Физика. Физика твердого тела.

Байджанов А.Р., Баруздина О.С., Моисеева А.И.

Череповецкий государственный университет, Россия

Моделирование проникновения ионов кислорода в металл

Так как в последние годы промышленно развитые страны, обладающие большим металлофондом, увеличили использование высокопрочных материалов в особо агрессивных средах, борьба с коррозией приобрела особую актуальность в металлургической промышленности [1]. Одним из таких эффективных методов является нанесение на стальные листы полимерных покрытий, которые придают металлическим изделиям не только различные декоративные свойства, но и одновременно служат эффективным защитным средством. Согласно стратегическому плану развития металлургической промышленности Российской Федерации до 2020 года [2], в результате внедрения инновационных технологий планируется увеличить производство металла с различными покрытиями больше чем в 2 раза.

Механизм защитного действия полимерных химически стойких антикоррозионных покрытий определяется суммой их физико-химических свойств, связанных между собой и оказывающих друг на друга взаимное влияние [3]. Невозможность описания свойств полимерных тел классическими физическими законами (например, Гука или вязкого течения Ньютона) [4] требует создания специализированных моделей, основанных на их молекулярном строении. Цель данной работы заключается в разработке модели многоцепной полимерных системы с ориентационными внутри- и межмолекулярными взаимодействиями на поверхности металлического листа, в рамках которой можно провести исследование адгезионных, механических и изоляционных свойств покрытий.

С помощью предложенной модели для исследования изоляционных свойств покрытия было изучено движение иона внутри решетки. Потенциал взаимодействия иона с диполем какой-нибудь полимерной цепи вычисляется по формуле

где е – заряд электрона, – модуль дипольного момента, – радиус вектор, соединяющий ион и диполь.

Расчеты также производились методом Монте-Карло. Движение иона основывалось на проверке энергетической выгодности его положения в каждом из шести соседних ячеек: в программе вычислялась энергия нахождения иона во всех соседних ячейках при варьировании его положения. Затем из массива полученных значений энергии выбирается положение с меньшим значением. После этого запускается процедура определения вероятности перехода. Начальная и конечная энергия сравниваются, и на основе этого выясняется, происходит или нет переход иона в соседнюю ячейку. Используя рассмотренную процедуру определенное число раз, можно определить относительное количество электронов, достигших поверхности металлического листа.

В данной работе проведен расчет числа проникающих внутрь металла ионов кислорода при различных значениях толщины слоя полимерного покрытия, а также получена зависимость числа ионов, дошедших до граничной ячейки (металла), от числа слоев этого покрытия, при разных значениях концентрации ионов во внешней среде.

На рис. 1. показаны зависимости силы тока, возникающей между двумя электродами, разделенными полимерной пленкой, от числа слоев этой пленки, полученные экспериментально (кривая 1) и с помощью компьютерного моделирования (кривая 2).

Рис. 1. Зависимости силы тока, возникающей между двумя электродами, разделенными полимерной пленкой, от числа слоев этой пленки.

Литература:

1. Защита металлов от коррозии: современные технологии покрытий. Металлургический бюллетень. Информационно-аналитический журнал. [В Интернете] 2013 r. http://www.metalbulletin.ru/analytics/black/171.

2. Стратегия развития металлургической промышленности Российской Федерации до 2020 года. Минпромторг России. 2009.

3. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1969. стр. 319.

4. Аркадский А.А., Хохлов А.Р. Введение в физикохимию полимеров. М.: Научный мир, 2009. 384 с.