Научна дейност

Submitted by stanislav on Mon, 11/27/2023 - 16:20

За четвърта поредна година имената на двама наши колеги изследователи са включени в списъка с топ 2% на най-добрите учени в света в класация на Станфордския университет (2020, 2021, 2022 и 2023 г.):
проф. дхн инж. Мартин Божинов в област "Енергия" и доц. д-р инж. Ангелина Попова в област "Материали".

  

Корозия на конструктивни материали в ядрени централи

Предложен е модел за окисление на циркониеви сплави като обвивки на горивото на ядрени реактори. Моделът отчита влиянието на механичните напрежения при растеж на оксида и пространствения товар на неподвижни алиовалентни примеси върху кинетиката на окисление. Моделът е успешно параметризиран чрез нелинейна регресия на in-situ импедансни спектри и е в съгласие със състава на оксидните слоеве, оценен с ex-situ методи. Стойностите на оценените параметри са съпоставени с литературни и експлоатационни данни.

Разработен е количествен детерминистичен модел на отлагане и консолидация на магнетитови частици върху конструктивен материал на тръбите на паро-генераторите на ядрени централи. Консолидация на шлам е процес на вторична кристализация, като Fe(OH)2 и Fe3O4 играят ролята на свързващо вещество на индивидуалните частици на шлама, като затрудняват тяхното отделяне от повърхността.  Моделът е параметризиран въз основа на ключови параметри, оценени от количествено сравняване на експерименталните импедансни спектри с неговите уравнеиия и валидиран с експлоатационни данни за паро-генератори на ядрени централи.

Определени са енергиите на взаимодействие, скоростните константи и транспортни коефициенти, които характеризират процесите на растеж на оксид върху вентилни метали (Ti, Mo, Al), разтваряне и зараждане на порите на границата оксид|електролит. Доразработен, разширен и параметризиран е количественият детерминистичен модел на растежа на оксидни филми разтварянето на метал през тях като основни процеси при инициирането и нарастването на нанопорьозни оксиди на вентилни метали.Разработени са методики за фото-електрохимични и електрохимични измервания с цел in-situ проследяване на различните стадии на процеса на формиране на оксидни филми с фотокаталитични свойства чрез анодно окисление на Ti, Mo, W и Ti сплави. Установен е количественият ред на значимост на ключовите параметри на процеса на получаване на оксидни филми – приложен потенциал, концентрация на флуоридни йони в електролита и време на окисление. Резултатите са в процес на приложение за разширено калибриране и валидиране на детерминистичния модел чрез количествена оценка на процесите на повърхностна и обемна рекомбинация на точкови дефекти в оксида при неговия растеж и разтваряне.

Изследване на водохимичните режими в ядрени централи

 

 

 

Изцяло конструиран, симулиран и изграден в лабораториите рециркулационен контур за симулиране на високотемпературна електрохимия с възможност да работи както  самостоятелно така и свързан със лабораторен автоклав на фирмата PARR Technology. С помощта на системите за симулиране на високотемпературни електрохимични процеси при високо налягане се симулират и изпитват корозьонните процеси на материали в различни водохимични режими за Атомната електроцентрала Козлодуй, както и за различни ТЕЦ в България. С приставката за ускоряване на скоростта на потока на топлоносителя (вода) може да се изследва корозьонната ерозия на металите и сплавите при високи стойности на числото на Reynolds. Чрез числото на Reynolds може да се определи дали потока е ламинарен или турболентен. Турболентният поток ускорява процесите на корозьонна ерозия.
                                               

Анодни филми върху металите

Поради все по-широкото си приложение анодните оксидни филми върху металите са обект на непрекъснати и задълбочени експериментални и теоретични изследвания. На тяхна основа се произвеждат всички електролитни, оксидно-полупроводникови и метало-оксидни кондензатори, както и редица други електронни елементи. В последните години нарастна интересът към електрохимичното формиране нано-порести и нано-тубуларни структури върху редица метали. Тези структури намират приложение  в различни електронни прибори, катализатори, опто-електронни устройства, сензори, фотонни кристали и вълноводи. Тези пасивни филми позволяват да бъде изучена миграцията на електрични товари (йони, електрони, дефекти) през тънки диелектрични и полупроводникови слоеве в условия на силни електрични полета. 

АНОДНИ ФИЛМИ ВЪРХУ АЛУМИНИЙ И НЕГОВИТЕ СПЛАВИ
Алуминият и неговите сплави (ниско и високо легирани) намират все по-широко приложение като конструктивни материали както в масовото производство, така и в редица високотехнологични изделия. Въпреки това, надеждната дългосрочна експлоатация на изделията от алуминий е ограничена поради корозията им в кислород съдържащи среди. 
Анодирането на алуминия и неговите сплави е сравнително лесен подход за формиране върху тяхната повърхност на защитни анодни алуминиеви оксиди (ААО). Този електрохимичен процес позволява контрол на основните им характеристики (дебелина, диаметър и дълбочина на порите, твърдост, цвят, хидрофобност и др.). В зависимост от условията на тяхното формиране върху алуминия и неговите сплави са формират два основни типа ААО покрития: бариерни и порести.


Бариерен (а) и порест (b) аноден оксиден филм

Бариерните анодни филми имат плоско-паралелен строеж, с равномерна дебелина като точно повтарят релефа на металната повърхност. Порестите анодни Al2O3-филми притежават двуслойна структура. На границата метал/оксиден филм се образува бариерен подслой. Над него израства значително по-дебел порест слой, чиито пори са разположени нормално спрямо повърхността на метала.

ОСНОВНИ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИ ИЗУЧАНАТО НА ААО ФИЛМИТЕ
Бариерни анодни филми Изследване кинетиката в различни водни и неводни контактни електролити. Формиране в галваностатичен (J = const) режим, при снемане изменението на формиращото напрежение (Uf) от времето (t). Определяне на пробивните напрежения (UB), които лимитират максималната дебелина на филмите. Определяне на оптималните параметри за формиране филми с възпроизводими характеристики (диелектрични свойства, дебелини, максимални работни напрежения). Влияние на природата и концентрацията на контактния електролит, плътността на тока и времето на поляризация. 
Порести алуминиеви анодни Al2O3-филми  Кинетика и свойства на формирани при различни условия порести ААО-филми. Корозионни тестове. Внедряване чрез АС-поляризация на различни метали (сребро, никел, мед, кобалт) в порите на ААО матриците. Различни режими на инкорпориране (плътност на тока, напрежение, форма и честота на сигнала). Определяне на основните физични свойства и морфология на внедрените с метали ААО слоеве при вариране условията на процеса. Изследване на възможностите порестите анодни Al2O3-филми да бъдат основа за формиране на конверсионни грундови слоеве.

  

Eлектростатика на квадруполни среди

Теоретично изследване на стабилността на колоидни системи – емулсии, пени, тънък течен филм, разтичане на филм върху твърда подложка и др. Разработване на теоретични модели, които описват адсорбцията на нейонни и йонни повърхностно-активни вещества (ПАВ) на границата вода|въздух или на междуфазова граница вода|масло, като се отчитат латералните взаимодействията между молекулите ПАВ на повърхността. В теоретичните модели се разглежда както равновесното състояние, така и кинетиката на адсорбция или десорбция на ПАВ. Обработка на експериментални данни на базата на разработените теоретични модели с цел да се извлекат параметрите, които описват напълно системата. Като резултат може да бъде пресметната адсорбцията на повърхността и в дифузионния слой (ако има такъв в случай на йонни ПАВ), повърхностното (междуфазовото) напрежение, разклинящото налягане в тънък течен филм и пр.
  Разработване на теоретичен модел на квадруполни среди – непрекъсната среда, в която се отчита квадруполения момент и квадруполяризуемостта на молекулите в средата. Уравненията на Максуел от класическата електростатика разглеждат непрекъснатите среди, като изградени от молекули, които биха могли да имат единствено диполен момент или да се поляризират. При разработването на квадруполната електростатика уравненията на Максуел са доразвити, като са добавени членове, които са свързани с квадруполите в непрекъснатата среда. Това спомага за много по-детайлното описание на дадена среда, като по този начин са открити и някои съществено нови ефекти. Например, собствената енергия на йон в диполна среда (като се отчитат само диполните моменти на молекулите) е безкрайна, но при отчитане на квадруполните моменти се оказва, че енергията на йона е с крайна стойност. Друг пример е електричното поле на безкрайно тънък плосък кондензатор – в диполна среда полето се изменя със скок, докато в квадруполна среда електричното поле се изменя равномерно и плавно. И при двата посочени примера се получават по-смислени физически резултати (без сингулярности), в случай че не се пренебрагват квадруполните моменти на молекулите, изграждащи средата. Моделът за квадруполни среди е приложен към редица течности и смеси от течности, където ефектът от квадруполите е по-съществен.

Молекулна динамика на липидни мембрани

Анализът на основните транспортни процеси в клетките и вирусите е свързан с изследване поведението на фосфолипидните бислоеве. Тези проучвания предоставят информация за функционалността на биологичните мембрани, което позволява създаването на нови и подобряването на вече съществуващи лекарствени вещества за някои сериозни заболявания. Методът на молекулната динамика (MD) е подходящ инструмент за описание на физичните свойства на биологични мембрани, съставени от фосфолипиди при стайна и физиологична температура.

  

SOPC липид (1-stearoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) често се използва във фундаментални изследвания, за да получите представа за физикохимичните свойства на липида системи и липозомни носители на биоактивни системи. Холестеролът играе важна роля в модулирането на течливостта на липидните мембрани, като по този начин влияе върху техните физични свойства. Чрез атомистична молекулна динамика със силово поле Slipids FF е получена представа за ефекта на холестерола върху физически характеристики на SOPC в интервал от температури в близост до експерименталната температура на фазов преход от гел към течност. Изучено е поведението на липидните бислоеве с различни концентрации на холестерол, вариращи от 10 mol% до 50 mol% при 273 K. Показано  е, че при 30 mol%  холестерол някои от свойствата се насищат и се проявява значително подреждане на далечни разстояния на липидните молекули в мембраната.