить применимость молекулярно-кинетической и гидродинамической моделей к описанию динамических процессов в условиях растекания капли жидкости по поверхностям стали, текстурированным наносекундным лазерным излучением. Для достижения поставленной цели решались задачи: 1. Изучить современное состояние исследований по теме бакалаврской работы. 2. Определить параметры импульсной наносекундной лазерной обработки. 3. Выявить связи между свойствами смачиваемости, их изменением во времени после обработки лазерным излучением и текстурой поверхности стали. 4. Установить применимость молекулярно-кинетической и гидродинамической моделей к описанию динамических процессов в условиях растекания капли жидкости по поверхностям стали, текстурированным наносекундным лазерным излучением. 17

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СМАЧИВАНИЮ И ПРОЦЕССАМ РАСТЕКАНИЯ МАЛЫХ ОБЪЕМОВ ЖИДКОСТИ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТЕКСТУРИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 1.1 Изменение свойств смачиваемости после обработки лазерным излучением Смачиваемость – свойство, влияющее на различные процессы, такие как коррозия [1], стойкость к биообрастанию, органическим загрязнениям [2,3] или фазовый переход малых объёмов жидкости на поверхностях теплообмена [4,5]. Свойства смачиваемости поверхности характеризуются контактам углом θ и уголом скольжения α. Контактный угол определяется как угол между касательной к окружности, образованной каплей, и поверхностью, на которой расположена капля. При контактном угле (краевом угле) θ > 90° поверхность является гидрофобной, в противном случае она является гидрофильной. Другим свойством поверхности является угол скольжения, который косвенно определяет силу сцепления (адгезии) жидкости и поверхности [6]. Следует отметить, что только в нескольких известных работах угол скольжения измеряется в дополнение к углу контакта. Чаще угол скольжения заменяют гистерезисом контактного угла. Лазерное текстурирование на основе коротких (наносекундных) или ультракоротких (пикосекундных и фемтосекундных) импульсов является одним из способов для изменения топографии поверхности в микро- и наномасштабе. Данный способ позволяет обрабатывать большую площадь материала за относительно короткое время. Отсутствие особых требований, таких как вакуумная среда или химические покрытия вместе с его адаптивностью к различным материалам может способствовать его использованию для изменения свойств смачиваемости металлов [7], полимеров [8], керамики [9] или природного камня [10]. 18

Переход смачиваемости от супергидрофильных к гидрофобным свойствам по мере прохождения времени после лазерной обработки поверхностей металлов, изучалось ведущими научными группами под руководством ученых мирового уровня. Однако, несмотря на это, механизм инверсии свойств смачиваемости после лазерного текстурирования не ясен. Авторы [11,12] утверждают, что оксиды металлов, генерирующиеся при лазерной обработке, способствуют появлению гидрофильных свойств поверхности. Эти оксиды очень активны и имеют тенденцию реагировать с окружающими молекулами неорганических загрязнений с течением времени, уменьшая поверхностную энергию и смачиваемость как следствие [6]. В работах [13,14] предложена гипотеза о том, что шероховатость поверхности является основной причиной изменения смачиваемости, но в работах [15–17] утверждается, что изменение смачиваемости связано с изменением элементного состава поверхности [18]. Большинство известных работ посвящены исследованиям изменения свойств смачиваемости поверхностей металлов после их обработки лазерным излучением в воздушной среде. Однако, известна работа [5], где рассматривается роль атмосферы (окружающей среды) на изменения свойств смачиваемости поверхностей нержавеющей стали в условиях ее обработки лазерным излучением [5]. Исследование влияния среды обработки было разработано путем текстурирования поверхности нержавеющей стали AISI 304 в атмосфере кислорода, воздуха, углекислого газа, азота и аргона. Различия свойств смачиваемости были обнаружены между образцами, обработанными в различных атмосферах, с контактным углом в диапазоне от 30° до 122°. Принимая во внимание, что идентичные значения параметров шероховатости и микротопографии были определены для всех этих поверхностей, субмикроскопические свойства указывали на возможные химические различия между ними. Результаты анализа энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показали изменения в относительных количествах кислорода и азота. Измерения с помощью рентгеновской 19

фотоэлектронной спектроскопии подтвердили наличие разного количества оксидов и нитридов для каждой атмосферы. Изменения контактных углов, измеренных на поверхностях, текстурированных лазерным излучением и хранящихся в различной среде (атмосфер кислорода, воздуха, углекислого газа, азота и аргона), обусловлены изменением элементного состава приповерхностного слоя (в частности доли кислорода и азота). Увеличение доли кислорода и азота в элементом составе приповерхностного слоя приводит к увеличению оксидов и нитридов, которые в свою очередь являются сильно полярными соединениями. С увеличением полярности в поверхностной энергии металла свойства смачиваемости ухудшаются контактный угол на таких поверхностях растет. Можно сделать вывод о том, что лазерная наносекундная обработка поверхности металла и их сплавов позволяет изменить супергидрофильности дорогостоящих свойства и смачиваемости супергидрофобности химических покрытий, которые поверхности без до использования характеризуются не долговечностью. Придать поверхности металла и их сплавам гидрофобные свойства можно различными методами: химическим покрытием, лазерной обработкой, механическим надрезом, химическим травлением. В настоящее время гидрофобность функциональных поверхностей широко используется в различных областях науки и техники: снижение гидравлического сопротивления трубопровода, усиление конденсации жидкости (например, в конденсаторах тепловых электростанций), снижение адгезии льда и, как следствие, поверхность защищена от образования льда и т.д. Создание поверхностей с гидрофобными свойствами с помощью лазерного текстурирования в основном изучается на поверхностях алюминия, меди и стали, а также на поверхностях из различных композиционных материалов. Известно [1,3,4,19,20], что на поверхностях алюминия после лазерной обработки проявляются гидрофобные свойства, характеризующиеся контактными углами от 150° до 176° при угле скольжения 2,3°; на 20

поверхностях стали [21,22] проявляются гидрофобные свойства, характеризующиеся контактными углами от 130° до 160°. Поверхности меди [23–26] после лазерной обработки демонстрируют контактные углы от 148° до 160°. Полученные результаты (контактные углы и углы скольжения) варьируются в зависимости от геометрии рельефа и способов последующей обработки поверхности. Так, например, рельефное текстурирование наносекундным лазерным излучением на поверхности алюминия [23] и последующим низкотемпературным старением при температура порядка 100°С в течении 3-5 часов приводит к гидрофобизации поверхности характеризующейся контактным углом 176° и углом скольжения 6° [5]. В работе [6] проведены исследования по гидрофобизации поверхностей латуни и нержавеющей стали с использованием лазерного оборудования. Одним из эффектов, получаемых при гидрофобизации поверхности, является снижение адгезии ко льду, следовательно, использование гидрофобных поверхностей позволяет снизить интенсивность образования льда на поверхности. Проблема образования льда важна, например, в установках рекуперации воздуха (приточно-вытяжная вентиляция). В такой системе происходит теплообмен между горячим теплым воздухом, удаляемым из помещений, и холодным воздухом, подаваемым в зимнее время. Нагрев холодного воздуха позволяет снизить энергопотребление приточно- вытяжной системы в зимнее время года, повышая тем самым ее эффективность. Однако при охлаждении нагретого воздуха на холодной поверхности теплообмена, изготовленной обычно из оцинкованной стали, происходит конденсация влаги и образование наледи, что, в свою очередь, приводит к уменьшению площади прохода каналов регенератора и увеличению теплового сопротивления поверхности теплообмена. При этом может произойти замерзание вплоть до полной блокировки канала теплопередачи, что приведет к аварийному отключению приточно-вытяжной вентиляции. Возможным решением проблемы является гидрофобизация 21

поверхности теплообменной оцинкованной стали с помощью лазерного текстурирования упорядоченного рельефа [6]. Супергидрофильные поверхности привлекли большое внимание благодаря своим интересным применениям, таким как межклеточные манипуляции [27], теплопередача [28,29], бимолекулярная иммобилизация [28,30], уменьшение сопротивления [28,31] и снижение адгезии льда [32]. Смачиваемость поверхности металла изменяется со временем из-за любого химического воздействия [33] или загрязнение органическими/углеродными материалами при воздействии воздуха Поэтому, [34]. сохранение долговременных супергидрофильных свойств на металлической поверхности является основной задачей при изучении таких поверхностей. Известны методы получения поверхностей металлов с супергидрофильными свойствами, таких как плазменная обработка [35], поверхностные покрытия [36] и химическая или электрохимическая обработка [37]. Эти методы, однако, сложны и включают в себя несколько этапов. Обработка поверхности лазером может быть простой и экологически чистой, и ее можно использовать для сегодняшний день модификации известна различных работа [18] материалов по созданию [38,39]. На стабильной супергидрофильной поверхности металла с использованием простого, экологически чистого и одностадийного процесса. В работе [18] продемонстрирован простой одностадийный метод изготовления стабильной (не менее 6 месяцев) супергидрофильной поверхности с использованием наносекундного лазерного текстурирования поверхности подложки из нержавеющей стали с одновременным осаждением стекла. Благодаря сочетанию изменения шероховатости поверхности, химического состава поверхности и поверхностной энергии долговечность супергидрофильности сохранялась в течение более шести месяцев. С увеличением числа проходов лазерного луча и уменьшением его скорости перемещения по поверхности шероховатость и количество кислорода и диоксида кремния в элементном 22

составе приповерхностного слоя увеличиваются, что приводит к повышению смачиваемости поверхности [18]. 1.1.1 Изменение свойств смачиваемости после обработки пикосекундным лазерным излучением В работе [40] исследовалось – изменение свойств смачиваемости и бактериальной адгезии после пикосекундного лазерного текстурирования поверхности мартенситной нержавеющей стали AISI 420. Такая сталь является наиболее распространенным материалом для медицинских изделий и использовалась в качестве подложек для образцов, которые разрезались до размеров 10 мм (ширина) × 10 мм (длина) × 1 мм (толщина). Полированные образцы сначала очищали в ультразвуковой ванне в среде этанола в течение 10 минут, а затем текстурировали поверхность с помощью пикосекундной лазерной системы. Последняя характеризуется длительностью импульса 10 пс, частотой 400 кГц, длиной волны 515 нм, энергией в импульсе 1 мДж. Текстурирование проводилось в лабораторных условиях с контролируемой температурой 25°C и относительной влажностью 21%. Образец после лазерного текстурирования погружали в 0,01 моль/л раствор стеариновой кислоты (Sigma-Aldrich) при температуре окружающей среды в течение 60 минут и сушили в печи (60°C) в течение 10 минут для достижения супер– гидрофобных свойств. Для изучения антибактериальных свойств были изготовлены три типа образцов: полированная поверхность, поверхности металлов демонстрирующие супергидрофильные и супергидрофобные свойства. Были созданы три типа текстур поверхности: «периодическая рябь», «двумерная иерархическая матрица микровыпуклостей» и «матрица микропитч с текстурированием нанопульсациями». сталь После первоначально обработки показала лазерным гидрофильность с контактным углом θ менее 10°; затем он постепенно приобрел высокую гидрофобность и супергидрофобность с контактным углом более 150°. Утверждается, что эта инверсия смачиваемости обусловлена изменением 23

топографии и химического состава поверхности, вызванных лазерным излучением, из-за изготовления двухмерной иерархической структуры поверхности и рендеринга углеродного образования, что приводит к уменьшению поверхностной супергидрофобные энергии. поверхности Лазерные нержавеющей текстурированные стали будут иметь практическое применение во многих областях, таких как медицинское оборудование, фармацевтическое производство, контейнеры для пищевых продуктов. Лазерно-индуцированные текстуры поверхности на подложках из металлических пресс-форм затем копировались на полипропиленовые подложки литографией под давлением. Контактный угол поверхности полипропилена изменился с 96° до 156°, что указывает на то, что была достигнута супергидрофобная поверхность полипропилена. Этот разработанный процесс имеет потенциал для применения при изготовлении микрофлюидных устройств и потребительских пластмассовых изделий с легкой функцией очистки [40]. Влияние пикосекундного текстурирования на инверсию свойств смачиваемости также изучалось в работе [41]. В этом исследовании регулярные иерархические структуры, состоящие из массивов микростолбцов и различных нанотекстур, были изготовлены на поверхностях нержавеющей стали под воздействием пикосекундного лазерного излучения. После текстурирования поверхности характеризовались контактными углами от 152,3° до 159,7° и сильными адгезионными свойствами, что в основном можно объяснить реализацией состояния Касси на поверхности. Эти результаты продемонстрировали, что на контактные углы и адгезию существенно влияет текстура поверхности. 1.1.2 Изменение свойств смачиваемости после обработки фемтосекундным лазерным излучением Исследовалось [14] изменение свойств смачиваемости после обработки фемтосекундным лазерным излучением. В качестве подложек были 24

использованы листы нержавеющей стали 316L толщиной 1 мм. Лазерные импульсы длиной волны 800 нм, частотой повторения 1 кГц, длительностью импульса 150 фс и максимальной выходной мощностью около 2 Вт использовались для текстурирования образцов. Мощность падающего лазерного луча регулировалась в диапазоне 5–1700 мВт (пиковая плотность потока: 1,5–480 Дж/см2), а диапазон скорости сканирования варьировался от 250 до 1850 мкм/с. Характеристики свойств смачивания текстурированных образцов оценивали по контактному углу. Результаты анализа изображений поверхности образцов, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ-изображения), показали, что геометрические элементы текстуры полученных микро/наноструктур сильно зависят от параметров лазера (мощности, количество импульсов на точку, скорости сканирования и перекрытия). В этом исследовании влияние мощности лазера и скорости сканирования на изменение текстуры поверхности было исследовано путем поддержания постоянного перекрытия сканирования до 50%. Одной из основных целей этой экспериментальной работы было определение текстуры, которая «максимизирует» гидрофобность поверхности. Было исследовано влияние параметров лазера, таких как плотность потока лазера и скорость сканирования, на сгенерированные элементы микро/наноструктуры. Было создано четыре наноструктуры, а именно: «нано-волнистые», «параболические колонны», «удлиненные синусоидальные колонны» и «наноструктуры с тройной шероховатостью». Они были классифицированы в соответствии с коэффициентом интенсивности луча, который связан с плотностью потока лазерного излучения и скоростью сканирования (перемещения). Обнаружено, что коэффициент интенсивности луча монотонно коррелирует с периодом модуляции (периодичность микроструктур). Химическая обработка (силанизация) использовалась для уменьшения поверхностной энергии изготовленных подложек. После процедуры силанизации поверхности демонстрировали контактные углы около 105°. 25

Установлено, интенсивности что луча, в результате контактный увеличения угол коэффициента увеличивается, а гистерезис контактного угла уменьшается. Кроме того, микронеровности покрыты тонким сферическим нано-узором, который называют «тройной шероховатостью» [14]. Такая текстура способствует реализации состояния Касси, либо переходного состояния из Венциля к Касси, а также низкой смачиваемости поверхности и малому гистерезиса контактного угла, что придает поверхности супергидрофобные свойства. В работе [42] использовали поверхности аустенитной нержавеющей стали (AISI 316L) 12 мм × 25 мм и толщиной 0,3 мм. Перед обработкой лазером образцы очищали в ультразвуковой ванне в течение 20 минут в среде ацетона. Для текстурирования образцов использовался сапфировый фемтосекундный лазер с длиной волны 800 нм, длительностью импульса 120 фс, частотой 1 кГц и максимальной непрерывной эквивалентной выходной мощностью 800 мВт. После лазерной обработки зарегистрировано образование двухуровневых иерархических текстур. Определены гистерезис контактного угла и угол скольжения. Гистерезис контактного угла не превышал ∼14°, угол скольжения обработанной ∼7◦. Элементный поверхности состав определен приповерхностного с слоя использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. По результатам анализа установлено увеличение количества углерода и кислорода, возможно, из-за абляции и образования оксида. Уменьшение количества Fe указывает на образование оксидов железа. Чтобы установить влияние лазерной обработки на различные материалы, была проведена серия экспериментов с алюминием (Al6061) и карбидом вольфрама. Al6061 - это широко используемый материал во многих отраслях промышленности, а карбид вольфрама - это материал, используемый для изготовления поверхностей режущих инструментов. До лазерного текстурирования поверхность 26 алюминия характеризовалась

контактным углом порядка 76°. После лазерной обработки контактный угол увеличился до 160°. Контактный угол для не текстурированного карбида вольфрама не превышал 75°. После лазерной обработки контактный угол в увеличился до 147°. Эти результаты указывают на то, что гидрофобность не зависит от материала, а гидрофобное поведение поверхности обусловлено образованием двухуровневых иерархических текстур. После начальных измерений контактного угла было выполнено многократное смачивание/удаление влаги с поверхности образца. Обнаружено, что контактный угол остается в пределах 10° от исходного значения до тех пор, пока не достигнет состояния Венциля. После этого происходит быстрое ухудшение гидрофобных свойств (контактный угол приблизительно на 30° меньше первоначального значения). Состояние Венциля достигается из-за гидростатического давления, при дозировании капли большого объема (50 мкл и более), или погружении образца на 10 см под воду на продолжительный период времени. Однако, после испарения всей влаги, гидрофобные свойства восстанавливаются, и значения контактного угла возвращаются к исходным. Установлено, что по истечению 20 дней хранения образцов на открытом воздухе гидрофобные свойства не меняются [42]. 1.1.3 Изменение свойств смачиваемости после обработки наносекундным лазерным излучением Большинство известных работ опираются на дорогостоящие и сложные (фемто-/пико-секундные) лазеры [7,14,42–47]. Для этих лазеров энергия импульса является относительно низкой, поэтому для создания модификации поверхности требуется высокое перекрытие импульсов, и, следовательно, скорость обработки низкая. Для реальных промышленных применений важна возможность создания супергидрофобных поверхностей металла с использованием компактных, надежных и экономически эффективных альтернатив с быстрым временем обработки, таких как наносекундные 27

лазеры. Медь и латунь широко используются для электронных компонентов и промышленных устройств из-за их высокой теплопроводности. Однако на них легко влияют условия окружающей среды, такие как высокая влажность, приводящая к коррозии. Обнаружено, что эти проблемы могут быть предотвращены на этих материалах путем создания супергидрофобной поверхности [48]. В статье [48] описан способ придания супергидрофобных свойств поверхностям меди и латуни, текстурированных наносекундным лазерным излучением. После лазерной обработки поверхности становятся гидрофильными, однако смачиваемость поверхности со временем снижается, о чем свидетельствует увеличение контактного угла. Первое измерение было сделано после того, как образцы были оставлены в условиях окружающей среды в течение 3 дней. Контактный угол имеет высокий темп роста в течение первых 10 дней, который затем замедляется до постепенного роста, прежде чем, достигнет устойчивого состояния. Устойчивое состояние было достигнуто через 11 дней для образцов меди с латунным текстурированных при 75 и 55 Дж/см2. Однако для меди, текстурированной при 93 Дж/см2, потребовалось гораздо больше времени, примерно 30 дней [17]. Установлено, супергидрофобными наносекундного что поверхности с помощью лазерного меди и латуни компактного текстурирования. и могут стать экономичного Гидрофильное свойство обусловлено высокой шероховатостью поверхности образованной лазерным изучением. Однако эта роль морфологии (шероховатости) поверхности изменяется со временем, что приводит к тому, что поверхности становятся супергидрофобными. Изменение смачиваемости связано с изменением элементного состава поверхности, в которой частичное окисление оксида меди до диоксида меди может являться ключевым фактором. Контактный угол в устойчивом состоянии не превышает 152°, а гистерезис 4°. Обнаружено, что супергидрофобные поверхности проявляют самоочищающиеся свойства и демонстрируют потенциал для применения в жидких химических сенсорах. 28

В статье [49] получены супергидрофобные поверхности на подложках из алюминия, нержавеющей стали, титанового сплава и меди путем наносекундного лазерного текстурирования и модификации фторалкилсиланом. Результаты показали, что скорость, частота и мощность лазерного излучения оказывают большое влияние на создаваемые элементы микроструктуры образцов. На поверхностях, подвергнутых лазерному текстурированию, текстуры были сформированы микромасштабные элементы (кратеры). Глубина кратера увеличивалась с увеличением мощности из-за высокой энергии лазера. Кроме того, из-за высокой температуры металлические капли разбрызгивались по поверхности, что приводило к более сложным микроструктурам. Увеличение частоты уменьшало энергию одного импульса, но увеличивало количество импульсов в единицу времени. Таким образом, распределение кратеров становилось более плотным, а поверхность имела более волнистые структуры. После текстурирования и модификации фторалкилсиланом эти поверхности характеризовались контактным углом более 160° [49]. 1.2 Гистерезис контактного угла и динамические контактные углы. Способы определения гистерезиса контактного угла. Согласно закону Юнга косинус контактного угла можно выразить через поверхностные и межфазные натяжения. Однако в действительности существует ряд дополнительных факторов, таких как адсорбция загрязнений на поверхности, ее химической неоднородность и другие факторы, которые способствуют формированию нескольких устойчивых контактных углов, отличных по значению от равновесного. Это явление называется гистерезисом контактного угла. Определить значение гистерезиса можно, измерив, динамические контактные углы: наступающий и отступающий. Наступающий контактный угол (θA ) это максимальное значение контактного угла, достигаемого перед началом движения контактной линии в сторону газовой фазы. Отступающий 29

угол (θR ) это минимальный угол перед началом движения контактной линии в сторону жидкой фазы. Статический угол принимает определенное значение в интервале θR ≤ θS ≤ θA . На практике численное значение гистерезиса получают из разности между наступающим и отступающим углами неподвижной контактной линии (рис.1.1). Рисунок 1.1 – Зависимость динамического контактного угла от скорости перемещения линии трехфазного контакта. При U > 0 линия наступающая, при U < 0 – отступающая [50] По результатам рассмотренных публикаций гистерезис контактного угла на металлах обработанных наносекундным лазерным излучением составил 3–4° [17], на металлах обработанных фемтосекундным лазерным излучением составлял 5–14° [42], и на металлах обработанных пикосекундным лазерным излучением 3° [51]. Таким образом, по величине гистерезиса контактного угла можно оценить гладкость и химическую однородность поверхностей. Например, поверхность является гладкой и ровной, если гистерезис θA − θR ≤ 5° [52]. Известно, что супергидрофобные поверхности характеризуются большими значениями динамического контактного 30 угла и малым значением

гистерезиса, за счет чего ослабляются силы пиннинга. Это позволяет капле воды беспрепятственно перемещаться по такой поверхности. 1.3 Метод «сидячей капли» Наиболее распространенным методом дозирования капли является метод «сидячей капли» (рис.1.2). Используя шприц, игла которого находится в объеме капли над подложкой, либо посредством шприцевого насоса при подаче жидкости через отверстие в исследуемой подложке каплю помещают на горизонтальную поверхность. Данный метод является достаточно простым и обладает хорошей точностью получения динамических контактных углов. Рисунок 1.2 – Способ получения наступающей (а,в) и отступающей (б,г) контактной линии методом сидячей капли Для реализации данного метода в ряде экспериментальных исследований применялся шприцевой насос. Метод обладает рядом преимуществ: возможность контролировать начальный объем капли и увеличивать его после формирования капли. Наиболее важной особенностью метода является отсутствие столкновения капли с поверхностью, что позволяет исключить из рассмотрения динамику этого процесса. 31

1.4 Теоретические и эмпирические модели Существует несколько подходов для описания процесса смачивания. Первый подход основан на молекулярно-кинетической теории. В его рамках смачивание рассматривается с точки зрения кинетики молекулярных процессов, происходящих на линии трехфазного контакта [52–54]. В основе второго подхода лежит гидродинамика. В её рамках рассматривается влияние вязких напряжений на изменение краевого угла при движении трехфазной линии контакта [55–59]. Строго говоря, ни гидродинамическая, ни молекулярно-кинетическая теория не являются теорией. Это конкретные модели, основанные на более широких теоретических системах: с одной стороны, гидромеханика, с другой - кинетическая теория жидкостей. 1.4.1 Гидродинамическая теория Гидродинамическая теория, основывается на принципе: изменения динамического контактного угла, последнее объясняются вязким изгибом границы раздела “жидкость-газ” в мезоскопической области ниже зоны наблюдения. Обычно предполагается, что микроскопический угол θm определяется межмолекулярными силами ближнего действия и сохраняет свое статическое значение θs , хотя в качестве способа определения θm также предложены эмпирические зависимости между θm и U. Таким образом, в рамках этой гидродинамической модели имеются три соответствующие шкалы величин (рис. 1.3). 32

Рисунок 1.3 – Вязкое изгибание на мезомасштабах для движущейся контактной линии [60] Классический гидродинамический подход к описанию потока вблизи движущейся линии смачивания не приводит к физически приемлемому решению. Из-за конфликта между движущейся контактной линией и обычным граничным условием скольжения между жидкостью и твердым телом напряжения на линии смачивания не ограничены, и сила, оказываемая жидкостью на твердое тело, становится бесконечной [61]. Вязкое изгибание становится важным только в мезомасштабах. Макроскопический динамический контактный угол затем определяется путем экстраполяции статической границы раздела к твердой поверхности. Формула, описывающая изменение динамического угла контакта из-за вязкого изгиба границы раздела “жидкость-газ” (рис. 1.3), может быть записана через капиллярное число: θ3D − θ3m = 9Caln ( L ) , θm = θs , θD < 3π⁄4, Lm (1.1) где L и Lm – соответственно выбранные макроскопические и микроскопические шкалы длины соответственно, Ca = Uη γ – капиллярное число, θm – микроскопический угол, θD – динамический контактный угол. 33

Некоторые авторы, в том числе Войнов [62], признают, что θm может зависеть от скорости. Однако, за исключением случая смачивания пленкойпредшественником, нет прямых экспериментальных свидетельств вязкого изгиба до степени, необходимой для объяснения широкой зависимости динамического контактного угла от скорости. 1.4.2 Молекулярно-кинетическая теория Другой подход основан на представлении о переносе жидкости как процесса изменения молекулярной скорости с изменением напряжения. Этот подход исключает рассеяние из-за вязкого потока и вместо этого сосредотачивается на том, что происходит в непосредственной близости от движущейся ЛТК вследствие процесса прикрепления или отрыва частиц жидкости (молекул) к или от твердой поверхности (рис. 1.4). Рисунок 1.4 – Динамическое смачивание по молекулярно-кинетической теории [60] Согласно этой второй модели, каналом диссипации является динамическое трение, связанное с движущейся контактной линией. Кроме того, контактный угол зависит от скорости и идентичен наблюдаемому в эксперименте углу, то есть θD = θm . Таким образом, есть только две шкалы 34

величин: молекулярная шкала, где происходит диссипация, и макроскопическая шкала, где видны ее эффекты. Этот подход обычно называют молекулярно-кинетической теорией. Согласно противоположной точке зрения, представленной молекулярнокинетической теорией, движение линии контакта определяется статистической динамикой молекул в трехфазной зоне, где встречаются твердая, жидкая и газовая фазы (рис. 1.4). В молекулярном масштабе эта зона имеет конечный размер, сравнимый с толщиной границ ее компонентов, но в модели она не указана. Основными параметрами являются κ0, частота равновесия случайных молекулярных смещений, происходящих в трехфазной зоне, и λ, среднее расстояние каждого смещения. Зависимость динамического угла контакта от скорости обусловлена нарушением адсорбционных равновесий и, следовательно, изменением локальных поверхностных натяжений при смачивании. Таким образом, движущая сила движения контактной линии в заданном направлении равна несбалансированной силе поверхностного натяжения, которая возникает при нарушении равновесия: FW = γ (cosθS - cosθD). В этом случае предполагается, что λ - расстояние между областями адсорбции на твердой поверхности. Уравнение скорости движения линии трехфазного контакта тогда: U = 2k 0 λsinh[γ(cosθs − cosθD ) λ2 ⁄2k B T], (1.2) где kB – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, κ0 – частота равновесия случайных молекулярных смещений, λ – среднее расстояние каждого смещения, h – постоянная Планка, γ – поверхностное натяжение, θs – статический контактный угол, θD – динамический контактный угол. Предполагается, что энергия, создаваемая потоком, увеличивает движущую силу FW поверхностного натяжения посредством напряжения сдвига, действующего в трехфазной зоне. Тем не менее, этот упрощенный подход несовершенен, поскольку в нем сочетаются концепции из двух совершенно разных теоретических основ. Хотя молекулярно-кинетическая 35

теория была впервые разработана вокруг простой адсорбционно- десорбционной модели рассеяния энергии в трехфазной зоне, с самого начала был предусмотрен широкий спектр альтернативных процессов с активированной скоростью [60]. 1.4.3 Комбинированные модели Несмотря на принципиальные различия, как гидродинамическая, так и молекулярно-кинетическая модели достаточно эффективны для описания динамического контактного угла. Однако, как трение на линии смачивания, так и вязкое рассеяние играют определенную роль в определении динамического контактного угла. Авторы [63] сформулировали интегрированную теорию простым способом объединения уравнений (1.1) и (1.2), используя (1.2) для предоставления значения θm в (1.1), получили уравнение с тремя регулируемыми параметрами, λ, κ0 и ln(L/Lm ). Аппроксимация кривой с этим уравнением оказалась успешной, давая лучшее согласие с экспериментальными данными, чем только (1.1) или (1.2), особенно для отступающих линий смачивания и малых контактных углов. Аналогичные результаты были получены другими [64,65]. Авторы [66] использовали другой подход. Рассматривая динамическое смачивание как необратимый процесс, скорость рассеивания энергии на единицу длины линии смачивания является произведением потока U и несбалансированной силы поверхностного натяжения γ(cosθs − cosθD ). Если затем предположить, что полное рассеяние энергии включает в себя вязкие потери в (тонком) слое жидкости рядом с движущейся линией смачивания плюс потери из-за трения на линии смачивания, то, используя упрощенные аргументы, получено: U= γ(cosθs − cosθD ) , L 6η 𝜉 + ln ( ) Lm θD (1.3) где θs – статический контактный угол, θD – динамический контактный угол, γ – поверхностное натяжение, длины L и Lm вместе с углом θD 36

определяют слой жидкости, в котором происходит вязкое рассеяние. Длина L характеризует размер слоя, а Lm – молекулярный предел, где механика сплошной среды нарушается, η – динамическая вязкость, 𝜉 = kB T k0 λ 3 – коэффициент трения по линии смачивания. Поскольку угол слоя θD находится в знаменателе вязкого слагаемого, вязкая диссипация доминирует под малыми углами. Используя немного другой метод, авторы [67] вывели уравнение, аналогичное уравнению (3) для растекающейся капли. Их анализ показывает, что режим трения смачивающей линии предшествует режиму вязкости, который становится доминирующим только тогда, когда угол контакта становится небольшим. Объединив, таким образом, молекулярно-кинетическую и гидродинамическую модели, установлено, что реальная физика движущейся линии смачивания, является более сложной, чем можно предположить по отдельным моделям. Тем не менее, комбинация является по существу феноменологической, и существует риск чрезмерной параметризации с последующим отсутствием устойчивости в установленных значениях. Кроме того, объединенные уравнения остаются ограниченными для потока при капиллярных числах <0,1. Хотя они могут быть полезны для количественной оценки сравнительно медленных событий смачивания, таких как распространение капель и капиллярный поток, уравнения могут иметь лишь предельное значение при прогнозировании результатов высокоскоростных процессов смачивания, таких как сплошное полотно или волокнистое покрытие, где Ca > 1 [68]. 1.5 Выводы по первой главе По результатам проведенного обзора литературы, посвященной исследованию смачивания и растекания малых объемов жидкости по текстурированным поверхностям, установлено, что механизм инверсии свойств смачиваемости после лазерного текстурирования на данный момент остается не изучен на достаточном уровне. Существует несколько гипотез. 37

Первая гипотеза гласит, что оксиды металлов, генерирующиеся при лазерной обработке, очень активны и имеют тенденцию реагировать с окружающими молекулами с течением времени, уменьшая поверхностную энергию и смачиваемость как следствие. Вторая гипотеза, что основной причиной изменения смачиваемости поверхности является шероховатость. Существует и третья гипотеза, что изменение смачиваемости связано с изменением элементного состава поверхности. Стабильные супергидрофобные и супергидрофильные поверхности могут быть созданы с использованием пикосекундной, фемтосекундной и наносекундной и лазерной обработки. Изготавливают такие поверхности чаще всего из материалов, хорошо зарекомендовавших себя в производстве, таких как нержавеющая сталь, медь и алюминий. Метод нанесения микроструктуры лазерным излучением имеет достоинства: это бесконтактный, не требующий серьезных капиталовложений метод, который легко использовать, можно получить широкий диапазон текстур (ограничен только параметрами лазерной установки), можно получать текстуры на разных материалах. Установлено, что формированию нескольких устойчивых контактных углов способствуют такие дополнительные факторы как адсорбция загрязнений на поверхности, ее химической неоднородность и другие. Это явление называется гистерезисом контактного угла. По величине гистерезиса контактного угла оценивают гладкость и химическую однородность поверхностей. Известно, что супергидрофобные поверхности характеризуются большими значениями динамического контактного угла и малым значением гистерезиса. Рассмотрено несколько моделей для описания процесса смачивания. Одна из которых основана на молекулярно-кинетической теории, в которой смачивание рассматривается с точки зрения кинетики молекулярных процессов, происходящих на линии трехфазного контакта. Другая модель основана на гидродинамике, здесь 38 рассматривается влияние вязких

напряжений на изменение краевого угла при движении трехфазной линии контакта. Установлено, что реальный процесс движения линии трехфазного контакта, является более сложным, чем можно предположить по отдельным моделям, поэтому, были созданы другие теоретические и эмпирические модели, например комбинированные и иные, не рассмотренные в данном обзоре. Таким образом, можно сделать вывод: изучение процессов смачивания и растекания малых объемов жидкости по текстурированным лазерным излучением поверхностям стали является перспективным и актуальным направлением научных исследований. 39

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Настоящая глава содержит описание процесса нанесения текстуры наносекундным лазерным излучением. Описана процедура оценки геометрических размеров элемента текстуры и параметров шероховатости. Приведено описание экспериментальной установки по исследованию поверхностных явлений. Описан метод исследования микроструктуры рельефа. 2.1 Обработка поверхности стали одиночным лазерным импульсом Воздействие лазерного луча на поверхность стали ASTM A 240/ A 240M 430 (Fe 82.701, C 0.046, Si 0.38, Mn 0.36, P 0.029, S 0.003, Ni 0.22, Cr 16.23, N 0.031 in wt %) проводилось в воздушной среде при температуре 2223°С, атмосферном давлении, относительной влажности 40–45% иттербиевым наносекундным импульсным волоконным лазером IPGPhotonics с длинной волны 1064 нм. Во время обработки подложка находилась на расстоянии 0,25 м от объектива лазера размером 110х110 мм. Последний с помощью двухосевого гальваносканера перемещался в двух направлениях, параллельных относительно обрабатываемой поверхности. Одиночный лазерный импульс, падающий на полированную поверхность стали, соответствующий гауссовому профилю M2<2, фокусировался в пятно диаметром 60 мкм. Воздействие лазерного луча на поверхность стали осуществлялось при фиксированной энергии в импульсе 1 мДж (мощность 20 Вт) в моде TEM00, частоте 20 кГц, времени воздействия 200 нс лазерного излучения. При фиксированных энергии в импульсе, частоты, времени воздействия лазерного излучения, получено три элемента текстуры (кратера). 40

2.2 Процедура оценки геометрических размеров элемента текстуры и параметров шероховатости Оценка геометрических размеров элемента текстуры проведена по результатам анализа двумерных и трехмерных изображений, используя программное обеспечение MountainsMap. Данные получены с помощью профилометрического комплекса «Micro Measure 3D station», который используется для измерения геометрических линейных величин, из которых формируются профили и топологии поверхности исследуемого образца. Двумерное изображение образца поверхности стали, представлено на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 – Двухмерное изображение образца поверхности стали Полученное изображение подвергалось процедуре “выравнивание по трем точкам”. Целью выравнивания являлось расположение образца поверхности параллельно плоскости однотонность цвета на рисунке 2.2. 41 XY, о чем свидетельствует

Рисунок 2.2 – Двухмерное изображение образца поверхности стали после процедуры выравнивания После процедуры выравнивания удалялись ошибочные точки с поверхности, наличие которых определялось по изменению координаты по оси Z. Полученные изображения представлены на рисунках 2.3 – 2.4. Рисунок 2.3 – Двухмерное изображение образца поверхности стали после процедуры “удаление ошибочных точек” (нумерация кратеров слева направо) 42

Рисунок 2.4 – Трехмерное изображение образца поверхности стали после процедуры “удаление ошибочных точек” После применения процедуры “удаление ошибочных точек”, для образца поверхности стали с элементами текстуры определены параметры шероховатости приведенные в табл. 2.1 – 2.2. Таблица 2.1 – Параметры высоты Параметр Значение ед.изм. Sq 0.6371 мкм Ssk –1.342 – Sku 7.430 – Sp 2.774 мкм Sv 2.857 мкм Sz 5.631 мкм Sa 0.3510 мкм Таблица 2.2 – Гибридные параметры Параметр Значение ед.изм. Sdq 0.2279 – Sdr 2.402 % Параметры Sa и Sq характеризуют общие амплитудные свойства поверхности, но не позволяют различать выступы и углубления. Параметр Sa используется для оценки отклонения от молекулярно-гладкой поверхности. Параметры асимметрии Ssk и эксцесса Sku характеризуют симметрию высот неровностей относительно средней плоскости. Параметр Sdr характеризует приращение характеризует относительной высоту площади неровностей. 43 поверхности. Параметр Sp Параметр Sz характеризует

максимальные значения выступов. Параметр Sv характеризует максимальные углубления. Параметр Sdq характеризует приращение среднего квадратичного отклонения. Оценка геометрических размеров и параметров шероховатости проведена в области с кратером размером 130х130мкм. Стоить отметить, что область анализа кратера была одинакова в каждой серии экспериментов. Полученные двухмерное и трехмерное изображения первого кратера представлены на рисунках 2.5 – 2.6. Рисунок 2.5 – Двухмерное изображение первого кратера Рисунок 2.6 – Трехмерное изображение первого кратера 44

Определены параметры шероховатости для образца поверхности стали с первым кратером (табл. 2.3 – 2.4). Таблица 2.3 – Параметры высоты Параметр Значение ед.изм. Sq 0,8633 мкм Ssk –0,8741 – Sku 3,919 – Sp 2,802 мкм Sv 2,673 мкм Sz 5,475 мкм Sa 0,5968 мкм Таблица 2.4 – Гибридные параметры Параметр Значение ед.изм. Sdq 0,3167 – Sdr 4,580 % Основные измеряемые геометрические размеры элемента текстуры: диаметр кратера, толщина кромок, средняя глубина впадины. Данные размеры кратера оценивались на профиле, полученном по сечениям (рис. 2.7). Рисунок 2.7 – Двумерное изображение первого кратера с расположением проведенных сечений Замер диаметра проводился от вершин кромок кратера. Пример измерения представлен на рисунке 2.9. 45

Рисунок 2.9 – Измерение диаметра кратера по профилю Пример замера толщины кромок представлен на рисунке 2.10. Рисунок 2.10 – Измерение толщины кромок кратера по профилю Пример замера средней глубины впадины представлен на рисунке 2.11. Рисунок 2.11 – Измерение средней глубины кратера по профилю 46

Последующие сечения обрабатывались аналогичным образом. По каждому кратеру проводилось пять измерений каждого геометрического размера, что позволило отбросить промахи и грубые погрешности. 2.3 Описание экспериментальной установки по исследованию поверхностных явлений (смачивания и растекания малых объемов жидкости). Изучение процессов смачивания и растекания жидкости на текстурированных поверхностях стали проводились с использованием экспериментального стенда, принципиальная схема которого, представлена на рисунке 2.12. Рисунок 2.12 – Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 – высокоточный шприцевой насос; 2 – подложка; 3 – гониометр; 4 – источник плоскопараллельного света; 5 – высокоскоростная камера; 6 – фотокамера; 7 – светоделитель; 8 – источник направленного света; 9 – световой матовый фильтр; 10 – поляризационный фильтр. Экспериментальная установка состоит из высокоточного электронного шприцевого насоса 1, с помощью которого с нижней стороны подложки 2 дозировалась капля дистиллированной воды объемом 30 мкл через отверстие диаметром 0,3 мм. Малый размер 47 отверстия позволял исключить

самопроизвольное перетекание жидкости из канала при отключении насоса. На электронном насосе настраивался режим работы (последовательно сменяющие друг друга циклы нагнетания и откачки), объем и расход (10, 50, 100 и 600 мкл/мин) подаваемой жидкости, при изменении которого изменялась скорость перемещения линии трехфазного контакта. Подложка, с помощью болтового соединения и металлических шайб устанавливается на гониометре 3, который служит для выравнивания поверхности относительно горизонта в двух плоскостях. Установка также включает в себя оптическую теневую систему. Световой поток от источника 4 преобразовывался в плоскопараллельный свет, освещавший каплю на подложке. Видеосъемка теневого изображения капли проводилась высокоскоростной камерой 5 через световой фильтр 10. Последний позволяет при съемке убирать блики от воды. Для контроля формы капли использовалась фотокамера 6 и светоделитель 7. Последний изменяет направление света под прямым углом, что позволяет установить фотокамеру горизонтально для удобства работы с ней. В качестве дополнительного источника освещения рабочей зоны использовался источник направленного света 8 через матовый фильтр 9, который препятствовал образованию бликов на полированной подложке. По полученным теневым изображениям с помощью программного обеспечения DropShapeAnalysis методами “тангенциальным 1” и “ЮнгаЛапласа” определялись геометрические параметры капли (контактный угол (θ), диаметр (d) и высота (h)). Погрешности измерений вычислялись по результатам проведенных несколько раз в идентичных условиях экспериментов. Выполнялось от трех до шести экспериментов при фиксированных значениях исследуемых факторов. Определялись средние значения статических и динамических контактных углов, скорости перемещения контактной линии и диаметра растекания капли и их среднеквадратические отклонения. Погрешность измерения статических контактных углов не превышала 3%, динамических – 5 %, 48

скорости перемещения контактной линии и диаметра растекания капли – 3 %. 2.4 Исследование микрорельефа Микрорельеф образцов исследовался с помощью и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Hitachi S-3400N (рис.2.13). 49

3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 3.1 Результаты анализа влияния одиночного лазерного импульса на формирование элемента текстуры на поверхности стали Установлено, что при падении одиночного лазерного луча на поверхности стали формировался элемент текстуры (кратер) в форме близкой к чашеобразной (рис.3.1). Рисунок 3.1 – Фотоизображение элемента текстуры. Энергия импульса 1 мДж, частота 20 кГц, время воздействия 200 нс В соответствии с разработанной процедурой “оценки геометрических размеров элемента текстуры и параметров шероховатости” приведенной в пункте 2.2 выполнен анализ влияния одиночного лазерного импульса на формирование элемента текстуры на поверхности стали. Результаты анализа по кратерам №1–3 приведены в таблицах 3.1 – 3.3. Таблица 3.1 – Измеренные параметры кратера №1 Геометрический размер Диаметр d, мкм Толщина кромок s,мкм Номер измерения 2 90,74 17,33 1 92,58 20,74 50 3 90,73 24,39

Средняя глубина кратера h,мкм 15,18 21,83 18,62 2,303 2,378 2,154 Таблица 3.2 – Измеренные параметры кратера №2 Геометрический размер Диаметр d, мкм Толщина кромок s,мкм Средняя глубина кратера h,мкм Номер измерения 2 90,02 14,92 16,04 1 90,44 16,04 13,68 2,358 2,244 3 87,65 18,16 18,16 2,245 Таблица 3.3 – Измеренные параметры кратера №3 Геометрический размер Диаметр d, мкм Толщина кромок s,мкм Средняя глубина кратера h,мкм Номер измерения 2 91,09 11,76 20,10 1 93,01 19,03 11,33 2,278 2,276 3 90,42 21,38 18,38 2,250 Выполнен расчет погрешности измерений диаметра для кратера №1. Средний арифметический диаметр [69]: ∑𝑛𝑖=1 𝑑𝑖 𝑑ср = , мкм, 𝑛 92,58 + 90,74 + 90,73 𝑑ср = = 91,35 мкм. 3 Расчет среднеквадратичного отклонения [69]: 2 ∑𝑛𝑖=1(𝑑ср − 𝑑𝑖 ) √ , 𝜎̃ = 𝑛(𝑛 − 1) (91,35 − 92,58)2 + (91,35 − 90,74)2 + (91,35 − 90,73)2 = 0,615. 𝜎̃ = √ 3(3 − 1) Длина доверительного интервала для многократных измерений [69]: ∆𝑑сл = 𝑡𝛼𝑛 ∙ 𝜎̃, где 𝑡𝛼𝑛 – коэффициент Стьюдента, табличное значение для доверительной вероятности 𝛼 = 0,95 [69]: 51

𝑡𝛼𝑛 = 4,3, тогда Диаметр кратера №1: ∆𝑑сл = 4,3 ∙ 0,615 = 2,645 мкм. 𝑑 = 91,35 ± 2,645 мкм. Расчет погрешности измерений толщины кромок для кратера №1: Средняя арифметическая толщина кромок [69]: ∑𝑛𝑖=1 𝑠𝑖 𝑠ср = , мкм, 𝑛 20,74 + 15,18 + 17,33 + 21,83 + 24,39 + 18,62 = 19,682 мкм. 𝑠ср = 6 Расчет среднеквадратичного отклонения [69]: 2 ∑𝑛𝑖=1(𝑠ср − 𝑠𝑖 ) √ , 𝜎̃ = 𝑛(𝑛 − 1) (19,682 − 20,74)2 + (19,682 − 15,18)2 + (19,682 − 17,33)2 + √ +(19,682 − 21,83)2 + (19,682 − 24,39)2 + (19,682 − 18,62)2 𝜎̃ = = 6(6 − 1) = 1,352. Длина доверительного интервала для многократных измерений [69]: ∆𝑠сл = 𝑡𝛼𝑛 ∙ 𝜎̃, где 𝑡𝛼𝑛 – коэффициент Стьюдента, табличное значение для доверительной вероятности 𝛼 = 0,95 [69]: 𝑡𝛼𝑛 = 2,57, тогда ∆𝑠сл = 2,57 ∙ 1,352 = 3,474 мкм. Толщина кромок кратера №1: 𝑠 = 19,682 ± 3,474 мкм. Расчет погрешности измерений средней глубины для кратера №1. Средняя арифметическая глубина [69]: ℎср ∑𝑛𝑖=1 ℎ𝑖 , мкм, = 𝑛 52

ℎср = 2,303 + 2,378 + 2,154 = 2,278 мкм. 5 Расчет среднеквадратичного отклонения [69]: 2 ∑𝑛𝑖=1(ℎср − ℎ𝑖 ) √ , 𝜎̃ = 𝑛(𝑛 − 1) (2,246 − 2,303)2 + (2,246 − 2,378)2 + (2,246 − 2,154)2 = 0,066. 𝜎̃ = √ 3(3 − 1) Длина доверительного интервала для многократных равноточных измерений [1]: ∆ℎсл = 𝑡𝛼𝑛 ∙ 𝜎̃, где 𝑡𝛼𝑛 – коэффициент Стьюдента, табличное значение для доверительной вероятности 𝛼 = 0,95 [69]: тогда 𝑡𝛼𝑛 = 4,3, ∆ℎсл = 4,3 ∙ 0,066 = 0,283 мкм. Средняя глубина кратера №1: ℎ = 2,278 ± 0,283 мкм. Расчет погрешностей для кратеров №2–3 проводился аналогичным образом. Результаты расчетов погрешностей для кратеров №1–3 представлены в таблице 3.4–3.6. Таблица 3.4 – Результаты расчетов погрешностей для кратера №1 Геометрический размер Значение ед.изм. Диаметр Толщина кромок Средняя глубина 91,35 ± 2,645 мкм 19,682 ± 3,474 мкм 2,278 ± 0,283 мкм Диаметр Толщина кромок Средняя глубина 89,37 ± 3,735 мкм 16,167 ± 1,86 мкм 2,282 ± 0,163 мкм Таблица 3.5 – Результаты расчетов погрешностей для кратера №2 Геометрический размер Значение ед.изм. 53

Таблица 3.6 – Результаты расчетов погрешностей для кратера №3 Геометрический размер Значение ед.изм. Диаметр Толщина кромок Средняя глубина 91,507 ± 3,337 мкм 16,997 ± 2,632 мкм 2,268 ± 0,039 мкм В результате оценки геометрических размеров элементов текстуры определено, что при падении одиночного лазерного луча на поверхности стали формировался кратер, средние значения геометрических размеров которого представлены в таблице 3.7. Таблица 3.7 – Средние геометрические размеры кратера Геометрический размер Значение ед.изм. Диаметр Толщина кромок Средняя глубина 90,7 ± 3,2 мкм 17,6 ± 2,7 мкм 2,3 ± 0,2 мкм Полученное значение диаметра позволило определить скорость линейного перемещения лазерного луча и количество линий прохода на 1 мм, что способствовало впоследствии сформировать текстуры, образованные совокупностью отдельных элементов (кратеров). При фиксированных энергии в импульсе, частоты, времени воздействия лазерного излучения, скорости линейного перемещения 𝜐 равной 1269,8 мм/с и количество линий прохода луча n равное 15 мм-1, сформирована текстура (Образец №1), при условии 30 % наложения светового пятна (рис. 3.2 (а)). При скорости линейного перемещения 𝜐 равной 725,6 мм/с и количество линий прохода луча n равное 27 мм-1, сформирована текстура (Образец №2), при условии 60 % наложения светового пятна (рис. 3.2 (б)). При скорости линейного перемещения 𝜐 равной 1814 мм/с и количество линий прохода луча n равное 11 мм-1, сформирована текстура (Образец №3) с расстоянием между кратерами равном одному диаметру (рис. 3.2 (в)). 54

При скорости линейного перемещения 𝜐 равной 3628 мм/с и количество линий прохода луча n равное 5 мм-1, сформирована текстура (Образец №4) с расстоянием между кратерами равном двум диаметрам (рис. 3.2 (г)). (а) (б) (в) (г) Рисунок 3.2 – Микротекстура поверхностей: а – образец №1, б – образец №2, в – образец №3, г – образец №4 В соответствии с разработанной процедурой “оценки геометрических размеров элемента текстуры и параметров шероховатости” приведенной в пункте 2.2 определены параметры шероховатости полученных текстур, приведенные в таблице 3.8. 55

Таблица 3.8 – параметры шероховатости образов №1–4 № образца 1 2 3 4 Sa, мкм 2,317 2,531 1,619 1,534 Установлено, что образцы, Sz, мкм 16,266 17,599 14,28 12,94 сформированные в условиях соприкасающихся кратеров и с расстоянием между кратерами равным двум диаметрам кратера, классифицируются как упорядоченные текстуры. Образцы, сформированные при условии 30% и 60% наложения светового пятна, классифицируются как анизотропные текстуры. Величина параметра Sz, характеризующего максимальную высоту неровностей профиля, у анизотропных и упорядоченных текстур увеличиваются в последовательности поверхностей №4–№3–№1–№2. Параметр Sa, характеризующий общие амплитудные свойства поверхности, увеличивается в аналогичной последовательности. 3.2 Инверсия свойств смачиваемости после лазерного текстурирования Смачивание поверхностей стали, текстурированных наносекундным лазерным излучением, определялось по результатам измерения статического контактного угла (СКУ). Инверсия свойств смачиваемости оценивалась при сравнении полученных измерений со СКУ на немодифицированной полированной поверхности. Установлено, что СКУ на такой поверхности составил θS = 80 ± 2°. 56

Рисунок 3.3 – Измерение статического контактного угла на полированной не модифицированной поверхности стали По прошествии времени после текстурирования поверхностей стали регистрировался рост контактного угла, стабилизация которого произошла на 11 день для поверхности с текстурой в форме кратеров, расположенных на расстоянии двух диаметров кратеров. Для поверхности с текстурой соприкасающихся кратеров стабилизация свойств произошла на 48 день. По прошествии 117 дней после текстурирования стабилизация свойств смачиваемости на поверхностях с анизотропной текстурой не зарегистрирована. Известно [43], что после лазерного текстурирования статический контактный угол растет. Изменение контактного угла описывается экспоненциальной зависимостью [43]:    уст 1  e  t / a  , (3.1) где θуст – установившийся контактный угол на текстурированной лазерным излучением поверхности, °; a – константа, характеризующая время, за которое контактный угол превысит 50% от установившегося значения, сут.; t – время стабилизации свойств смачиваемости, сут. 57

Значения зарегистрированных в проведенных экспериментах установившихся углов θуст, времён их стабилизации t и констант a сведены в таблицу 3.9. Из таблицы 3.8 видно, что с увеличением расстояния между кратерами, образующих текстуру поверхности время стабилизации свойств смачиваемости (время, за которое контактный угол перестанет изменяться) образцов уменьшается. Таблица 3.9 – Коэффициенты экспоненциальной зависимости (3.1) θуст, ° № образца 1 2 3 4 t, сут. – – 48 11 – – 88 83 а, сут. – – 10 2 Результаты измерений контактных углов в разные моменты времени приведены на рисунке 3.4. Также на зависимостях (рисунок 3.4) приведены типичные аппроксимационные кривые, полученные по уравнению (3.1). 80 80 60 60 θ, ° 100 θ, ° 100 40 20 40 20 0 0 0 20 40 60 t, сут 80 100 120 0 эксп. данные 20 40 60 t, сут 80 эксп. данные (а) (б) 58 100 120

80 80 60 60 θ, ° 100 θ, ° 100 40 20 40 20 0 0 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 t, сут аппроксимац. кривая 60 80 100 120 t, сут эксп. данные аппроксимац. кривая эксп. данные (в) (г) Рисунок 3.4 – Изменение статического контактного угла с течением времени на поверхностях образцов: а – образец №1, б – образец №2, в – образец №3, г – образец №4. По результатам анализа рисунка 3.4 установлено, что зависимость (3.1) достаточно хорошо аппроксимирует изменение СКУ с течением времени в условиях формирования упорядоченной в форме кратеров текстур. Аппроксимация на анизотропных текстурах (образцы №1-2) не проводилась, так как стабилизация свойств смачиваемости на поверхностях не зарегистрирована. 3.3 Математическое описание гидродинамических процессов в условиях растекания жидкости по текстурированным поверхностям Проведен анализ применимости молекулярно-кинетических (линейной и классической) [52] и гидродинамической моделей [62] для описания процесса растекания малых объемов жидкостей (капель воды объемом 30 мкл) по поверхностям стали, текстурированным наносекундным лазерным излучением. В рамках молекулярно-кинетической модели динамическое смачивание описывается кинетикой молекулярных процессов, происходящих на контактной линии [52,53,70]. Согласно результатам исследований Blake and Haynes [52] в условиях растекания капли по поверхности контактная линия 59

перемещается за счет действия силы поверхностного натяжения. Если динамический угол отличается от равновесного контактная линия движется за счет капиллярной силы 𝜎(cosθ0 − cosθD ). Динамический контактный угол определяется по соотношению [52] (уравнение классической молекулярно-кинетической модели): θD = arccos (cosθ0 ∓ 2k в T U arcsinh ), λ2 σ 2k 0 λ (3.2) где k 0 – характерная частота молекулярных перемещений у контактной линии, Гц; λ – среднее расстояние между перемещениями молекул капли, м. k в – постоянная Больцмана, Дж/К; T – абсолютная температура, К. Если аргумент sinh меньше 0.1, то динамический контактный угол определяется по линейному уравнению молекулярно-кинетической модели [52]: θD = arccos (cosθ0 − 𝑈𝜉 ), 𝜎 (3.3) где 𝜉 = (k в T)⁄(k 0 λ3 ) – коэффициент трения трехфазной линии контакта, Па·с. Полученные экспериментальные зависимости динамических контактных углов натекания и оттекания от числа капиллярности аппроксимированы уравнениями (3.2) и (3.3) в рамках анализа применимости молекулярнокинетической модели. Обработка методом результатов наименьших проведенных квадратов. При экспериментов расчете по проводилась уравнению (3.2) определялись три параметра (k0, λ, θ0), коррелирующих друг с другом. Для упрощения процедуры аппроксимации за величину равновесного контактного угла приняты экспериментальные значения (для наступающей контактной линии θ0A , для отступающей – θ0R ). Значения параметров k0 и λ в первом приближении приняты согласно [71], поскольку авторы используют жидкости (воду и додекан), характеризуемые вязкостью, близкой по значению к используемой в настоящих исследованиях. Соответствие результатов расчета и экспериментальных 60 данных оценивалась

коэффициентом детерминации R2 является квадратом корреляции между прогнозируемыми значениями и фактическими значениями, значения находятся в интервале от 0 до 1: ∑ni=1(y1 − ŷ1 )2 SSE R =1− =1− n , ∑i=1(y1 − y̅1 )2 SSTO 2 (3.4) где SSE = ∑ni=1(y1 − ŷ1 )2 – сумма квадратов отклонений, показывает насколько экспериментальные значения θD отличаются от значений, полученных по зависимостям (3.2 – 3.3). Полная сумма квадратов SSTO = ∑ni=1(y1 − y̅1 )2 это отклонение экспериментальных значений θD от среднего значения. Основой гидродинамической модели является гипотеза о том, что движению линии трехфазного контакта препятствуют силы вязкостного трения в объеме жидкости. Поток жидкости в окрестности ЛТК приводит к искривлению межфазной поверхности «жидкость/пар». Динамический контактный угол определяется как [62]: θ3D = θ30 ± (9 𝜇𝑈⁄𝜎)ln(L⁄Lm ), (3.5) где θ0 – равновесный или статический контактный угол, L и Lm – макроскопическая и микроскопическая длина, соответственно. Макроскопическая длина определяется из соотношения: Микроскопическая 2𝜎𝐿𝑉 𝐿=√ 𝜌𝑔 длина (3.6) определяется аппроксимацией экспериментальных результатов зависимостью (3.4). Известно, что при гистерезисе контактного угла более 5° использование молекулярно-кинетической и гидродинамической моделей для описания процессов натекания и оттекания жидкости приводит к значительному отклонению экспериментальных данных от теоретических зависимостей. Типичные зависимости динамического капиллярности представлены на рисунке 3.5. 61 контактного угла от числа

100 80 80 60 Гистерезис θд, ° θд, ° 60 эксп. данные 40 Гистерезис 40 эксп. данные 20 20 0 0 -0,000008 -0,000002 0 0,000008 0 0,000002 0,000004 0,000006 0,000016 Ca Ca (а) (б) 100 100 80 80 Гистерезис Гистерезис 60 θд, ° θд, ° 60 40 эксп. данные 20 эксп. данные 20 0 0 -0,00001 40 0 0,00001 0,00002 0,00003 -0,00001 0 0,00001 Ca Ca (в) (г) 0,00002 Рисунок 3.5 – Типичные зависимости динамического контактного угла от числа капиллярности, полученные при расходе 600 мкл/мин на образцах: а – образец №1, б – образец №2, в – образец №3, г – образец №4. Символы соответствуют экспериментальным данным Из рис. 3.5 видно, что в условиях стабилизации свойств смачиваемости гистерезис контактного угла превышает 5°. Поэтому использование молекулярно-кинетической и гидродинамической моделей для описания процессов натекания и оттекания жидкости по текстурированным лазерным излучением поверхностям стали проводилось без учета гистерезиса контактного угла, т.е. по отдельности для наступающей и отступающей контактной линии. На рисунке 3.6 представлены аппроксимационные 62

зависимости и экспериментальные данные, полученные на образцах №1-4 в условиях стабилизации свойств смачиваемости. 100 100 80 80 θд, ° 60 эксп. данные Линейная МКМ ГДМ 40 20 0 0,00E+00 -1,00E-05 1,00E-05 θд, ° МКМ эксп. данные 40 Линейная МКМ ГДМ 20 2,00E-05 -3,00E-06 0 0,00E+00 3,00E-06 Ca Ca (а) (б) 6,00E-06 100 100 80 МКМ эксп. данные Линейная МКМ ГДМ 50 θд, ° θд, ° МКМ 60 МКМ 60 эксп. данные Линейная МКМ ГДМ 40 20 0 -1,00E-05 0,00E+00 1,00E-05 2,00E-05 3,00E-05 -1,00E-05 0 0,00E+00 1,00E-05 Ca Ca (в) (г) 2,00E-05 Рисунок 3.6 – Аппроксимационные и экспериментальные зависимости динамического контактного угла от числа капиллярности, полученные при расходе 600 мкл/мин на образцах: а – образец №1, б – образец №2, в – образец №3, г – образец №4. Коэффициент детерминации R2 и их независимые переменные рассчитаны для каждого образца и сведены в таблицах 3.10 – 3.13. 63

Таблица 3.10 – Параметры моделей для образца №1 Расход, мкл/мин 600 100 50 Параметры моделей Линейная МКМ (ур. МКМ (ур. 3.2) [52] 3.3) [52] 0 , , k , 0 , ° 0 , ° R2 R2 нм Па·с МГц Наступающая линия 73,18 0,03168 1,48 0,952 78,24 14,65 0,778 73 0,00498 1,83 0,934 74,53 47,84 0,816 65,05 0,00565 0,83 0,83 66,17 180,35 0,825 63,6 0,00047 1,1 0,98 66,24 589,53 0,892 10 Среднее 68,71 0,01069 1,31 0,924 71,30 208,09 0,828 значение Отступающая линия 59,91 0,03053 1,4 0,982 53,41 52,65 0,891 600 53,72 0,01083 1,4 0,979 53,11 346,07 0,978 100 44,09 0,00851 1,81 0,961 42,9 657,43 0,951 50 47,72 0,00092 1,96 0,873 47,72 1648,1 0,873 10 Среднее 51,36 0,0127 1,64 0,949 49,29 676,1 0,92325 значение ГДМ (ур. 3.5) [62] 0 , ° ln(L/Lm) R2 77,75 1,23·104 0,744 74,39 3,41·104 0,799 5 65,66 1,17·10 0,812 65,66 3,85·105 0,857 70,87 1,37·105 0,803 51,23 50,41 40,64 46,8 1,25·104 7,76·104 1,17·105 4,35·105 0,810 0,948 0,893 0,842 47,27 1,61·105 0,873 Таблица 3.11 – Параметры моделей для образца №2 Расход, мкл/мин Параметры моделей Линейная МКМ (ур. 3.3) [52] МКМ (ур. 3.2) [52] 0 , ° k 0 , МГц , нм 47,16 56,1 56,97 52,89 600 100 50 10 Среднее 53,28 значение 0,00617 0,0029 0,02771 0,00216 0,8 0,64 0,46 0,36 0,00974 0,57 0,882 56,89 52,26 52,26 46,01 41,84 0,03468 0,01235 0,00091 0,00018 0,89 0,49 0,72 0,37 0,01203 0,62 0,856 30,26 600 100 50 10 Среднее 48,09 значение R2 0 , °  , Па·с Наступающая линия 0,972 50,86 27,5 0,895 56,86 45,23 0,871 56,97 68,08 0,791 62,86 332,88 118,42 Отступающая линия 0,755 30 94,67 0,919 33,98 117,57 0,897 28,25 242,14 0,854 28,8 1424,9 64 469,82 R2 0,918 0,876 0,871 0,865 ГДМ (ур. 3.5) [62] 0 , ° ln(L/Lm) 49,09 56,35 56,84 62,72 1,47·104 2,39·104 3,33·104 1,85·105 R2 0,955 0,890 0,849 0,857 0,883 56,25 0,64·105 0,888 1 0,735 0,628 0,688 29,69 33,16 33,72 28,43 1,45·104 1,93·104 4,44·104 2,16·105 1,000 0,692 0,745 0,662 0,763 31,25 0,74·105 0,775

Таблица 3.12 – Параметры моделей для образца №3 Расход, мкл/мин 600 100 50 10 Среднее значение 600 100 50 10 Среднее значение Параметры моделей Линейная МКМ (ур. 3.3) [52] МКМ (ур. 3.2) [52] МГц , нм 90,8 88,74 88,56 86,95 0,01322 0,01615 0,01547 0,01310 2,65 1,74 1,4 2,65 88,76 0,01448 2,11 0 , ° k0 , R2 0 , °  , Па·с Наступающая линия 0,787 91,34 1,38 0,488 88,8 6,48 0,715 88,56 7,28 0,876 87,62 122,91 0,717 89,08 34,51 Отступающая линия 0,988 52,95 50,5 0,703 44,68 266,3 0,669 45,47 646,7 0,729 42,43 2197,75 52,94 44,68 45,47 42,43 0,01426 0,01426 0,02056 0,01949 1,15 1,56 1,89 2,3 46,38 0,01714 1,725 0,772 46,38 790,3 R2 0,633 0,477 0,515 0,641 ГДМ (ур. 3.5) [62] 0 , ° ln(L/Lm) 91,33 88,79 88,56 87,59 1,35·103 5,96·103 6,58·103 1,13·105 R2 0,638 0,478 0,315 0,652 0,567 89,07 0,32·105 0,520 0,886 0,703 0,669 0,729 50,11 42,81 44,02 40,72 1,12·104 5,10·104 1,34·105 4,14·105 0,815 0,595 0,591 0,659 0,746 44,42 1,53·105 0,665 Таблица 3.13 – Параметры моделей для образца №4 Расход, мкл/мин 600 100 50 10 Среднее значение 0 , ° 85,42 83,87 83,97 79,31 Параметры моделей Линейная МКМ (ур. МКМ (ур. 3.2) [52] 3.3) [52] , , 0 , ° R2 R2 k 0 , МГц нм Па·с Наступающая линия 0,03009 1,91 0,742 85,42 2,52 0,742 0,09727 2,53 0,858 84,59 14,5 0,889 0,01384 2,02 0,801 84,13 23,01 0,831 0,00091 2,87 0,838 84,2 246,36 0,495 83,14 0,03553 2,33 87,87 42,01 45,41 42,29 0,02569 0,08572 0,01244 0,02141 1,69 1,6 2,39 2,1 0,03631 1,95 600 100 50 10 Среднее 54,40 значение 0,810 84,58 71,60 Отступающая линия 0,906 45,85 30,65 0,961 37,78 71,82 0,993 38,41 135,74 0,979 32,92 344,12 ГДМ (ур. 3.5) [62] 0 , ° ln(L/Lm) 85,41 84,57 84,11 84,16 2,15·103 1,22·104 1,91·104 2,08·105 R2 0,742 0,860 0,804 0,834 0,740 84,56 0,61·105 0,662 0,682 44,7 6,74·103 0,652 37,41 1,42·104 0,745 37,52 2,41·104 0,642 32,76 6,16·104 0,624 0,618 0,684 0,627 0,960 38,74 145,58 0,680 38,10 0,27·105 0,638 По результатам анализа параметров из таблиц 3.10 – 3.13 установлено, что значения среднего расстояния между молекулярными перемещениями λ, 65

лежат в пределах 0,36–2,95 нм, что больше размера молекулы воды 0,28 нм. Этот параметр является характеристикой твердой поверхности и определяет расстояние между областями адсорбции молекул жидкости при перемещении линии трехфазного контакта. Полученный диапазон согласуется с результатами расчетов [71–75]. Установлено, что коэффициент трения ξ уменьшается с увеличением расхода от 10 до 600 мкл/мин и, соответственно, скорости перемещения линии трехфазного контакта на образцах с упорядоченной и анизотропной текстурах (табл. 3.10 –3.13). По результатам анализа λ можно сделать вывод, что среднее расстояние между молекулярными перемещениями зависит от шероховатости поверхности. Из таблиц 3.10 – 3.13 видно, что в случае наступающей и отступающей линии трехфазного контакта λ уменьшается с увеличением шероховатости в последовательности поверхностей №4–№3–№1–№2 (в этой же последовательности шероховатость увеличивается согласно параметру Sz и Sa в табл. 3.8). Установлено, что частота случайных молекулярных перемещений k0 (табл. 3.10 – 3.13), также как λ, зависит от шероховатости поверхности. В случае наступающей и отступающей линии трехфазного контакта с ростом шероховатости (табл.3.8) частота случайных молекулярных перемещений уменьшается в последовательности поверхностей №4–№3–№1–№2. Логарифм отношения ln(L⁄Lm ) (см. табл. 3.10 – 3.13) характерного размера макроскопической и микроскопической областей при аппроксимации полученных кривых принимает большие значения. В проведенных исследования L принята равной капиллярной постоянной жидкости (3,83 мм для дистиллированной воды). Известно, что длина микроскопической области Lm имеет порядок длины свободного пробега молекулы. Величина ln(L⁄Lm ) должна лежать в диапазоне 10–100 [71]. Полученные в настоящей работе величины логарифма , значительно превышают этот диапазон и варьируются от 1.35·103 до 4.35·105. Следовательно, величина Lm значительно меньше величины свободного пробега молекулы, что 66 ставит под сомнение

достоверность аппроксимации значений θд гидродинамической моделью. Однако столь малые значения величины Lm показывают также отсутствие перкуссионной пленки и сильное взаимодействие твердого тела и жидкости (сильную адгезию). 3.4 Выводы по третьей главе Установлено, что при падении одиночного лазерного луча при фиксированной энергии в импульсе 1 мДж (мощность 20 Вт), частоте 20 кГц, времени воздействия 200 нс на поверхности стали формировался элемент текстуры (кратер) в форме близкой к чашеобразной, диаметр которого составил 90,7 ± 3,2 мкм. Используя геометрические размеры элемента текстуры, определены параметры лазерного излучения (скорость линейного перемещения лазерного луча и количество линий прохода на 1 мм) для формирования наложение (𝜐 = 1269,8 мм/с , n = 15 мм−1 (30% анизотропных элемента текстуры); 𝜐 = 725,6 мм/с , n = 27 мм−1 (60% наложение элемента текстуры)) и упорядоченных текстур (𝜐 = 1814 мм/с , n = 11 мм−1 (с соприкасающимися кратерами); 𝜐 = 3628 мм/с , n = 5 мм−1 (с расстоянием между кратерами равным двум диаметрам кратера)). После лазерного текстурирования зарегистрирована инверсия свойств смачиваемости поверхности стали. Непосредственно после текстурирования поверхности характеризовались гидрофильными свойствами со СКУ < 90° . По прошествии времени зарегистрирован рост контактного угла, стабилизация, которого происходила через 11 для текстуры с расстоянием между кратерами равном двум диаметрам кратера и 48 дней для текстуры с соприкасающимися кратерами. Для анизотропных текстур по прошествии 117 дней стабилизация свойств смачиваемости не зарегистрирована, рост контактного угла продолжается. Установлено, что значения среднего расстояния между молекулярными перемещениями λ больше размера молекулы H2O (0,28 нм) и лежит в пределах 0,36–2,95 нм. Полученный диапазон согласуется с результатами 67

расчетов [71–75]. Зарегистрирована зависимость среднего расстояния между молекулярными перемещениями от шероховатости поверхности, в случае наступающей и отступающей линии трехфазного контакта λ уменьшается с увеличением шероховатости в последовательности поверхностей №4–№3– №1–№2. Установлено, что частота случайных молекулярных перемещений k0 также как λ, зависит от шероховатости поверхности, с ростом шероховатости частота случайных молекулярных перемещений уменьшается в последовательности поверхностей №4–№3–№1–№2. Зависимости ГДМ неудовлетворительно описывают экспериментальные данные согласно коэффициенту детерминации (таблицы 3.11-3.13). Аппроксимационные кривые в рассматриваемом диапазоне динамических контактных углов (30–90°) и чисел капиллярности (10-10–10-5) близки к линейному виду. Эти кривые не удовлетворительно описывают экспериментальные данные (рисунок 3.6). Параметр – логарифм отношения характерного размера макроскопической и микроскопической областей ln(L⁄Lm ) в этом случае физически не обоснован. Характеристическая длина макроскопической области L принимается равной капиллярной постоянной жидкости, длина микроскопической области Lm в исследованиях других авторов [71] имеет порядок длины свободного пробега молекулы. Следовательно, величина ln(L⁄Lm ) должна лежать в диапазоне 10 – 100 [71]. Полученные в настоящей работе величины логарифма имеют порядок 105, что значительно превышает этот диапазон. По результатам проведенного анализа установлено, что в области малых чисел капиллярности от 10-10 до 10-5 уравнение молекулярно-кинетической модели, лучше аппроксимирует экспериментальные данные по сравнению уравнением гидродинамической модели. коэффициентами детерминации. 68 Последнее подтверждается

4 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ Введение В разделе рассмотрены вопросы социальной ответственности работников лаборатории “Тепломассопереноса и гидродинамики пленочных и ривулентных течений в теплообменниках” 8 корпуса ауд.№264 НИТПУ. На рабочем месте в лаборатории должны быть предусмотрены меры защиты от возможного воздействия опасных и вредных факторов. Уровни этих факторов не должны превышать предельных значений, оговоренных правовыми, техническими и санитарно-техническими нормами. Эти нормативные документы обязывают к созданию на рабочем месте условий труда, при которых влияние опасных и вредных факторов на работников либо устранено совсем, либо находится в допустимых пределах. В данной работе проводились экспериментальные исследования процессов растекания и смачивания. За последние годы предприняты усилия, направленные на поиск способов по обоснованию механизма инверсии свойств смачиваемости на различных материалах после лазерного текстурирования. В данной работе рабочая жидкость - дистиллированная вода. Жидкость помещается на рабочий участок с помощью высокоточного дозирующего устройства и с помощью высокоскоростной камеры фиксировались динамические и статические контактные углы. 4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ГОСТ 12.2.032–78 ССБТ [76] устанавливает общие эргономические требования к рабочим местам при выполнении работ в положении сидя при проектировании нового, модернизации действующего оборудования и производственных процессов. Специфика труда оператора заключается в больших зрительных нагрузках в сочетании с малой двигательной активностью, монотонностью 69

выполняемых операций, вынужденной рабочей позой. Эти факторы отрицательно влияют на самочувствие работающего. Зрительные нагрузки связаны с воздействием на зрение дисплея. Чтобы условия труда оператора были благоприятными, снималась нагрузка на зрение, видеотерминал должен соответствовать следующим требованиям: - Экран должен иметь антибликовое покрытие; - Цвета знаков и фона должны быть согласованы между собой. Для многоцветного отображения рекомендуется использовать одновременно 6 цветов – пурпурный, голубой, синий, зеленый, желтый, красный, а также черный и белый, так как вероятность ошибки тем меньше, чем меньше используется цветов и чем больше разница между ними, а для одноцветного отображения – черный, белый, серый, желтый, оранжевый и зеленый. Красный и голубой цвета на границе видимого спектра применять нельзя. Необходимо тщательное регулярное обслуживание ПЭВМ специалистами. В СанПиН 2.2.2.542 – 96 «Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» [77] даются общие требования к организации и оборудованию рабочих мест операторов ПЭВМ. Конструкция рабочего стола должна обеспечивать оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования с учетом его количества и конструктивных особенностей, характера выполняемой работы. Высота рабочей поверхности стола должна регулироваться в пределах 680 – 800 мм; при отсутствии такой возможности высота рабочей поверхности должна составлять 725 мм. Рабочий стол должен иметь пространство для постановки ног, которое составляет: высоту не менее 600 мм, ширину не менее 500 мм, глубину – на уровне колен, не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног – не менее 650 мм. 70

Конструкция рабочего стула должна поддерживать рациональную рабочую позу при работе с ПЭВМ, позволять изменять позу с целью снижения статического напряжения мышц шейно-плечевой области и спины для предупреждения утомления. Рабочий стул должен быть подъемно – поворотным и регулируемым по высоте и углам наклона сиденья и спинки, а также расстоянию спинки от переднего края сиденья. Поверхность сиденья, спинки и других элементов стула должна быть полумягкой с нескользящим, не электризующимися и воздухопроницаемым покрытием, обеспечивающим легкую очистку от загрязнений. При работе в лаборатории тепломассопереноса и гидродинамики пленочных и ривулентных течений в теплообменниках следует выполнять правила безопасности. Во время работы в лаборатории соблюдать чистоту, порядок. В помещении запрещается пить воду, принимать пищу, курить. 4.2 Производственная безопасность 4.2.1 Анализ выявленных вредных и опасных факторов Таблица 4.1 – Опасные и вредные факторы при выполнении экспериментов в лаборатории тепломассопереноса и гидродинамики пленочных и ривулентных течений в теплообменниках Факторы (по ГОСТ 12.0.003-2015) Этапы работы Вредные 1. Проведение 1. Недостаточная экспериментов (работа Опасные за установкой персональным компьютером) и освещенность 2.Опасность показателей лаборатории экспериментальн 3. уровень электричества 2. Отклонение 2. Обработка й статического рабочей зоны. микроклимата 1. Повышенны в Повышенн поражения электрическим током 71 Нормативные документы  параметры микроклимата устанавливаются СанПиН 2.2.4-548-96  Электромагнитные поля в производственных условиях. СанПиН 2.2.4.1191–03.  СП Естественное 52.13330.2011 и

ых данных ый (работа уровень искусственное освещение за электромагнитны персональном х излучений компьютером) Недостаточная освещенность рабочей зоны Оценка освещенности рабочей зоны необходима для обеспечения нормативных условий работы в помещениях и проводится в соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 [78]. Основные требования к рабочему освещению: 1) Создание достаточной освещённости на рабочих местах согласно нормам; 2) Высокое качество освещения – спектральный состав, близкий к естественному, ограничение прямой и отражённой блёсткости, рациональное направление света, постоянство освещённости во времени; 3) Бесперебойность и длительность работы установки в данных условиях среды; 4) Пожарная и электрическая безопасность осветительных устройств; 5) Экономичность осветительной установки. По СП 52.13330.2011 [79] для лабораторий научно-исследовательских учреждений норма освещенности составляет 400 лк. Отклонение показателей микроклимата в лаборатории Научно-исследовательскую лабораторию №264 8 корпуса НИТПУ можно отнести к помещениям первого класса (помещения с незначительными избытками явного тепла (до 23 Дж/м3·с и менее)) исходя из производственных условий [80,81]. Допустимые микроклиматические условия рабочей зоны с учетом избытков тепла, времени года (табл. 2.3) и тяжести выполняемой работы (Iб категория) указаны в СанПиН 2.2.4.548–96 [82]. 72

Выбрана категория работ по уровню энергозатрат Iб, так как большинство работ производится сидя, стоя и с кратковременной ходьбой сопровождающейся незначительной физической нагрузкой. Таблица 4.2 – Оптимальные величины показателей микроклимата на рабочих местах производственных помещений, СанПиН 2.2.4.548-96 Период года Категория работ по уровню энергозатрат, Вт Холодный Iб (140-174) 21-23 20-24 40-60 0,1 Теплый Iб (140-74) 22-24 21-25 40-60 0,1 Температура Относительная Температура поверхностей, влажность воздуха, °С °С воздуха, % Скорость движения воздуха, м/с Лаборатория оборудована следующими средствами для обеспечения благоприятных микроклиматических условий:  система вентиляции (позволяет удалять загрязненный воздух);  система кондиционирования (позволяет поддерживать относительную влажность на заданном уровне и регулировать температуру);  система отопления (позволяет поддерживать температуру); Температура, относительная влажность, скорость движения воздуха в рабочей зоне помещения, относящегося к первому классу, должны соответствовать оптимальным нормам метеорологических условий, указанных в табл. 4.2, которые обеспечиваются и поддерживаются на необходимом уровне с помощью систем, перечисленных выше. Повышенный уровень электромагнитных излучений В научно-исследовательской лаборатории №264 8 корпуса НИТПУ установлено 6 персональных компьютеров. Компьютер имеет два источника электромагнитного излучения (монитор и системный блок). Персональный компьютер оказывает неблагоприятное воздействие на организм человека по следующим причинам: 73

 Пользователь ПК лишен возможности работать на безопасном расстоянии.  Длительное время влияния компьютера (для современных пользователей может составлять более 12 часов, при официальных нормах, запрещающих работать на компьютере более 6 часов в день). Таким образом, степень воздействия ЭМП на организм человека зависит от интенсивности облучения, длительности воздействия и диапазона частот [83]. В соответствии с СанПиН 2.2.4.1191-03 [84] нормы допустимых уровней напряженности электрических полей зависят от времени пребывания человека в контролируемой зоне. Работа в условиях облучения электрическим полем с напряженностью 20–25 кВ/м продолжается не более 10 минут. При напряженности не выше 5 кВ/м присутствие людей в рабочей зоне разрешается в течение 8 часов. Так как напряженность магнитного поля в лаборатории не слишком велика, и сотрудники находится там не более 8 часов день, то в специальных средствах защиты нет необходимости. В зависимости от категории трудовой деятельности и уровня нагрузки за рабочую смену при работе с ПЭВМ устанавливается суммарное время регламентированных перерывов (таблица 4.3). Таблица 4.3 – Время регламентированных перерывов при проведении экспериментов в лаборатории тепломассопереноса и гидродинамики пленочных и ривулентных течений в теплообменниках Категория работы с ПЭВМ III Уровень нагрузки за рабочую смену при видах работ с ПЭВМ группа В, ч до 6 74 Суммарное время регламентированных перерывов, мин. При 12 При 8 часовой часовой смене смене 90 140

В нашем случае вид трудовой деятельности – В, так как во время эксперимента работа происходит в режиме диалога. Категория тяжести и напряженности работы с ПЭВМ – III, так как в среднем эксперимент занимает до 5 часов [85]. Повышенный уровень статического электричества Статическое электричество представляет опасность для обслуживающего персонала. Лёгкие «уколы» при работе с сильно наэлектризованными материалами вредно влияют на психику рабочих и в определённых ситуациях могут способствовать травмам на технологическом оборудовании. При постоянном прохождении через тело человека малых токов электризации возможны неблагоприятные физиологические изменения в организме, приводящие к профзаболеваниям. Вследствие этого в нашей стране в соответствии с ГОСТ 12.1.045–84 [86] введены допустимые уровни напряжённости электростатических полей – Епред. Так, для Епред = 60 кВ/м максимальное время пребывания чел. без средств защиты составляет 1 ч. Для Е=20 кВ/м время пребывания персонала в электростатических полях не регламентируется. К числу основных методов защиты первой группы относится заземление технологического оборудования, тела человека, являющееся наиболее простым, но необходимым средством, поскольку энергия искрового разряда с проводящих незаземлённых элементов технологического оборудования во много раз (сотни и тысячи) выше энергии разряда с диэлектриков. Заземляться должны все электропроводящие части и элементы оборудования, на которых возможно накопление зарядов. Электросопротивление всей цепи заземления должно быть не более 100 Ом. Непроводящее оборудование, считается электростатически заземлённым, если в любой его точке сопротивление по отношению к земле – не больше 5109 Ом. 75

В рассматриваемом помещении выполнено заземление всего электрического оборудования. Опасность поражения электрическим током Согласно «Правилам устройства электроустановок» категория помещения по степени опасности поражения электрическим током для лаборатории относится к «помещениям без повышенной опасности поражения людей электрическим током». Экспериментальная установка расположена на столе. Поражение электрическим током может произойти в следующих случаях:  При появлении электрического потенциала на частях оборудования установки, которая в нормальных условиях не должна находится под напряжением.  При случайном прикосновении к не изолированным проводникам электрического тока.  При образовании электрической дуги между токоведущими частями установки и человеком в результате пробоя воздушного пространства. 4.2.2 Обоснование мероприятий по снижению воздействия Так как расчет освещенности лаборатории показал соответствие нормам СНиП 2.2.1/2.1.1.1278-03 [78]. Отсутствует необходимость в мероприятиях по снижению воздействия данного вредного фактора. Аналогично отсутствуют отклонения показателей микроклимата в лаборатории. В качестве защиты от электромагнитного излучения компьютера могут быть предложены следующие мероприятия: 1. Системный блок и монитор должен находиться как можно дальше от работника. 76

2. Не оставлять компьютер включённым на длительное время. Возможно использование «спящего режима» для монитора. 3. В связи с тем, что электромагнитное излучение от стенок монитора намного больше, необходимо поставить монитор в угол, так чтобы излучение поглощалось стенами. Особое внимание стоит обратить на расстановку мониторов в офисах. 4. По возможности сократить время работы за компьютером и как можно чаще делать перерывы в работе. 5. Компьютер должен быть заземлён. Если приобретены защитные экраны, то их тоже следует заземлить, для этого специально предусмотрен провод на конце которого находится металлическая прищепка [87]. Мероприятия по снижению воздействия статического электричества: ликвидация или снижение возможности возникновения искровых  разрядов  уменьшение электризации веществ и материалов;  обеспечение рассеивания или отвод возникающих электростатических зарядов [88]. Во избежание поражения электрическим током при работе на установке разработаны мероприятия по технике безопасности [89]:  установка защитного заземления;  при монтаже установки использовать изолированные кабели и провода;  к работе на установке допускать лица, прошедшие инструктаж по ТБ [90]. 4.3 Экологическая безопасность Отходы один из существенных источников загрязнения окружающей среды (атмосферы, воды, в том числе подземной, почвы) вредными или опасными веществами, требующими выделения больших средств на ликвидацию последствий загрязнения такого рода [91]. 77

В процессе экспериментальных исследований, проводимых в лаборатории, возникает проблема утилизации люминесцентных ламп, так как важным компонентом является ртуть. Ртуть - вещество I класса опасности (по ГОСТ 17.4.1.02-83) [92], это чрезвычайно опасное химическое вещество. Количество ртути в люминесцентных лампах колеблется от 3 мг до 46 мг, в зависимости от размера лампы и возраста. Новые лампы содержат меньше ртути до 3-4 мг и продаются как низкортутные. Сломанная люминесцентная модель выпустит ртуть во внешнюю среду. Поэтому перед тем, как избавляться от лампы, её нельзя разбивать. Контейнер для утилизации люминесцентных ламп представляет собой герметичный корпус, который выполнен из специального сплава стекла или легированной стали. На крышке либо сбоку располагается отверстие, которое закрывается при помощи автоматической защелки. Как только Вы проталкиваете лампу в него, крышка герметично закрывается, пары не проникают в окружающую среду, все совершенно безопасно [93]. Существует соответствующий закон Российской Федерации № 187, ст. 39, согласно которому существует обязанность уплатить штраф, если непозволительным способом утилизировали потенциально опасные отходы (люминесцентные лампы), либо самостоятельно установили утилизационный контейнер в ненадлежащем несанкционированный вывоз месте, отходов за а также территорию организовали их хранения. Необходимо утилизировать лампы в контейнерах, и далее вывоз отходов на полигоны хранения. Так же в ходе работы возникали бумажные и пластиковые отходы, то есть твердые бытовые отходы. Один из распространённых способов утилизации отходов является их размещение на специально оборудованных объектах (полигонах, свалках). Полигоны твердых бытовых отходов (ТБО) являются специальными сооружениями, предназначенными для изоляции и обезвреживания ТБО, и должны гарантировать санитарно-эпидемиологическую 78 безопасность

населения. На полигонах обеспечивается статическая устойчивость ТБО с учетом динамики уплотнения, минерализации, газовыделения, максимальной нагрузки на единицу площади, возможности последующего рационального использования участка после закрытия полигон [94]. 4.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях В научно-исследовательской лаборатории №264 8 корпуса НИТПУ может возникнуть пожар - местная техногенная чрезвычайная ситуация. Пожарная безопасность может быть обеспечена мерами пожарной профилактики и активной пожарной защиты. Пожарная профилактика включает комплекс мероприятий, направленных на предупреждение пожара или уменьшение его последствий. Причиной возникновения пожара может стать нарушение противопожарного режима. Согласно СНиП 21-01-97* [95] здание 8-го корпуса НИТПУ относится к группе несгораемых помещений относится к категории В–4 и с учетом наличия электроустановок напряжением до 1000 В на 100 м² должны быть: один углекислотный огнетушитель типа ОУ-8 и один пенный - типа ОП-10. В практике тушения пожаров наибольшее распространение получили следующие принципы прекращения горения: 1. Изоляция горения очага от воздуха или снижение концентрации кислорода путем разбавления воздуха негорючими газами (углеводы СО2<12-14%); 2. Охлаждения очага горения ниже определенных температур; 3. Интенсивное торможение скорости химической реакции в пламени; 4. Механический срыв пламени струей газа или воды; 5. Создание условий огнепреграждения (условий, когда пламя распространяется через узкие каналы). С целью предотвращения пожаров необходимо [96]: 79

1. Уходя из помещения проверить отключения всех электронагревательных приборов, электроустановок, а также силовой и осветительной сети; 2. Курить только в отведенных для курения местах; 3. В случае возникновения пожара приступить к тушению имеющимися средствами и вызвать по телефону “01” пожарную команду; 4. Сотрудники лаборатории должны быть ознакомлены с планом эвакуации людей и материальных ценностей при пожаре. План эвакуации должен находится в каждом помещении и на каждом этаже лестничной клетки. Выводы по разделу В ходе проведения работы были определены правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности. Приведены сведения о возможных опасностях и вредных факторах, ожидающих работников во время рабочей деятельности, а так же возможности предотвращения этих опасностей. Было рассмотрено пагубное воздействие люминесцентных ламп а также твердых бытовых отходов на окружающую среду и приведен способ экологичной утилизации таких отходов. предотвращению чрезвычайных ситуаций. 80 Приведены меры по

5 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ Введение Цель проекта – проведение научно-исследовательской работы, отвечающей современным требованиям в области ресурсоэффективности и ресурсосбережения, а также является экономическое обоснование научно– исследовательской работы. Для этого будет проведен анализ конкурентоспособности технических решений, SWOT-анализ, планирование работ и рассчитан бюджет затрат. Научно – исследовательская работа заключается в проведении серии экспериментов по исследованию процессов растекания и смачивания по текстурированной поверхности стали. Проведение экспериментов требует привлечение трудовых и материальных ресурсов. 5.1 Оценка коммерческого потенциала, перспективности и альтернатив проведения НИ с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 5.1.1 Описание потенциальных потребителей Лазерное текстурирование металлов – перспективный способ создания поверхностей с уникальными функциональными свойствами, например, гидрофобными/гидрофильными; повышенной стойкости к коррозии, биообрастанию, органическим загрязнениям, абразивному и кавитационному износу; высокой отражательной способностью. Основным продуктом, получаемым в ходе научно-исследовательской работы, являются текстурированные стальные подложки. Шероховатость таких поверхностей играет достаточно значимую роль при малых скоростях движения, характерных для течений капельных жидкостей. Такого рода течения реализуются в миниканальных системах охлаждения. В устройствах медико81

биологического назначения пригодилась бы стойкость к биообрастанию и органическим загрязнениям. Также в авиационной отрасли промышленности пригодилась бы стойкость к абразивному и кавитационному износу. А стойкость стали к коррозии пригодилась бы во многих областях жизнедеятельности, например в автомобилестроении. 5.1.2 Анализ конкурентных технических решений Для успешного внедрения научной разработки необходимо изучить преимущества и недостатки конкурирующих методов создания поверхностей с уникальными функциональными свойствами, например гидрофильными или гидрофобными, для его лучшего продвижения на рынке в будущем. Конкуренты:  ХО – Химическая обработка  ПП – Поверхностные покрытия  ЛТ – Лазерное текстурирование Таблица 5.1 – Оценочная карта для сравнения конкурентных методов Критерии оценки Вес критерия Баллы Конкурентоспособность ХО ПП ЛТ КХО КПП КЛТ 1. Экологичность 0,3 1 2 5 0,3 0,6 1,5 2. Трудоемкость 0,3 2 2 4 0,6 0,6 1,2 3. Скорость получения поверхностей 0,1 4 3 5 0,4 0,3 0,5 4. Стоимость 0,2 3 3 3 0,6 0,6 0,6 5. Требования к помещению 0,1 3 3 4 0,3 0,3 0,4 1,9 2,4 4,2 Итого 1 82

В таблице 5.1 представлены основные конкуренты и критерии оценки конкурентоспособности. Каждый показатель конкурентов оценивается по пятибалльной шкале, где 1 – наиболее слабая позиция, а 5 – наиболее сильная. Веса показателей определяются в соответствии с их значимостью и в сумме составляют 1. По таблице видим, что химическая обработка поверхностные покрытия имеют примерно одинаковое количество баллов. По баллам лазерное текстурирование немного превосходит своих конкурентов, это говорит о том, что данный метод может конкурировать с существующими методами в поставленных для него задачах. На рисунке 5.1 наглядно представлены преимущества и недостатки предложенного и существующих методов создания поверхностей с уникальными функциональными свойствами. Экологичность 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Требования к помещению Сложность ХО ПП ЛТ Скорость получения поверхностей Стоимость Рисунок 5.1 – Многоугольник конкурентоспособности Рисунок показывает, что лазерное текстурирование имеет преимущество по таким показателям, как экологичность, скорость получения поверхностей, имеет минимальные трудоемкость. 83 требований к помещению и

5.1.3 SWOT – анализ SWOT – анализ проводится для комплексной оценки внешней и внутренней среды проекта. При SWOT-анализе рассматриваются сильные и слабые стороны, возможности и угрозы применительно к методу лазерного текстурирования относительно методов химической обработки и нанесению поверхностных покрытий. Итоговая матрица SWOT-анализа приведена в табл. 5.2. Таблица 5.2 – Матрица SWOT проекта Сильные стороны: Слабые стороны: 1. Экологичность метода 1. Механизм инверсии 2. Более низкая стоимость по свойств смачиваемости сравнению с другими после лазерного методами. текстурирования на 3. Отсутствие высоких данный момент требований к помещению. остается не изучен на 4. Текстурирование является достаточном уровне быстрым и одностадийным 2. Дорогостоящая методом лазерная установка 5. Позволяет получать 3. Высокая точность текстуры на разных скорости и количества материалах проходов лазера 4. Сложность в обработке больших поверхностей Возможности: Анализ: Анализ: 1. Дальнейшее 1. Экологичность метода 1. Дальнейшие исследование позволит безвредно исследования механизма инверсии проводить дальнейшие механизма инверсии свойств исследования механизма могут затянуться на смачиваемости инверсии свойств продолжительный срок 2. Появление смачиваемости 2. Сложность обработке дополнительного 2. Низкая стоимость метода и больших поверхностей спроса на новый отсутствие высоких может затруднить продукт требований к помещению появление 3. Повышение также способствует дополнительного спроса стоимости других дальнейшим 3. Высокая точность методов исследованиям и скорости и количества возможному появлению проходов лазера может дополнительного спроса на также способствовать продукт конкурентному 3. Повышение стоимости отставанию, снижению других методов только спроса усилит конкурентоспособность лазерного текстурирования 84

Угрозы: 1. Появление новых, более эффективных методов 2. Удешевление других методов 3. Выход из строя лазерной установки Анализ: 1. Возможно появление более дешевых и эффективных методов, которые приведут к конкурентному отставанию лазерного текстурирования Анализ: 1. Выход из строя дорогостоящей лазерной установки остановит весь процесс производства поверхностей 2. Возможен полный отказ использования лазерного метода Из матрицы SWOT видно, что необходимо сделать упор на такие сильные стороны, как экологичность, быстрота и экономичность метода, так как именно эти сильные стороны проекта связаны с наибольшим количеством возможностей. Что касается слабых стороны, необходимо обратить внимание на улучшение технических параметров и на создание более дешевых лазерных установок. Работа над этими недостатками позволить повысить конкурентоспособность, уменьшить влияние внешних угроз на проект. Следует наращивать темпы изучения механизм инверсии свойств смачиваемости, что в конечном итоге может способствовать появлению поверхностей с контролируемым смачиванием. 5.2 Планирование и формирование бюджета научных исследований 5.2.1 Планирование работ Планирование комплекса предполагаемых работ осуществляется в следующем порядке: - определение структуры работ в рамках научного исследования; - определение участников каждой работы; - установление продолжительности работ; - построение графика проведения научных исследований. В таблице 5.3 представлен перечень работ и участников в рамках проведения научного исследования. 85

Таблица 5.3 – Перечень работ и определение участников каждой работы № раб 1 Содержание работ Составление технического задания (ТЗ) 2 Выбор темы и направления проведения эксперимента 3 Теоретические исследования, проведение обзора литературы 4 5 Составление плана проведения эксперимента и выбор метода обработки данных. Постановка целей и задач исследования Закупка необходимого (недостающего) оборудования, инструментов, дополнительных деталей. Заказ дистиллированной воды Должность исполнителя Руководитель Руководитель, инженер инженер Руководитель, инженер Руководитель, инженер Руководитель, инженер Инженер 6 Установка и подключение оборудования. 7 Проведение предварительного эксперимента 8 Обработка результатов предварительного эксперимента 9 Корректирование работы оборудования 10 Проведение эксперимента Инженер 11 Обработка результатов Инженер 12 13 14 Инженер Руководитель, инженер Обобщение и оценка результатов исследований, написание выводов Оформление проделанной работы, составление пояснительной записки Руководитель, инженер Проверка проекта Руководитель Инженер Наиболее удобным и наглядным является построение ленточного графика проведения научных работ в форме диаграммы Ганта. 5.2.2 Разработка графика Ганта Для удобства построения графика, длительность каждого из этапов работ из рабочих дней следует перевести в календарные дни. Согласно Производственному календарю на 2020 год: В 2020 году 366 календарных дней. При пятидневной рабочей неделе с двумя выходными днями будет 248 рабочих дней, в том числе 5 сокращенных на один час предпраздничных рабочих дней, и 118 выходных и нерабочих праздничных дней. Коэффициент календарности определяется по следующей формуле: 86

k кал = Tкал , Tкал − Tвых − Tпр где 𝑇кал – количество календарных дней в году; 𝑇вых – количество выходных дней в году; 𝑇пр – количество праздничных дней в году. k кал = 366 = 1,48. 366 − 118 Продолжительность выполнения i-ой работы в календарных днях: Tki = Tpi ∙ k кал , где 𝑇𝑝𝑖 - продолжительность выполнения i-й работы в рабочих днях. Рассчитанные значения в календарных днях округляем до целого числа. Результаты расчетов сведем в таблицу 5.4. Таблица 5.4 – Продолжительность работ № раб 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Содержание работ Составление ТЗ Выбор темы и направления проведения эксперимента Теоретические исследования, проведение обзора литературы Составление плана проведения эксперимента и выбор метода обработки данных. Постановка целей и задач исследования Закупка необходимого (недостающего) оборудования, инструментов, дополнительных деталей. Заказ дистиллированной воды Установка и подключение оборудования. Проведение предварительного эксперимента Обработка результатов предварительного эксперимента Корректирование работы оборудования Проведение эксперимента Обработка результатов Обобщение и оценка результатов исследований, написание выводов Оформление проделанной работы, составление пояснительной записки Проверка проекта Начало Конец Tpi Tki 1 2 0 2 2 3 2 5 14 21 5 26 1 2 26 28 1 2 28 30 1 10 2 15 30 32 32 47 3 5 47 52 1 31 7 2 46 11 52 54 100 54 100 111 2 3 111 114 4 6 114 120 1 2 120 122 По данным таблицы 5.4, можно сделать вывод, что число календарных дней, необходимых на разработку проекта, составляет 122 дня. Из них научный руководитель работает порядка 11 календарных дней, из них 6 87

рабочих, инженер – 111 календарных дней, из них 73 рабочих. На основании таблицы 4 построен график Ганта (рис. 3). Составление ТЗ Выбор темы Обзор литературы Постановка целей и задач Закупка оборудования Установка оборудования Проведение пред. экспер. Обработка результатов ПЭ Корректирование работы оборудования Проведение эксперимента Обработка результатов Выводы Оформление работы Проверка проекта 0 20 40 60 80 100 120 Рисунок 5.3 – График Ганта Как видно из графика, самый затратный по времени этап научного исследования это проведение эксперимента. 5.2.3 Формирование бюджета затрат на научное исследование При планировании сметы проекта должно быть обеспечено полное и достоверное отражение всех видов расходов, связанных с его выполнением. В процессе формирования сметы проекта используется следующие статьи затрат: - материальные затраты проекта; - затраты на электроэнергию; - полная заработная плата участников проекта; - отчисления во внебюджетные фонды; - расходы на электроэнергию; - амортизационные отчисления. 88

Материальные затраты на проектные работы включают стоимость всех материалов, используемых при разработке проекта: - приобретаемые со стороны материалы, необходимые для создания научно-технического стенда; - оборудование для проведения эксперимента; - продукции для обеспечения нормального технологического процесса или расходуемых на другие производственные и хозяйственные нужды (проведение испытаний, контроль, содержание, ремонт и эксплуатация оборудования); - материалы, используемые в качестве объектов исследований; - канцелярские принадлежности, ручки, бумага, картриджи и т.п. Стоимость каждого материала определяется по формуле: С = К ∙ Ц, где К – количество (объем потребления), шт.; Ц – стоимость единицы материала, руб. В таблице 5.5 приведены материальные затраты проекта. Таблица 5.5 – Материальные затраты проекта Ед. изм-я. Цена, руб Объем потребления Итого, руб. Фотоаппарат Nikon D7100 Объектив Sigma Лист нержавеющей стали ASTM A240 2000∙1000∙0,5мм Нарезка листа стали на подложки 50∙50∙0,5 мм Шт. Шт. 39000 22000 1 1 39000 22000 Шт. 1848 1 1848 – 1500 1 1500 Текстурирование подложек Шт. 5200 1 5200 Клей эпоксидный «КОНТАКТ 12051» Шт. 70 1 70 Клей эпоксидный «КОНТАКТ 12105» Трубка медная 2∙0,5 мм Канц. товары  Ручки, карандаши, линейки и т.д.  Бумага;  Флешка Шт. Шт. 180 300 1 1 180 300 – Пачка шт. – 150 2500 – 1 1 250 150 2500 Статьи расходов 89

 Дополнительные расходы Заправка картриджей Электроэнергия Итого: В затраты на – – Шт. КВт∙ч 150 4,25 электроэнергию входит – 350 1 158,6 74172 150 674 потребление света и использование различного оборудования в течение проекта. Расходы на электроэнергию определяется по формуле: Э = Р ∙ Ч, где Р – мощность потребления, кВт.; Ч – количество часов работы, ч. Расходы на электроэнергию представлены в таблице 5.6. Таблица 5.6 – Электропотребление Источники потребления Компьютер Освещение Фотоаппарат Видеокамера Комплекс осветительного оборудования Источник плоскопараллельного света Насос Принтер Итого, кВт*ч Мощность потребления, кВт 0,5 0,07 0,1 0,25 Кол-во часов работы, ч 144 90 60 60 Расход, КВт∙ч 72 6,3 6 15 0,23 1 0,5 0,25 60 40 10 2 13,8 40 5 0,5 158,6 Амортизация – перенесение по частям стоимости основных средств и нематериальных активов по мере их физического или морального износа на стоимость производимой продукции (работ, услуг). Таблица 5.7 – Амортизация Объекты Компьютер Принтер Фотоаппарат Кол-во Норма Величина Первич. часов Амортизаамортиамортизастоимость работы ция в час зации ции в год в год 20 40000 8000 1720 4,651163 20 5100 1020 10 102 20 39000 7800 675 11,55556 90 Кол-во часов работы СА 144 1 60 669,77 102 693,33

Видеокамера Комплекс осветительного оборудования Источник плоскопаралл ельного света Насос Объектив Sigma Объектив Nikon Итого: 20 300000 60000 675 88,88889 60 5333,33 20 12154,48 2430,896 675 3,601327 60 216,08 20 19655 3931 338 11,63018 40 465,21 20 58900 11780 169 69,70414 10 697,04 20 22000 4400 675 6,518519 60 391,11 20 65000 13000 675 19,25926 60 1155,56 9723,43 Расходы по заработной плате определяются по трудоемкости выполняемой работы и действующей системы окладов и тарифных ставок. В основную заработную плату вносится премия, которая выплачивается каждый месяц в размере 20 –30 % от оклада. Полная заработная плата работника: где Зполн = Зосн + Здоп , Зосн – основная заработная плата работника, руб.; Здоп = 0,15 ∙ Зосн – дополнительная заработная плата работников, участвующих в работе над проектом (составляет 10-15% от основной заработной платы). Размер основной заработной платы определяется по формуле: где Здн – Зосн = Здн ∙ Тр ; среднедневная заработная плата; Тр – суммарная продолжительность работ, выполняемая научно-техническим работником. Размер среднедневной заработной платы определяется по формуле: где Здн = ЗМ ∙ M ; Fд ЗМ – заработная плата за 1 месяц научно-технического работника; M – количество месяцев работы без отпуска в течение года (M = 11,2 для 5-ти дневной рабочей недели; M = 10,4 для 6-ти дневной рабочей недели); Fд – действительный годовой фонд рабочего времени научно-технического персонала, раб. дн. 91

Таблица 5.8 – Баланс рабочего времени Показатели рабочего времени Руководитель Инженер Число дней в году 366 366 Нерабочие дни Выходные дни Праздничные дни Нерабочие дни: Отпуск Больничный Действительный годовой фонд рабочего времени (Fд ) 74 52 22 48 48 0 74 52 22 24 24 0 244 292 Зарплата за один месяц научно-технического работника определяется по формуле: где Зм = ЗТС ∙ (1 + k пр + k Д ) ∙ k р , ЗТС – заработная плата по тарифной ставке; k р – районный коэффициент в г. Томске, равный 1,3; k пр – премиальный коэффициент, равный 0,3; k Д – коэффициент доплат и надбавок, равный 0,2. Заработная плата руководителя: ЗМ = ЗТС ∙ (1 + k пр + k Д ) ∙ k р = 20000 ∙ (1 + 0,3 + 0,2) ∙ 1,3 = 39000 руб. ; Здн = ЗМ ∙ M 39000 ∙ 10,4 = = 1662,3 руб. ; Fд 366 − 74 − 48 Зосн = Здн ∙ Тр = 1662,3 ∙ 6 = 9973,8 руб. ; ЗП = Зосн + Здоп = Зосн + 0,15 ∙ Зосн = 1,15 ∙ 9973,8 = 11469,9 руб. Заработная плата инженера: ЗМ = ЗТС ∙ (1 + k пр + k Д ) ∙ k р = 10000 ∙ (1 + 0,3 + 0,2) ∙ 1,3 = 19500 руб. ; Здн = ЗМ ∙ M 19500 ∙ 11,2 = = 814,9 руб. ; Fд 366 − 74 − 24 Зосн = Здн ∙ Тр = 814,9 ∙ 73 = 59487,7руб. ; ЗП = Зосн + Здоп = Зосн + 0,15 ∙ Зосн = 1,15 ∙ 59487,7 = 68410,9 руб. Суммарные затраты на заработную плату работников: 92

Cз.пл. = 11469,9 + 68410,9 = 79880,7 руб. Отчисления на социальные нужды включают в себя отчисления во внебюджетные фонды: пенсионный фонд, фонд ОМС и т.д. Коэффициент отчислений на уплату во внебюджетные фонды 𝑘внеб составляет 30%.Тогда расходы на социальные нужды: Cс.н. = k внеб ∙ Cз.пл. = 0,3 ∙ 79880,7 = 23964,2 руб. Накладные расходы учитывают прочие затраты организации, которые не попали в предыдущие статьи расходов. Накладные расходы находятся по выражению: Снакл = (Cм.з + CА + Cз.пл. + Cс.н. ) ∙ 𝑘нр ; где 𝑘нр – коэффициент, учитывающий накладные расходы в размере 16%, Снакл = (74172 + 9723,43 + 79880,7 + 23964,2) ∙ 0,16 = 30038,5 руб. Полная стоимость проекта составит: ∑ C = Cм.з + CА + Cз.пл. + Cс.н. + Снакл = = 74172 + 9723,43 + 79880,7 + 23964,2 + 30038,5 = 217778,8 руб. 5.3 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 5.3.1 Определение финансовой эффективности и ресурсоэффективности Определение бюджета затрат на научно-исследовательский проект по трем вариантам исполнения приведено в таблице 5.9, где исполнение 2 включает в себя использование сверхскоростной видеокамеры для научных исследований Phantom Miro M/R/LC310 стоимостью 1339477 рублей, вместо нынешней фотокамеры D7100, а исполнение 3 характеризуется тем, что установка (стенд) уже собран и докупать оборудование не нужно. 93

Таблица 5.9 – Расчет бюджета затрат Наименование статьи Текущее исп. 74172 9723,43 23964,2 Сумма, руб. Исп.2 Исп.3 1363480,93 28203 23964,2 13172 9723,43 23964,2 79880,7 79880,7 79880,7 Накладные расходы (16 % от суммы ст. 1-4) 30038,5 248680,5 29674,3 Бюджет затрат проекта (Сумма ст. 1- 5) 217778,8 1744209,3 156414,6 Материальные затраты проекта Амортизация Отчисления на социальные нужды Затраты по основной заработной плате исполнителей темы Интегральные показатели финансовой эффективности научного исследования: 𝐼 исп.1 = 217778,8 = 0,12; 1744209,3 𝐼 исп.3 = 156414,6 = 0,09. 1744209,3 𝐼 исп.2 = 1744209,3 = 1; 1744209,3 В таблице 5.10 представлена оценка характеристик вариантов исполнения проекта. Таблица 5.10 – Оценка характеристик вариантов исполнения проекта Объект исследования Весовой коэффициент параметра Текущее исп. Исп.2 Исп.3 1. Скорость выполнения проекта 0,25 5 5 1 2. Финансовая возможность выполнения проекта 0,3 4 1 5 3. Точность результатов 0,25 4 5 3 4. Энергосбережение 0,05 2 2 2 5. Надежность 0,15 5 5 5 Критерии Расчет интегрального показателя ресурсоэффективности: 94

р 𝐼исп.1 = 5 ∙ 0,25 + 4 ∙ 0,3 + 4 ∙ 0,25 + 2 ∙ 0,05 + 5 ∙ 0,15 = 4,3; р 𝐼исп.2 = 5 ∙ 0,25 + 1 ∙ 0,3 + 5 ∙ 0,25 + 2 ∙ 0,05 + 5 ∙ 0,15 = 3,65; р 𝐼исп.3 = 1 ∙ 0,25 + 5 ∙ 0,3 + 3 ∙ 0,25 + 2 ∙ 0,05 + 5 ∙ 0,15 = 3,35. Из расчетов выявлено, что текущий проект по интегральному показателю ресурсоэффективности вариантов является разработки раздела выгодным и превосходит аналоги. Выводы по разделу В результате проведения «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» было выяснено, что данное исследование оправдывает физические и материальные затраты. 1. Выявлены потенциальные потребители результатов исследования. 2. Выявлено два конкурента: химическая обработка и поверхностные покрытия. Проведён анализ конкурентных технических решений, который показал, что лазерное текстурирование имеет преимущество по таким показателям, как экологичность, скорость получения поверхностей, имеет минимальные требований к помещению и трудоемкость. 3. В ходе SWOT-анализа установлено, что необходимо сделать упор на такие сильные стороны, как экологичность, быстрота и экономичность метода, так как именно эти сильные стороны проекта связаны с наибольшим количеством возможностей. Что касается слабых стороны, необходимо обратить внимание на улучшение технических параметров и на создание более дешевых лазерных установок. Работа над этими недостатками позволить повысить конкурентоспособность, уменьшить влияние внешних угроз на проект. 4. В ходе полной оценки стоимости проведения научного исследования был сформирован его бюджет. Все имевшееся на момент 95

начала проведения исследования оборудование было принято, как вновь купленное по текущим ценам. Для имевшегося оборудования рассчитана амортизация, оборудование стоимостью меньше 100000 руб. считалось приобретенным. Полная стоимость проекта 217778,8 руб., из них материальные затраты 74172руб., амортизация 9723,43руб., заработная плата участников проекта 79880,7 руб., продолжительность выполнения работы 122 календарных дня, электропотребление 158,6 кВт*ч. Полная заработная плата инженера превышает полную заработную плату научного руководителя вследствие гораздо большего затраченного времени в проекте. 5. С точки зрения ресурсоэффективности, данный проект является перспективным и конкурентоспособным. 96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ По результатам проведенного обзора литературы, посвященной исследованию смачивания и растекания малых объемов жидкости по текстурированным поверхностям, установлено, что механизм инверсии свойств смачиваемости после лазерного текстурирования на данный момент остается не изучен на достаточном уровне, позволяющем прогнозировать изменение свойств смачиваемости. Существует несколько гипотез, объясняющих механизм инверсии свойств смачиваемости на поверхностях металлов. Первая гипотеза гласит, что оксиды металлов, генерирующиеся при лазерной обработке, очень активны и имеют тенденцию реагировать с окружающими молекулами с течением времени, уменьшая поверхностную энергию и смачиваемость как следствие. Вторая гипотеза о том, что основной причиной изменения смачиваемости поверхности является шероховатость. Существует и третья гипотеза, что изменение смачиваемости связано с изменением элементного состава поверхности. Стабильные супергидрофобные и супергидрофильные поверхности могут быть созданы с использованием пикосекундной, фемтосекундной и наносекундной и лазерной обработки. Изготавливают такие поверхности чаще всего из материалов, хорошо зарекомендовавших себя в производстве, таких как нержавеющая сталь, медь и алюминий. Метод нанесения микроструктуры лазерным излучением имеет достоинства: это бесконтактный, не требующий серьезных капиталовложений метод, который легко использовать, можно получить широкий диапазон текстур (ограничен только параметрами лазерной установки), можно получать текстуры на разных материалах. Рассмотрено несколько моделей для описания процесса смачивания. Одна, из которых, основана на молекулярно-кинетической теории, в этой модели смачивание рассматривается с точки зрения кинетики молекулярных процессов, происходящих на линии трехфазного контакта. Другая модель основана на гидродинамике, в ней рассматривается влияние вязких 97

напряжений на изменение контактного угла при движении трехфазной линии контакта. Анализ литературных экспериментальных достаточно источников исследований, типичной жидкости и обобщение выполненных (воды) и с широко результатов использованием применяемого в промышленности материала (стали), дают основания для вывода о том, что текстурирование поверхностей металлов лазерным излучением является перспективным и актуальным направлением научных исследований. По результатам проведенных исследований сформулированы следующие основные результаты и выводы: Установлено, что при падении одиночного лазерного луча при 1. фиксированной энергии в импульсе 1 мДж (мощность 20 Вт), частоте 20 кГц, времени воздействия 200 нс на поверхности стали формировался элемент текстуры (кратер) в форме близкой к чашеобразной, диаметр которого составил 90,7 ± 3,2 мкм. Используя геометрические размеры элемента текстуры, определены параметры лазерного излучения (скорость линейного перемещения лазерного луча и количество линий прохода на 1 мм) для формирования наложение (𝜐 = 1269,8 мм/с , n = 15 мм−1 (30% анизотропных элемента текстуры); 𝜐 = 725,6 мм/с , n = 27 мм−1 (60% наложение элемента текстуры)) и упорядоченных текстур (𝜐 = 1814 мм/с , n = 11 мм−1 (с соприкасающимися кратерами); 𝜐 = 3628 мм/с , n = 5 мм−1 (с расстоянием между кратерами равным двум диаметрам кратера)). 2. свойств После лазерного текстурирования зарегистрирована инверсия смачиваемости текстурирования поверхности поверхности стали. Непосредственно характеризовались после гидрофильными свойствами со СКУ < 90° . По прошествии времени зарегистрирован рост контактного угла, стабилизация, которого происходила через 11 для текстуры с расстоянием между кратерами равном двум диаметрам кратера и 48 дней для текстуры с соприкасающимися кратерами. Для анизотропных текстур по 98

прошествии 117 дней стабилизация свойств смачиваемости не зарегистрирована, рост контактного угла продолжается. Установлено, 3. что значения среднего расстояния между молекулярными перемещениями λ больше размера молекулы H2O (0,28 нм) и лежит в пределах 0,36–2,95 нм. Полученный диапазон согласуется с результатами расчетов [71–75]. Зарегистрирована зависимость среднего расстояния между молекулярными перемещениями от шероховатости поверхности, в случае наступающей и отступающей линии трехфазного контакта λ уменьшается с увеличением шероховатости в последовательности поверхностей №4–№3–№1–№2. 4. Установлено, что частота случайных молекулярных перемещений k0 также как λ, зависит от шероховатости поверхности, с ростом шероховатости частота случайных молекулярных перемещений уменьшается в последовательности поверхностей №4–№3–№1–№2. 5. Зависимости ГДМ неудовлетворительно описывают экспериментальные данные согласно коэффициенту детерминации (таблицы 3.11-3.13). Аппроксимационные кривые в рассматриваемом диапазоне динамических контактных углов (30–90°) и чисел капиллярности (10-10–10-5) близки к линейному виду. Эти кривые не удовлетворительно описывают экспериментальные данные (рисунок 3.6). Параметр – логарифм отношения характерного размера макроскопической и микроскопической областей ln(L⁄Lm ) в этом случае физически не обоснован. Характеристическая длина макроскопической области L принимается равной капиллярной постоянной жидкости, длина микроскопической области Lm в исследованиях других авторов [71] имеет порядок длины свободного пробега молекулы. Следовательно, величина ln(L⁄Lm ) должна лежать в диапазоне 10 – 100 [71]. Полученные в настоящей работе величины логарифма имеют порядок 105, что значительно превышает этот диапазон. 6. По результатам проведенного анализа установлено, что в области малых чисел капиллярности от 10-10 до 10-5 уравнение молекулярно99

кинетической модели, лучше аппроксимирует экспериментальные данные по сравнению уравнением гидродинамической модели. Последнее подтверждается коэффициентами детерминации. В результате разработки раздела «Социальная ответственность» определены правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности. Приведены сведения о возможных опасностях и вредных факторах, ожидающих работников во время рабочей деятельности, а так же возможности предотвращения этих опасностей. Рассмотрено пагубное воздействие люминесцентных ламп а также твердых бытовых отходов на окружающую среду и приведен способ экологичной утилизации таких отходов. Приведены меры по предотвращению чрезвычайных ситуаций. В результате разработки раздела «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» выяснено, что проводимое в настоящей работе исследование оправдывает физические и материальные затраты. Оценены экономические аспекты научно-исследовательской работы по исследованию свойства смачивания и процесса растекания капель жидкости по текстурированным лазерным излучением поверхностям стали. Выявлены потенциальные потребители результатов исследования. Проведён анализ конкурентных ресурсоэффективности, технических данный проект конкурентоспособным. 100 решений. является С точки зрения перспективным и

Список использованных источников 1. Zhang F. et al. Preparation of superhydrophobic films on titanium as effective corrosion barriers // Appl. Surf. Sci. Elsevier B.V., 2011. Vol. 257, № 7. P. 2587–2591. 2. Arima Y., Iwata H. Effect of wettability and surface functional groups on protein adsorption and cell adhesion using well-defined mixed selfassembled monolayers // Biomaterials. 2007. Vol. 28, № 20. P. 3074–3082. 3. Riveiro A. et al. Laser surface texturing of polymers for biomedical applications // Front. Phys. 2018. Vol. 5, № FEB. 4. Betz A.R. et al. Do surfaces with mixed hydrophilic and hydrophobic areas enhance pool boiling? // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97, № 14. P. 2012– 2015. 5. Pou P. et al. Laser texturing of stainless steel under different processing atmospheres: From superhydrophilic to superhydrophobic surfaces // Appl. Surf. Sci. Elsevier B.V., 2019. Vol. 475. P. 896–905. 6. A.V. Ryzhenkov, M.R. Dasaev, S.V. Grigoryev A.V.K. The Influence of Structured Relief on Wetting Properties of Zinc Plated Steel Surface // Int. J. Emerg. Trends Eng. Res. 2020. Vol. 8. P. 164–169. 7. Kietzig A., Mirvakili M.N. Journal of Adhesion Science and Laser-Patterned Super- Hydrophobic Pure Metallic Substrates : Cassie to Wenzel Wetting Transitions. 2012. № July 2013. P. 2789–2809. 8. Riveiro A. et al. Laser surface modification of PEEK // Appl. Surf. Sci. 2012. Vol. 258, № 23. P. 9437–9442. 9. Qiao J. et al. The effect of attributes of micro-shapes of laser surface texture on the wettability of WC-CrCo metal ceramic coatings // Surf. Coatings Technol. Elsevier B.V, 2018. Vol. 334. P. 429–437. 10. Chantada A. et al. Increasing the hydrophobicity degree of stonework by means of laser surface texturing: An application on Zimbabwe black granites // Appl. Surf. Sci. 2017. Vol. 418. P. 463–471. 11. Long J. et al. Superhydrophilicity to superhydrophobicity transition of 101

picosecond laser microstructured aluminum in ambient air // J. Colloid Interface Sci. Elsevier Inc., 2015. Vol. 441. P. 1–9. 12. Cardoso J.T. et al. Influence of ambient conditions on the evolution of wettability properties of an IR-, ns-laser textured aluminium alloy // RSC Adv. 2017. Vol. 7, № 63. P. 39617–39627. 13. Long J. et al. Cassie-State Stability of Metallic Superhydrophobic Surfaces with Various Micro/Nanostructures Produced by a Femtosecond Laser // Langmuir. 2016. Vol. 32, № 4. P. 1065–1072. 14. Moradi S. et al. Femtosecond laser irradiation of metallic surfaces: Effects of laser parameters on superhydrophobicity // Nanotechnology. 2013. Vol. 24, № 41. 15. Razi S., Madanipour K., Mollabashi M. Laser surface texturing of 316L stainless steel in air and water: A method for increasing hydrophilicity via direct creation of microstructures // Opt. Laser Technol. Elsevier, 2016. Vol. 80. P. 237–246. 16. Kam D.H., Bhattacharya S., Mazumder J. Control of the wetting properties of an AISI 316L stainless steel surface by femtosecond laser-induced surface modification // J. Micromechanics Microengineering. 2012. Vol. 22, № 10. 17. Ta D. V. et al. Nanosecond laser textured superhydrophobic metallic surfaces and their chemical sensing applications // Appl. Surf. Sci. Elsevier B.V., 2015. Vol. 357. P. 248–254. 18. Rajab F.H., Liu Z., Li L. Production of stable superhydrophilic surfaces on 316L steel by simultaneous laser texturing and SiO 2 deposition // Appl. Surf. Sci. Elsevier B.V., 2018. Vol. 427. P. 1135–1145. 19. Feng L. et al. Super-hydrophobic surfaces: From natural to artificial // Adv. Mater. 2002. Vol. 14, № 24. P. 1857–1860. 20. Drelich J. et al. Hydrophilic and superhydrophilic surfaces and materials // Soft Matter. 2011. Vol. 7, № 21. P. 9804–9828. 21. Wang S. et al. Bioinspired surfaces with superwettability: New insight on theory, design, and applications // Chem. Rev. 2015. Vol. 115, № 16. P. 102

8230–8293. 22. Su B., Tian Y., Jiang L. Bioinspired Interfaces with Superwettability: From Materials to Chemistry // J. Am. Chem. Soc. 2016. Vol. 138, № 6. P. 1727– 1748. 23. Young T. An essay on the cohesion of fluids // Philos. Trans. R. Soc. London. B, Biol. Sci. 1805. Vol. 95, № 1113. P. 65–87. 24. Wenzel R.N. Resistance of solid surfaces to wetting by water // Ind. Eng. Chem. 1936. Vol. 28, № 8. P. 988–994. 25. Cassie A.B.D. Contact Angels // Discuss. Faraday Soc. 1948. Vol. 3. P. 11– 16. 26. Cassie B.D. Of porous surfaces,. 1944. № 5. P. 546–551. 27. Ren N. et al. Nanostructured titanate with different metal ions on the surface of metallic titanium: A facile approach for regulation of rBMSCs fate on titanium implants // Small. 2014. Vol. 10, № 15. P. 3169–3180. 28. Zhang L., Zhao N., Xu J. Fabrication and application of superhydrophilic surfaces: A review // J. Adhes. Sci. Technol. 2014. Vol. 28, № 8–9. P. 769– 790. 29. Takata Y. et al. Pool boiling on a superhydrophilic surface // Int. J. Energy Res. 2003. Vol. 27, № 2. P. 111–119. 30. Piret G. et al. Biomolecule and nanoparticle transfer on patterned and heterogeneously wetted superhydrophobic silicon nanowire surfaces // Langmuir. 2008. Vol. 24, № 5. P. 1670–1672. 31. Byon C. et al. Drag reduction in Stokes flows over spheres with nanostructured superhydrophilic surfaces // J. Appl. Phys. 2010. Vol. 107, № 6. P. 3–6. 32. Kim P. et al. Liquid-infused nanostructured surfaces with extreme anti-ice and anti-frost performance // ACS Nano. 2012. Vol. 6, № 8. P. 6569–6577. 33. Chang F.M. et al. Superhydrophilicity to superhydrophobicity transition of CuO nanowire films // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96, № 11. P. 96–99. 34. Long J. et al. Wettability conversion of ultrafast laser structured copper 103

surface // J. Laser Appl. 2015. Vol. 27, № S2. P. S29107. 35. Niemi R. et al. Surface pretreatment of austenitic stainless steel and copper by chemical, plasma electrolytic or CO2 cryoblasting techniques for sol-gel coating // Surf. Coatings Technol. Elsevier B.V., 2010. Vol. 204, № 15. P. 2424–2431. 36. McDonnell A.M.P. et al. Hydrophilic and antimicrobial zeolite coatings for gravity-independent water separation // Adv. Funct. Mater. 2005. Vol. 15, № 2. P. 336–340. 37. Jennissen H.P., Lattner D. Preparation and properties of ultra-hydrophilic surfaces on titanium and steel // Materwiss. Werksttech. 2009. Vol. 40, № 1– 2. P. 108–116. 38. Gaggl A. et al. Scanning electron microscopical analysis of laser-treated titanium implant surfaces-a comparative study // Biomaterials. 2000. Vol. 21, № 10. P. 1067–1073. 39. Peto G. et al. Surface treatment of screw shaped titanium dental implants by high intensity laser pulses // Appl. Surf. Sci. 2002. Vol. 186, № 1–4. P. 7–13. 40. Wang X. et al. Picosecond Laser Surface Texturing of a Stavax Steel Substrate for Wettability Control // Engineering. Chinese Academy of Engineering, 2018. Vol. 4, № 6. P. 816–821. 41. Ma C. et al. Fabrication of Regular Hierarchical Structures with Superhydrophobic and High Adhesion Performances on a 304 Stainless Steel Surface via Picosecond Laser // J. Bionic Eng. 2019. Vol. 16, № 5. P. 806– 813. 42. Rukosuyev M. V. et al. One-step fabrication of superhydrophobic hierarchical structures by femtosecond laser ablation // Appl. Surf. Sci. Elsevier B.V., 2014. Vol. 313. P. 411–417. 43. Kietzig A.M., Hatzikiriakos S.G., Englezos P. Patterned superhydrophobic metallic surfaces // Langmuir. 2009. Vol. 25, № 8. P. 4821–4827. 44. Wu B. et al. Superhydrophobic surfaces fabricated by microstructuring of stainless steel using a femtosecond laser // Appl. Surf. Sci. 2009. Vol. 256, № 104

1. P. 61–66. 45. Jagdheesh R. et al. Laser-induced nanoscale superhydrophobic structures on metal surfaces // Langmuir. 2011. Vol. 27, № 13. P. 8464–8469. 46. Tang M. et al. Laser ablation of metal substrates for super-hydrophobic effect // J. Laser Micro Nanoeng. 2011. Vol. 6, № 1. P. 6–9. 47. Vorobyev A.Y., Guo C. Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses // J. Appl. Phys. 2015. Vol. 117, № 3. 48. Su F., Yao K. Facile fabrication of superhydrophobic surface with excellent mechanical abrasion and corrosion resistance on copper substrate by a novel method // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. Vol. 6, № 11. P. 8762–8770. 49. Zhang B. et al. Fabrication of superhydrophobic surfaces on metal substrates by nanosecond laser // Key Eng. Mater. 2019. Vol. 815 KEM. P. 48–53. 50. Dussan E.B. On the Spreading of Liquids on Solid Surfaces: Static and Dynamic Contact Lines // Annu. Rev. Fluid Mech. 1979. Vol. 11, № 1. P. 371–400. 51. Lawrence J., Waugh D.G. Creating superhydrophobic surface structures via the rose petal effect on stainless steel with a picosecond laser // Lasers Eng. 2017. Vol. 37, № 1–3. P. 125–134. 52. Blake T.D., Haynes J.M. Kinetics of liquid liquid displacement // J. Colloid Interface Sci. 1969. Vol. 30, № 3. P. 421–423. 53. Cherry B.., Holmes C.. Kinetics of wetting of surfaces by polymers // J. Colloid Interface Sci. 1969. Vol. 29, № 1. P. 174–176. 54. Ruckenstein E., Dunn C.S. Slip velocity during wetting of solids // J. Colloid Interface Sci. 1977. Vol. 59, № 1. P. 135–138. 55. Biance A.L., Clanet C., Quéré D. First steps in the spreading of a liquid droplet // Phys. Rev. E - Stat. Physics, Plasmas, Fluids, Relat. Interdiscip. Top. 2004. Vol. 69, № 1. P. 4. 56. De Ruijter M.J. et al. Contact angle relaxation during the spreading of partially wetting drops // Langmuir. 1997. Vol. 13, № 26. P. 7293–7298. 57. Shikhmurzaev Y.D. Spreading of drops on solid surfaces in a quasi-static 105

regime // Phys. Fluids. 1997. Vol. 9, № 2. P. 266–275. 58. Shikhmurzaev Y.D. Moving contact lines in liquid/liquid/solid systems // J. Fluid Mech. 1997. Vol. 334, № September 2000. P. 211–249. 59. Hansen R.J., Toong T.Y. Dynamic contact angle and its relationship to forces of hydrodynamic origin // J. Colloid Interface Sci. 1971. Vol. 37, № 1. P. 196–207. 60. Blake T.D. The physics of moving wetting lines // J. Colloid Interface Sci. 2006. Vol. 299, № 1. P. 1–13. 61. Huh C., Scriven L.E. Shapes of axisymmetric fluid interfaces of unbounded extent // J. Colloid Interface Sci. 1969. Vol. 30, № 3. P. 323–337. 62. Voinov O. V. Hydrodynamics of wetting // Fluid Dyn. 1976. Vol. 11, № 5. P. 714–721. 63. By P., Co I. Langmuir Blodgett Deposition. 1998. Vol. 9, № 7. P. 2490– 2496. 64. Kistler S.F., Schweizer P.M. Liquid Film Coating: Scientific principles and their technological implocations // Liquid Film Coating: Scientific principles and their technological implocations. 1997. 65. Petrov J.G. et al. Dynamics of partial wetting and dewetting in wen-defined systems // J. Phys. Chem. B. 2003. Vol. 107, № 7. P. 1634–1645. 66. Brochard-Wyatt F., De Gennes P.G. Dewetting of a water film between a solid and a rubber // J. Phys. Condens. Matter. 1994. Vol. 6, № 23A. 67. De Ruijter M.J., De Coninck J., Oshanin G. Droplet spreading: Partial wetting regime revisited // Langmuir. 1999. Vol. 15, № 6. P. 2209–2216. 68. Blake T.D., Dobson R.A., Ruschak K.J. Wetting at high capillary numbers // J. Colloid Interface Sci. 2004. Vol. 279, № 1. P. 198–205. 69. Н.С. Кравченко О.Г.Р. Методы обработки результатов измерений и оценки погрешностей в учебном лабораторном практикуме: учебное пособие; Томский политехнический университет.-2-е изд.,перераб.Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 2017. 120 p. 70. Orlova E.G. et al. Spreading of a distilled water droplet over polished and 106

laser-treated aluminum surfaces // Eur. J. Mech. B/Fluids. Elsevier Masson SAS., 2018. Vol. 68. P. 118–127. 71. Fetzer R., Ramiasa M., Ralston J. Dynamics of liquid-liquid displacement // Langmuir. 2009. Vol. 25, № 14. P. 8069–8074. 72. Snoeijer J.H. Free-surface flows with large slopes: Beyond lubrication theory // Phys. Fluids. 2006. Vol. 18, № 2. P. 1–5. 73. Blake T.D., Bracke M., Shikhmurzaev Y.D. Experimental evidence of nonlocal hydrodynamic influence on the dynamic contact angle // Phys. Fluids. 1999. Vol. 11, № 8. P. 1995–2007. 74. Ranabothu S.R., Karnezis C., Dai L.L. Dynamic wetting: Hydrodynamic or molecular-kinetic? // J. Colloid Interface Sci. 2005. Vol. 288, № 1. P. 213– 221. 75. Hayes R.A., Ralston J. Forced liquid movement on low energy surfaces // Journal of Colloid And Interface Science. 1993. Vol. 159, № 2. P. 429–438. 76. ГОСТ 12.2.032-78 ССБТ «Система стандартов безопасности труда. Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие эргономические требования» 77. СанПиН 2.2.2.542-96 «Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам» 78. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» 79. СП 52.13330.2011 «Свод правил естественное и искусственное освещение» 80. СП 52.13330.2016 Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95* 81. ГОСТ 12.1.005-87 «Система стандартов безопасности труда. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования» 82. СанПиН 2.2.4.548–96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» 107

83. ГОСТ 12.0.003-74ССБТ «Система стандартов безопасности труда, опасные и вредные факторы» 84. СанПиН 2.2.4.1191-03 «Физические факторы производственной среды электромагнитные поля в производственных условиях» 85. ГОСТ 12.1.005-88 «Система стандартов безопасности труда» 86. ГОСТ 12.1.045–84 «Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля» 87. СанПиН 2.2.2./2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» 88. РД 39-22-113-78 «Временные правила защиты от проявлений статического электричества» 89. ГОСТ 12.1.030-81ССБТ «Электробезопасность» 90. ГОСТ 12.4.113-82 «Система стандартов безопасности труда» 91. ГОСТ 12.1.009-2016 «Межгосударственный стандарт система стандартов безопасности труда. Электробезопасность.» 92. ГОСТ 17.4.1.02-83 «Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнений» 93. ГОСТ 12.1.007–76ССБТ. «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности» 94. ГОСТ 30772-2001 «Ресурсосбережение. Обращение с отходами. 95. СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений» 96. ГОСТ Р 22.0.01-2016 «Безопасность в ЧС. Защита населения» 108

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв