Комлексная методология формирования древ фаз многокомпонентных солевых систем

На правах рукописи

Чуваков Александр Владимирович

КОМЛЕКСНАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ДРЕВ ФАЗ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СОЛЕВЫХ СИСТЕМ

02.00.04 – физическая химия

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Саратов - 2007

Работа выполнена в Самарском государственном техническом университете

Научный руководитель:	заслуженный деятель науки РФ, доктор химических наук, профессор А.С. Трунин.
Официальные оппоненты:	д.х.н., профессор В.А. Решетов; д.х.н., профессор А.И. Сечной.
Ведущая организация:	Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.

Защита состоится «25» октября 2007года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.07 по химическим наукам при Саратовском государственном университете им. Чернышевского по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, 1 корпус, химический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного университета им. Чернышевского по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах просим направлять по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, 1 корпус, химический факультет, Учёному секретарю диссертационного совета Д 212.243.07

профессору В.В.Сорокину.

Автореферат разослан «23» сентября 2007г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор химических наук, профессор В.В. Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сложные материалы, являющиеся многокомпонентными физико-химическими системами (МКС), обладают определенным набором физико-химических свойств в зависимости от способа получения, элементного и фазового состава. В связи с увеличением требований к комплексу заданных свойств материалов, их получение является актуальной проблемой на современном этапе развития техники.

Изучение многокомпонентных взаимных систем является малоисследованной областью физико-химического анализа. В настоящее время их изучение приобретает важное значение, так как позволяет разработать технологии для проведения синтеза веществ заданного состава и композиций с необходимыми свойствами. Исследователю для синтеза необходимо выбрать исходные вещества и предусмотреть условия, в которых будут проходить превращение одних фаз в другие. Экспериментальный подбор условий синтеза и условий выделения и очистки интересующего исследователя вещества - препаративный путь – дело крайне трудоемкое. Поэтому особое значение приобретает вопрос моделирования фазовых комплексов с разнообразным видом химического взаимодействия: наличием реакций обмена, комплексообразования, твердых растворов с учетом их взаимовлияния и взаимодействия.

Вопросам моделирования фазовых превращений в МКС уделяется большое внимание, так как с ростом количества компонентов физико-химической системы трудности ее экспериментального изучения растут в геометрической прогрессии. Следовательно, разумным подходом является разработка предварительных алгоритмов исследования, которые позволили бы максимально сузить область экспериментального исследования.

В диссертационной работе предлагается использовать гомеостатическую концепцию построения моделей физико-химических систем для разработки алгоритмов оптимизации и автоматизации ряда процедур комплексной методологии исследования МКС.

Цель работы. Основной целью данной работы является создание методологии построения моделей физико-химических многокомпонентных систем с различными типами химического взаимодействия и разработки автоматизированного комплекса, реализующего алгоритмы дифференциации и формирования древ фаз.

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью были поставлены следующие задачи применительно к топологии МКС:

- проанализировать существующие алгоритмы и методы исследования;

- рассмотреть возможность построения моделей МКС с использованием средств системного анализа (в частности, гомеостатической концепции моделирования);

- разработать методику построения моделей физико-химических многокомпонентных систем с использованием аппарата теории графов;

- разработать алгоритм декомпозиции графа системной модели на подграфы заданных типов;

- разработать программный комплекс, позволяющий автоматизировать исследование МКС;

- сформировать модели древа фаз реальных МКС, с различными типами химического взаимодействия, с экспериментальной идентификацией;

Методы исследования. При решении поставленных задач использо­ваны методы физико-химического анализа, системного анализа, топологии, теории графов, булевой алгебры и др.

Научная новизна:

- развитие теории построения древ фаз реальных МКС с различными типами химического взаимодействия;

- предложено использование гомеостатической концепции моделирования систем для построения моделей многокомпонентных физико-химических систем с разнообразным видом химического взаимодействия;

- разработан полный оригинальный алгоритм дифференциации много-­
компонентных систем с различными типами химического взаимодействия на составляющие - фазовые единичные блоки;

- разработан автоматизированный комплекс дифференциации и построения древ фаз МКС с различными типами химического взаимодействия;

- впервые с помощью компьютерных технологий осуществлено моделирование и идентификация ряда МКС с реакциями обмена, комплексообразованием и твердыми растворами, входящими в комплекс Li, Na, K, Ca, Ba // F, Cl, SO4, NO3, MoO4, WO4.

На защиту выносятся:

- развитие теории построения древ фаз реальных МКС с различными типами химического взаимодействия;

- принцип построения системной модели МКС на графах;

- алгоритм дифференциации много­компонентных систем с различными типами химического взаимодействия и наличием твердых растворов на составляющие - фазовые единичные блоки;

- программный комплекс, позволяющий моделировать элементы фазового комплекса многокомпонентных систем.

Практическая ценность. Использование разработанных алгоритмов и программного комплекса, реализующего указанные алгоритмы, значительно сократит время для исследования многокомпонентных систем, что позволяет повысить производительность труда при разработке и соз­дании новых материалов с регламентированными свойствами, без затрат большого количества дорогих химических веществ.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на: научных семинарах УНЦ «Азот», СКБ «СИМВОЛ» (2001-2005 г.г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации», Новосибирск (2003г.); Всероссийской научно - практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании», г. Самара (2004-2006 гг.); Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика», г. Москва (2004г.); научных семинарах кафедры «Прикладная математика и информатика» СамГТУ, г. Самара (2004г.); Международных конференциях молодых учёных «Актуальные проблемы современной науки», г. Самара (2001 – 2004гг.); 1-м Международном форуме «Актуальные проблемы современной науки», г. Самара (2005-2006гг.); конференции XXII всероссийского открытого конкурса научно-исследовательских и творческих работ обучающихся «Национальное Достояние России», г. Непецино (2007г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 работ в научно – технических журналах и трудах конференций, в т.ч. журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 187 листах текста и состоит из введения, шести глав, выводов, списка сокращений, списка литературы из 118 наименований, содержит 68 рисунков, 54 таблицы и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и задачи исследований, отражена научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния изучения МКС с позиции оптимизации получения информации по ним, на основе разработанного общего алгоритма комплексной методологии исследования многокомпонентных систем (КМИМС). Впервые Н.С. Курнаковым введено понятие триангуляции сингулярных систем – разбиения исходного комплекса на совокупность симплексов – носителей нонвариантных, как правило, эвтектических точек. В.И. Посыпайко дал обобщение триангуляции МКС с наличием комплексообазования. А.Г.Краева для исследования древ фаз МКС впервые использовала математический аппарат с применением матриц инциденций, теории графов и булевой алгебры. Труниным А.С. с сотрудниками дано обобщение разбиения исходного фазового комплекса на единичные составляющие реальных МКС. Введено понятие фазового единичного блока (ФЕБа). ФЕБ как единичная составляющая - концентрационная область системы, продуктами кристаллизации которой в момент исчезновения жидкости являются фазы, однозначные индивидуальным веществам, образующим блок, или твердым растворам на их основе. Термином «дифференциация» стали обозначать разбиение реальных МКС – с реакциями обмена, комплексообразования и твёрдыми растворами на совокупость взаимосвязанных ФЕБов, взамен частного случая – триангуляции как разбиения исходного комплекса системы на совокупность симплексов.

В качестве базового понятия рассматривается общий алгоритм оптимизации исследования МКС и возможности его развития. Он предполагает наличие трёх информационных уровней (табл. 1) и их реализацию с целью минимизации трудозатрат и времени на исследование систем.

Таблица 1

Общий алгоритм комплексной методологии исследования

многокомпонентных систем (ОА КМИМС)

Уровень	Содержание уровня
	Постановка задачи исследования
0.	Нулевой информационный уровень – база данных
0.1.	Формирование и моделирование физико-химической системы
0.2.	Обзор литературы по состоянию изученности системы
0.4.	Кодирование информации на модели системы
1.0.	Первый информационный уровень – качественное описание системы
1.1.	Дифференциация системы на фазовые единичные блоки (ФЕБы); формирование древа фаз
1.2.	Формирование древа кристаллизации
1.3.	Описание химического взаимодействия в системе
2.0.	Второй информационный уровень – количественное описание системы
2.1.	Определение характеристик нонвариантных равновесий
2.2.	Определение характеристик моновариантных равновесий
2.3.	Определение характеристик поливариантных равновесий