Моделі процесів дифузійного перенесення і методи оцінювання технологічних параметрів в багатошарових наноплівках

Abstract

У дисертаційній роботі вирішено важливе наукове завдання, яке полягає в розробці моделей процесів дифузійного перенесення в багатошарових наноплівках та комп’ютерній реалізації алгоритмів створених моделей. Обґрунтовано розв’язність математичних моделей дифузійного перенесення в багатошарових оксидних, Fe/Tb, Dy/Fe - магнітних наноплівках різної конфігурації, які описуються складним гібридним диференціальним оператором, та отримано аналітичний розв’язок, що в узагальненому вигляді описує вплив фізичних чинників внутрішньої кінетики переносу. Здійснено комп’ютерне моделювання та чисельні розрахунки полів розподілу концентрацій дифузійного переносу за розробленими математичними моделями. Проведено аналіз кінетичних профілів розподілів концентрацій для дифундованих шарів досліджуваних наномультикомпозитів в широкому діапазоні змін конструктивних та режимних параметрів, досліджено функціональні залежності концентрацій дифундованих компонентів від конструктивних параметрів робочих каналів, товщин шарів та фізичних властивостей компонентів з метою оцінки параметрів для використання в матеріало- та ресурсозбереженні.

В диссертационной работе решена важная научная задача, которая заключается в разработке моделей процессов диффузионного переноса в многослойных нанопленках и компьютерной реализации алгоритмов созданных моделей. Выполнены математические постановки физико-технологических моделей переноса в магнитных многослойных средах декартового и цилиндрического типа относительно разных конфигураций многокомпонентных сред, проведено обоснование внедрения гибридных интегральных преобразований для моделирования массопереноса в ограниченных, полуограниченных и неограниченных однородных и многосложных средах. С использованием интегральных преобразований Фурье, Фурье-Бесселя, Конторовича-Лебедева для различных сред разработаны алгоритмические схемы построения точных аналитических решений. Обоснованы решаемость математических моделей диффузионного переноса в многослойных оксидных, Fe/Tb, Dy/Fe - магнитных нанопленках различной конфигурации, которые описываются сложным гибридным дифференциальным оператором, и получено аналитическое решение, которое в обобщенном виде описывает влияние физических факторов внутренней кинетики переноса. Выполнено компьютерное моделирование и многочисленные расчеты полей распределения концентраций диффузионного переноса по разработанным математическим моделям. Это дало возможность осуществить проверки на адекватность параметров моделирования и физического эксперимента, в частности максимальное значение величины относительной погрешности экспериментального и модельного распределений концентраций соответствующих элементов не превышает 5-7%. Проведен анализ кинетических профилей распределений концентраций для дифундованных слоев исследуемых наномультикомпозитов в широком диапазоне изменений конструктивных и режимных параметров, исследованы функциональные зависимости концентраций дифундованных компонентов от конструктивных параметров рабочих каналов, толщин слоев и физических свойств компонентов с целью оценки параметров для использования в материало- и ресурсосбережении. Аналитическое решение математической модели, которое получено в общем виде, позволяет исследовать параметры многослойных сред, с различными начальными условиями и разной толщиной. Математическая методика, примененная к решению задачи процесса диффузии, может быть распространена на случай неплоских многослойных сред, так же как и для нелинейных систем, для которых коэффициент диффузии является функцией концентрации.

The important scientific task of developing the models of diffusion transference processes in multilayer nanofilms and computer implementation of the created models algorithms has been fulfilled in the thesis. Denouement of the mathematical diffusion transference models in the multilayer oxide, Fe / Tb, Dy / Fe - magnetic nanofilms of different configurations described by a complex hybrid differential operator has been founded and the analytical solution, which, in generalized way, describes the impact of internal transference kinetics physical factors has been obtained. The computer modelling and numeral calculations of the fields of distributing the concentration of the diffusion transference according to the developed mathematical models have been carried out. The kinetic profiles of concentration distributions for diffused layers of the under investigation nanomulticomposites in a wide range of the changes of constructive and operational parameters have been analysed, the functional dependence of concentrations of the diffused components on the constructive parameters of working channels, the layer thickness and physical properties of components in order to estimate the parameters for using in the materials and resources preservation have been investigated.