Том 27 № 3 2025 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кондратьев В.В., Гозбенко В.Е., Кононенко Р.В., Константинова М.В., Гусева Е.А. Определение основных параметров контактной точечной сварки алюминиевого сплава АМг-5....................................................................... 6 Гвинджилия В.Е., Фоминов Е.В., Марченко А.А., Лавренова Т.В., Дебеева С.А. Влияние скорости резания на импульсные изменения температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА.......................................................................................................................................................................... 23 Карелин Р.Д., Комаров В.С., Черкасов В.В., Осокин А.А., Сергиенко К.В., Юсупов В.С., Андреев В.А. Получение прутков и листов из сплава TiNiHf с высокотемпературным эффектом памяти формы методами продольной прокатки и ротационной ковки................................................................................................................................... 37 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства виброакустической эмиссии в системах диагностики износа режущего инструмента................................................................................................. 50 Жуков А.С., Ардашев Д.В., Батуев В.В., Кулыгин В.Л., Шулежко Е.И. Модальный анализ шлифовальных кругов различных характеристик для определения их интегральных упругих показателей....................................... 71 Нишандар С.В., Пайс А.Т., Багаде П.М. Численное и экспериментальное исследование интенсификации теплообмена в трубах с шероховатой поверхностью....................................................................................................... 87 Носенко В.А., Ривас Перес Д.Э., Александров А.А., Саразов А.В. Влияние способа измельчения на коэффициент формы зерен карбида кремния черного................................................................................................................. 108 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки.............................................................................................. 122 Ковалевская Ж.Г., Лю Ю. Влияние термической обработки на строение и свойства высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................... 137 Сирота В.В., Прохоренков Д.С., Чуриков А.С., Подгорный Д.С., Алфимова Н.И., Коннов А.В. Коррозионные свойства покрытий из самофлюсующихся порошков, полученных методом детонационного напыления........ 151 Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю., Семенчук Н.А. Влияние структурного состояния на механические и трибологические свойства бронзы системы Cu-Al-Si-Mn.......................................................................... 166 Вахеед Ф., Каюм А., Ширази М.Ф. Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности............................................................... 183 Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А. Особенности строения градиентных слоев «сталь – Inconel – сталь», полученных методом прямого лазерного выращивания..................................................... 205 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Влияние гранулометрии порошка карбида вольфрама на характеристики металлокерамических покрытий WC/Fe-Ni-Al............................................................................... 221 Патил С., Чинчаникар С. Исследование механических свойств нанокомпозитов на основе сплава Al7075-T6, полученных методом механического замешивания частиц в расплав, с микроструктурным и фрактографическим анализом поверхности........................................................................................................................................................ 236 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 252 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 263 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 08.09.2025. Выход в свет 15.09.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 33,0. Уч.-изд. л. 61,38. Изд. № 121. Заказ 199. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 3 2025 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 27 No. 3 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kondratiev V.V., Gozbenko V.E., Kononenko R.V., Konstantinova M.V., Guseva E.A. Determination of the main parameters of resistance spot welding of Al-5 Mg aluminum alloy..................................................................................... 6 Gvindjiliya V.E., Fominov E.V., Marchenko A.A., Lavrenova T.V., Debeeva S.A. Infl uence of cutting speed on pulse changes in the temperature of the front cutter surface during turning of heat-resistant steel 0.17 C-Cr-Ni-0.6 Mo-V................................................................................................................................................................ 23 Karelin R.D., Komarov V.S., Cherkasov V.V., OsokinA.A., Sergienko K.V., Yusupov V.S., Andreev V.A. Production of rods and sheets from TiNiHf alloy with high-temperature shape memory eff ect by longitudinal rolling and rotary forging methods.................................................................................................................................................................... 37 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of vibroacoustic emission in diagnostic systems for cutting tool wear................................................................................................................................................ 50 Zhukov A.S., Ardashev D.V., Batuev V.V., Kulygin V.L., Schuleshko E.I. Modal analysis of various grinding wheel types for the evaluation of their integral elastic parameters...................................................................................... 71 Nishandar S.V., Pise A.T., Bagade P.M. Numerical and experimental investigation of heat transfer augmentation in roughened pipes................................................................................................................................................................ 87 Nosenko V.A., Rivas Perez D.E., Alexandrov A.A., Sarazov A.V. The eff ect of the grinding method on the grain shape coeffi cient of black silicon carbide....................................................................................................................................... 108 MATERIAL SCIENCE Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Investigation of the process of surface decarburization of steel 20 after cementation and heat treatment.................................................................................................................................. 122 Kovalevskaya Z.G., Liu Y. Eff ect of heat treatment on the structure and properties of high-entropy alloy AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................. 137 Sirota V.V., Prokhorenkov D.S., Churikov A.S., Podgorny D.S., Alfi mova N.I., Konnov A.V. Corrosion properties of coatings produced from self-fl uxing powders by the detonation spraying method............................................................ 151 Filippov A.V., Shamarin N.N., Tarasov S.Yu., Semenchyuk N.A. The infl uence of structural state on the mechanical and tribological properties of Cu-Al-Si-Mn bronze............................................................................................................. 166 Waheed F., Qayoom A., Shirazi M.F. Fabrication, characterization and performance evaluation of zinc oxide doped nanographite material as a humidity sensor......................................................................................................................... 183 Dolgova S.V., Malikov A.G., Golyshev A.A., Nikulina A.A. Features of the structure of gradient layers «steel - Inconel - steel», obtained by laser direct metal deposition.................................................................................................. 205 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. The infl uence of tungsten carbide particle size on the characteristics of metalloceramic WC/Fe-Ni-Al coatings.................................................................................................... 221 Patil S., Chinchanikar S. Investigation on the mechanical properties of stir-cast Al7075-T6-based nanocomposites with microstructural and fractographic surface analysis...................................................................................................... 236 EDITORIALMATERIALS 252 FOUNDERS MATERIALS 263 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 183 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности Фаррух Вахеед 1, a, Амтул Каюм 2, b, Мухаммад Файзан Ширази 3, c, * 1 Кафедра информатики, Университет UIT, улица Абуль Хасан Исфахани, Блок 7, Гульшан-и-Икбал, Карачи, 75300, Пакистан 2 Кафедра химии, Инженерно-технологический университет имени Н.Э. Диншоу, Университетская дорога, Карачи, 75270, Пакистан 3 Кафедра электротехники, Инженерно-технологический университет имени Н.Э. Диншоу, Университетская дорога, Карачи, 75270, Пакистан a https://orcid.org/0009-0004-6527-0965, fwbaig@uitu.edu.pk; b https://orcid.org/0000-0003-0149-2177, amtulq@neduet.edu.pk; c https://orcid.org/0000-0002-4488-8860, faizanshirazi@neduet.edu.pk Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 3 с. 183–204 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-183-204 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Датчики влажности широко применяются в таких областях, как сельское хозяйство, пищевая промышленность, медицинская диагностика ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.382.32:538.975 История статьи: Поступила: 04 июня 2025 Рецензирование: 23 июня 2025 Принята к печати: 10 июля 2025 Доступно онлайн: 15 сентября 2025 Ключевые слова: Датчик влажности Наночастицы ZnO Устройства интеллектуального сенсорного восприятия Анализ ёмкости и комплексного сопротивления (импеданса) Быстрый отклик и восстановление Экологический и промышленный мониторинг Финансирование Данная работа выполнена в рамках PhD-программы NEDUET. АННОТАЦИЯ Введение. Современный рост требований к технологиям мониторинга окружающей среды в режиме реального времени обусловливает необходимость создания высокоэффективных датчиков влажности с коротким временем отклика, высокой чувствительностью и длительной стабильностью работы. Оксид цинка (ZnO) является одним из наиболее перспективных полупроводниковых оксидов благодаря своей химической стабильности, доступности и чувствительности к изменению влажности. Однако для повышения рабочих характеристик ZnO требуется целенаправленная модификация его структурных и электронных свойств. В данном исследовании рассматривается легирование наночастиц ZnO нанографитовым материалом (NGM) с целью улучшения чувствительности и кинетики адсорбционно-десорбционных процессов. Предмет и цель работы. Основной целью работы является разработка ёмкостных датчиков влажности на основе нанокомпозита ZnO-NGM с улучшенными параметрами времени отклика и восстановления, а также с повышенной чувствительностью. Для этого предполагается модифицировать электронные и поверхностные свойства ZnO путём его легирования нанографитовым материалом, что должно способствовать улучшению сенсорных характеристик. Методы исследования. Нанокомпозиты ZnONGM с различным массовым содержанием NGM (1, 2, 4, 5 и 10 %) были синтезированы методом химического осаждения. Оптические свойства образцов чистого ZnO изучались с помощью оптической спектроскопии (UV-visible spectroscopy), которая выявила резкий край поглощения при 367 нм, соответствующий ширине запрещённой зоны около 3,3 эВ. Структурные и морфологические характеристики композитов анализировались методами рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), подтвердившими успешную интеграцию NGM в матрицу ZnO и увеличение пористости поверхности. Для изготовления сенсорных элементов на стеклянные подложки с покрытием из фтор-легированного оксида олова (FTO) ножевым устройством наносились композитные пленки. Сенсорные характеристики измерялись в камере с контролируемой атмосферой азота при относительной влажности (RH) от 10 до 95 % в диапазоне частот от 10 кГц до 1 МГц. Результаты и обсуждение. Датчик на основе ZnO, легированного 4 % NGM, продемонстрировал оптимальные параметры: время отклика составило 4,0 с, время восстановления – 6,2 с, а чувствительность превзошла показатели остальных исследованных составов. Улучшение функциональных характеристик связано с увеличением удельной поверхностной электропроводности и ускорением кинетики адсорбционно-десорбционных процессов, обусловленных присутствием нанографита, который способствует формированию более пористой и активной поверхности. Разработанные ёмкостные датчики влажности обладают высоким потенциалом для интеграции в современные системы мониторинга окружающей среды в реальном времени, а также в промышленные процессы автоматизации и интеллектуальные системы управления влажностью в бытовых условиях. Введение нанографита в структуру ZnO существенно улучшает сенсорные характеристики датчиков влажности. Нанокомпозит ZnO-NGM с содержанием 4 % нанографита проявляет наилучшие эксплуатационные свойства и является перспективным материалом для создания высокоэффективных датчиков влажности нового поколения. Для цитирования: Вахеед Ф., Каюм А., Ширази М.Ф. Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 183–204. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-183-204. ______ *Адрес для переписки Ширази Мухаммад Файзан, к.т.н. Кафедра электротехники, Инженерно-технологический университет имени Н.Э. Диншоу, Университетская дорога, 75270, Карачи, Пакистан Тел.: +92-21-99261261-8 (доб. 2215), e-mail: faizanshirazi@neduet.edu.pk и экологический мониторинг. Это обусловлено возрастающей необходимостью получения точных данных в реальном времени для современных интеллектуальных систем управления. Основными требованиями к современным датчикам влажности являются низкое энергопотребление, быстрый отклик, высокая стабильность и экономическая доступность [1, 2]. В ряде исследований представлены различные инновационные подходы к созданию датчи-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 184 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ков влажности. Так, разработан гибкий датчик, способный фиксировать малейшие изменения дыхания, что имеет большое значение для медицины [3, 4]. Аналогично высокочувствительные датчики на основе композиционных материалов с углеродными нанотрубками демонстрируют короткое время отклика, это обеспечивает их пригодность для разнообразных условий эксплуатации [5]. Другие работы подтверждают эффективность использования инкапсулированных ионных жидкостей в наноструктурированных матрицах, что способствует улучшению сенсорных характеристик [6]. В настоящее время особое внимание уделяется разработке самопитаемых и биосовместимых датчиков, при этом датчики на основе оксида графена обещают энергоэффективное и высокочувствительное обнаружение [7]. Например, датчик влажности со встроенным датчиком измерения температуры, созданный на основе восстановленного оксида графена (rGO) и дисульфида молибдена (MoS2), демонстрирует широкие возможности для практического применения в реальных условиях [8]. Исследования гетероструктур TiO2-SnS2 также подчеркивают преимущества использования наноструктурных материалов для повышения эффективности сенсорных устройств [9–12]. Датчики влажности на основе оксидов металлов, таких как ZnO, TiO2 и SnO2, широко исследуются благодаря их высокой стабильности и чувствительности к изменениям влажности. Принцип их работы основан на изменении электрической ёмкости или сопротивления вследствие адсорбции молекул воды на поверхности сенсорного материала [1–3]. Среди этих материалов ZnO выделяется своей универсальностью и эффективностью для создания высокочувствительных датчиков влажности. Кроме того, регулируемые электронные свойства ZnO, достигаемые путём легирования различными элементами и контролируемого наноструктурирования, позволяют гибко адаптировать сенсорные характеристики под конкретные требования [13, 14]. Особый интерес представляет нанографитовый материал (NGM), синтезируемый экологически безопасным методом из кожуры апельсина и лимона, который способствует улучшению параметров ZnO-датчиков за счёт повышения эффективности передачи заряда, увеличения адсорбционной способности и стабильности, что соответствует принципам устойчивого развития в нанотехнологиях [10]. Современные исследования всё более акцентируют внимание на необходимости повышения скорости отклика и устойчивости к многократным циклам восстановления датчиков влажности, поскольку эти параметры являются критически важными для их эффективного функционирования в условиях реального времени [15, 16]. Как продемонстрировано в работе Уллаха и соавторов (Ullah et al.), интеграция нанографита с оксидами металлов существенно сокращает время отклика и восстановления сенсорных устройств, устраняя ограничения, характерные для традиционных материалов [17]. Аналогично исследование Чаудхари и коллег (Chaudhary et al.) выделяет значимость применения инновационных структур и новых материалов для улучшения общих рабочих характеристик датчиков влажности [18]. Кроме того, результаты, полученные Ли и соавторами (Li et al.), показывают высокую эффективность легирования ZnO нанографитом для повышения чувствительности сенсоров при различных уровнях влажности, что подтверждает перспективность данного подхода для практического применения [13]. Управление электронными свойствами за счёт введения нанографита открывает новые возможности для повышения надёжности и эффективности сенсорных систем, делая их более пригодными для интеграции в платформы систем контроля промышленного оборудования через Интернет (IoT – Internet of Things) и интеллектуальные технологические решения [14]. Несмотря на достигнутый прогресс, сохраняется острая необходимость в разработке датчиков влажности на основе ZnO с ещё более коротким временем отклика, улучшенной стабильностью и использованием экологически безопасных, масштабируемых и экономичных методов синтеза. В частности, интеграция нанографитового материала в матрицу ZnO посредством доступных и простых химических технологий остается недостаточно изученной областью, что определяет перспективы дальнейших исследований. Целью настоящей работы является преодоление существующих ограничений посредством синтеза нанокомпозитов ZnO-NGM методом химического осаждения, отличающимся низкой себестоимостью и технологической простотой.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 185 MATERIAL SCIENCE Полученные нанокомпозиты наносились на подложки из фтор-легированного оксида олова (FTO) с помощью ножевого устройства для изготовления ёмкостных датчиков влажности. Предполагается, что введение нанографитового материала (NGM) способствует улучшению характеристик сенсора за счет повышения электрической проводимости и усиления взаимодействия с молекулами воды на поверхности материала. Для комплексного анализа структурных, оптических и химических свойств синтезированных нанокомпозитов применялись методы оптической спектроскопии (UV-visible spectroscopy), сканирующей электронной микроскопии (SEM), рентгеновской дифракции (XRD) и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Сенсорные характеристики датчиков оценивались посредством измерения ёмкости и комплексного сопротивления (импеданса) в атмосфере с контролируемым содержанием азота при относительной влажности (RH) в диапазоне от 10 до 95 % [19]. Анализ зависимости ёмкости и комплексного сопротивления (импеданса) от влажности позволил определить чувствительность и динамические параметры сенсорных устройств. Полученные результаты способствуют развитию усовершенствованных нанодатчиков влажности с перспективами применения в областях экологического мониторинга, медицинской диагностики и промышленной автоматизации. Методы исследования Материалы и методы Для синтеза использовались высокочистые реактивы аналитического класса: ацетат цинка (Zn(CH3COO)2), гидрокарбонат аммония (NH4HCO3), нанографитовый материал (NGM), этанол (аналитический класс) и этилцеллюлоза, приобретённые у ведущих поставщиков BDH, Merck и Sigma-Aldrich. В процессе синтеза и промывки применялась деионизированная вода для исключения ионного и органического загрязнения. В качестве подложек для изготовления сенсорных устройств использовалось стекло с покрытием из фтор-легированного оксида олова (FTO). Для формирования устройств применялись медные и серебряные электроды. Перед использованием все подложки и компоненты подвергались тщательной очистке – сначала в растворе моющего средства Liquinox (Alconox Inc.), а затем ополаскивались ацетоном аналитического класса (Sigma-Aldrich) для удаления органических загрязнений и обеспечения чистой поверхности без загрязняющих частиц. Синтез наночастиц оксида цинка (ZnO) методом химического осаждения Для получения прекурсора наночастиц ZnO 10 мл раствора нитрата цинка (Zn(NO3)2) концентрации 1,5 моль/л медленно добавляли к 10 мл раствора карбоната аммония ((NH4)2CO3) концентрации 2,25 моль/л при постоянном магнитном перемешивании. Образование белого осадка карбоната цинка (ZnCO3) свидетельствовало об успешном протекании реакции [1]: Zn(NO3)2S + (NH4)2CO3 → → ZnCO3 ↓ + 2 NH4NO3. Осадок отделяли вакуумной фильтрацией через фильтровальную бумагу с оптимальным размером пор для удаления жидких побочных продуктов и непрореагировавших веществ. Затем осадок промывали трижды деионизированной водой для удаления остатков реагентов. Для ускорения сушки и предотвращения агломерации использовали этанол, обладающий высокой летучестью. Высушенный при 80 °C порошок ZnCO3 подвергали кальцинации в муфельной печи при 550 °C в течение 2 часов, что обеспечивало термическое разложение карбоната цинка с образованием наночастиц оксида цинка согласно уравнению ZnCO3 → ZnO + CO2. Легирование наночастиц ZnO нанографитовым материалом (NGM) Исходные порошки ZnO и NGM диспергировали отдельно в этаноле для обеспечения равномерного распределения. Затем суспензию NGM капельно вводили в раствор ZnO при непрерывном перемешивании в течение 25 минут для достижения гомогенного смешивания. Массовые соотношения ZnO и NGM варьировали для получения композитов с содержанием NGM 1, 2, 3, 4, 5 и 10 % (соответственно 99:1, 98:2, 97:3, 96:4,
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 186 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 95:5 и 90:10). Для улучшения диспергирования и снижения поверхностного натяжения дополнительно добавляли 10 мл этанола в качестве дисперсанта. Полученную пасту сушили при температуре 50–70 °C в течение 1–2 часов, что позволяло предотвратить агломерацию наночастиц и обеспечить равномерное распределение нанографита в матрице. Изготовление датчика влажности Подложки из стекла, покрытого фторлегированным оксидом олова (FTO), последовательно подвергались ультразвуковой очистке в нескольких средах – моющем растворе, деионизированной воде, ацетоне и этаноле. Такая многоступенчатая очистка обеспечивала оптимальное сцепление сенсорного слоя с подложкой и стабильность работы датчика. Наночастицы ZnO, легированные нанографитовым материалом (NGM), диспергировали в этаноле до получения вязкой пасты, пригодной для нанесения посредством ножевого устройства. Паста равномерно наносилась на подготовленные подложки FTO с помощью данного устройства. После нанесения образцы подвергались термической обработке при температуре 150 °C в течение 1 часа с целью улучшения адгезии пленки, испарения остатков растворителей и повышения долговечности покрытия. На рис. 1, а и б представлены пасты из ZnO, легированного NGM, которые были нанесены на стеклянные подложки, покрытые фтор-легированным оксидом олова (FTO). В этаноле при постоянном перемешивании растворяли этилцеллюлозу в концентрации 2–10 вес. % для дополнительной стабилизации сенсорного слоя и повышения его механической прочности. Полученный однородный раствор постепенно вводили в пасту ZnO-NGM, что способствовало улучшению адгезии, сглаживанию поверхности и повышению механической прочности покрытия. Введение этилцеллюлозы обеспечивало формирование стабильных и равномерных нанокомпозитных слоёв, оптимальных для сенсорного контроля влажности [1, 30]. Для дальнейшей стабилизации пленки и повышения ее устойчивости этилцеллюлозу (2–10 масс. %) растворяли в этаноле при постоянном перемешивании для получения однородного раствора. Этот раствор постепенно добавляли в пасту ZnO, модифицированную NGM, для достижения оптимального покрытия. Введение этилцеллюлозы улучшало адгезию, гладкость поверхности и механическую прочность, что позволяло получать стабильные однородные нанокомпозитные слои для применения в датчиках влажности [1, 30]. Результаты и их обсуждение Структурный и морфологический анализ Оптические свойства синтезированных наночастиц ZnO были исследованы методом оптической спектроскопии (UV-visible spectroscopy) с использованием спектрофотометра UV-1800 SHIMADZU. Спектр поглощения (рис. 2) демонстрирует выраженный и интенсивный край фундаментального поглощения вблизи 367 нм, соответствущий энергии межзонного перехода ZnO. Рассчитанная по краю поглощения шири- а б Рис. 1. Вид сбоку пасты ZnO-NGM (оксид цинка – нанографитовый материал), нанесенной на подложку FTO (а); вид сверху, демонстрирующий морфологию поверхности (б) Fig. 1. Side-view of ZnO-0GM paste on FTO substrate (a); top view showing surface morphology (б)
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1