Laboratoř elektrofyziky

Výzkumní pracovníci

Ing. Robert Cimrman, Ph.D.
je výzkumným pracovníkem v Oddělení elektrotechniky a elektrofyziky. Absolvoval inženýrské studium v oboru aplikovaná matematika a doktorské studium v oboru aplikovaná mechanika na Fakultě aplikovaných věd Západočeské univerzity v Plzni. Zabývá se implementací numerických algoritmů v balíku SfePy, specializovaného na víceškálové multifyzikální simulace. Od roku 2017 působil v Oddělení D4, kde spolupracoval na problémech numerického modelování v elastodynamice. Od roku 2022 se zabývá modelováním elektroaktivních materiálů.

Ing. Jan Gruber, Ph.D.
je výzkumným pracovníkem v Oddělení elektrotechniky a elektrofyziky. Absolvoval magisterské studium v oboru informatická fyzika a později získal doktorát v oboru fyzikální inženýrství na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze. Zabýval se analýzou nestacionárních procesů v termickém plazmatu metodami Fourierovy a waveletové analýzy a zpracováním experimentálních dat s vysokým časovým rozlišením. V současnosti se v rámci své odbornosti věnuje několika různým projektům. Od roku 2022 je vedoucím laboratoře elektrofyziky.

Ing. Radek Kolman, Ph.D.
je výzkumným pracovníkem v Oddělení elektrotechniky a elektrofyziky. Absolvoval Mgr. a PhD. studium v oboru mechanika tuhých a poddajných těles na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Od roku 2009 působil v Oddělení D4, kde se zabýval vývojem numerických metod pro problémy šíření vln napětí a impaktní mechanice. Od 2022 se zabývá dynamikou říditelných metamateriálů založených na elektroaktivních, piezoelektrických a flexoelektrických materiálech vyrobených technologiemi 3D tisku a také šíření vln napětí v tělesech vyrobených více-materiálním 3D tiskem.

Ing. Ladislav Musil, Ph.D.
je výzkumným pracovníkem v Oddělení elektrotechniky a elektrofyziky. Absolvoval Mgr. a PhD. studium v oboru elektroenergetika na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze. Zabýval se modelováním a návrhem indukčních ohřevů a elektroenergetických zařízení a systémů. V současnosti se zabývá problematikou modelování systémů s piezoelektrickými prvky pomocí FEM programu COMSOL.

Ing. Jiří Šonský, Ph.D.
absolvoval Ph.D. studium v roce 2008 v oboru fyzikální inženýrství na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze. Jeho výzkumné zájmy leží převážně v oblasti magnetokumulativních zdrojů plazmatu, proudů termického plazmatu a jejich optické diagnostice. Jeho výzkum také zahrnoval design plazmatronů a zařízení pro diagnostiku plazmatu založených na vláknové optice. Je autorem a spoluautorem několika českých patentů, především v oblastech ustavující se technologie Plasma Shock Peeningu, magnetických ložisek a elektro-fluidických převodníků signálu. Od roku 2021 je vedoucím oddělení elektrotechniky a elektrofyziky.

 

Postdoktorandi

--

PhD studenti

MSc. Xavier Clayton Arnoult
je Ph.D. studentem v Oddělení elektrotechniky a elektrofyziky. V rámci doktorského studia na VŠCHT v Praze se věnuje vlivu zpevnění povrchu moderními metodami na korozní odolnost materiálů a mikrostrukturálním změnám.

Ing. et Ing. Radim Dvořák
je Ph.D. studentem v Oddělení elektrotechniky a elektrofyziky. Absolvoval Mgr. studium v oboru dopravních systémů a techniky na Fakultě dopravní ČVUT v Praze a v oboru mechanika tuhých a poddajných těles na Fakultě strojní ČVUT v Praze. V rámci doktorského studia na Fakultě dopravní se věnuje vývoji asynchronních multi-krokových algoritmů přímé časové integrace a doménové dekompozici v MKP.

 

Studenti

Vojtěch Kotek
je Bc. student Fakulty dopravní, ČVUT v Praze. Věnuje se experimentálním metodám v mechanice a dynamice a využití chytrých materiálů.

Jaromír Kylar
je Bc. student Fakulty dopravní, ČVUT v Praze. Věnuje se experimentálním metodám v mechanice a dynamice a využití chytrých materiálů.

Jindřich Bouška
je Bc. student Fakulty strojní, ČVUT v Praze. Věnuje se experimentálním metodám v impaktní mechanice a technologii 3D tisku. Spolupracuje na projektu vodíkového autobusu.

 

Další spolupracovníci

Dr. Akradi Berezovski
Jakub Fink
Jakub Malínek
Ing. Anna Tocháčková

Současný výzkum

Magnetická pseudolevitace a ukládání energie v setrvačnících

Zkoumáme možnosti ukládání energie v magneticky levitovaných setrvačnících za účelem eliminace ztrát třením. Výhodou této technologie oproti jiným metodám skladování energie je její vysoká robustnost, škálovatelnost a prakticky neomezený počet cyklů. Vyvinuli jsme několik aktivně stabilizovaných setrvačníků pracujících za běžných teplot a demonstrovali tuto technologii i na mezinárodní výstavě EXPO 2020 Dubai. Rotor setrvačníku je udržován v metastabilní poloze silným permanentním magnetem, pozice sledována Halovými sondami a zpětnovazebně stabilizována přídavnými elektromagnety.

Obr.1. Schéma magneticky levitovaného setrvačníku

 

Obr.2. Prototyp magneticky levitovaného setrvačníku

 

Obr.3. Mapování intenzity magnetického pole permanentního magnetu a jeho asymetrie

 

Obr.4. Magneticky levitovaná „mince“ na výstavě EXPO 2020 Dubai

 

Jiskrové výboje s vysokou opakovací frekvencí

Jednou z možností syntézy materiálů je využití jiskrového výboje mezi elektrodami v plynu či v kapalině. Dochází tím k ablaci materiálu elektrod, jeho aglomeraci a mísení na úrovni nanočástic až mikročástic. Zabýváme se výzkumem, analýzou vlastností a optimalizací těchto rychlých výbojů, sledujeme jejich dynamiku a uvolněný materiál. Sledovali jsme aerosolovou syntézu platinových nanočástic a výboje mezi elektrodami titan-železo. Tento výzkum je v podobě syntézy katalytických materiálů pro elektrochemické aplikace dále úspěšně rozvíjen v Laboratoři vodíkových technologií. Také jsme syntetizovali mikročástice hliníku výboji mezi mnoha hliníkovými fragmenty v ethanolu. Další možnou aplikací  technologie jiskrových výbojů je elektrojiskrové obrábění materiálů, kdy obrobek plní roli jedné z elektrod.

Obr.5. Koláž snímků z jiskrových výbojů

 

Plazma shock peening – vnášení zbytkových napětí do povrchů kovů plazmatem urychleným impaktorem a dynamické chování materiálů

Vyvíjíme metodu generování ultrakrátkých sub-mikrosekundových pulzů k sériovému generování mikroimpaktorů urychlených plazmatem. Toto plazma urychlí polymerní štítek, který svým prudkým impaktem na povrch zpracovaného materiálu vytváří rázovou vlnu, po které zůstává v povrchových vrstvách zbytkové tlakové napětí. Dochází tím ke zlepšení vlastností součásti, zvláště k značně zvýšené odolnosti proti šíření trhlin. Námi vyvíjená metoda a zařízení představuje alternativu k nákladné metodě laser shock peeningu, která využívá velké laserové systémy. Zkoumáme též efekty, ke kterým dochází při vysokorychlostním impaktu těles a identifikaci dynamického chování materiálů při vysokých rychlostech deformace pomocí Taylorova testu.

Obr.6. Výzkum deformace materiálu (Taylorův test)

 

Obr.7. Vzduchové dělo pro výzkum deformací materiálů

 

Obr.8. Mikrosnímek oblasti (1 mm x 1 mm) povrchu kovu po impaktu plazmou urychleného mikroimpaktoru

 

Plánované směry výzkumu

Multifyzika elektroaktivních materiálů a řiditelných metamateriálů

Moderní téma v oblasti mechaniky je výzkum chování metamateriálů – struktur s periodickou strukturou, které vykazují značně odlišné chování než samotný materiál struktury. V této oblasti se věnujeme výzkumu chování řiditelných metamateriálů založených na elektroaktivních materiálech vyrobitelných 3D tiskem. Výzkum je směřován pro použití řiditelných metamateriálů pro řízení vlnových procesů v tělesech, řízení jejich tuhosti a dynamické odezvy, řiditelné deformace a křivosti povrchu těles, modulování vln napětí a návrhu struktur v čase proměnlivých mechanických veličin. Použití rozličných chytrých materiálů na základě piezoelektrických, flexoelektrických a elektroaktivních polymerů v technice je následně cíleno na vývoj snímačů, budičů, aktivních prvků pro řízenou úchopovou mechaniku v soft robotice a umělých svalů, vývoj slip-stick rotačního mechanismu pro vesmírné aplikace, vložené snímače/aktuátory deformace do kompozitních struktur, sběrače elektrické energie z mechanické deformace, atd. Jsou používané pokročilé numerické metody pro multi-fyziku chytrých materiálů a impaktních úloh v open source softwaru SfePy, dále používáme open source software FEniCS a komerční software COMSOL pro multi-fyzikální úlohy chytrých materiálů.
Běžící projekty: GAČR 22-00863K Řiditelné metamateriály a chytré struktury: Nelineární problémy, modelování a experimenty, spoluřešitel FAV ZČU v Plzni a Universita obrany v Mnichově.

 

Minulé aktivity

Studium dynamických jevů v termickém plazmatu optickými metodami

Zkoumali jsme dynamické procesy v proudu termického plazmatu argonového plazmatronu a stabilitu elektrického oblouku u vzduchového řezacího plazmatronu. Koherentní struktury v proudu plazmatu byly klasifikovány a zkoumány z hlediska jejich zdroje (nestability v napájení, hydrodynamické efekty, vliv geometrie) a vlivu provozních podmínek. Mapovali jsme rychlosti proudění plazmatu korelačními metodami. Rozvinuli a aplikovali jsme experimentální a výpočetní tomografické metody pro určování rovinných i prostorových rekonstrukcí intenzit záření. Ve spolupráci se zahraničním vědeckým týmem z Paul Sabatier University - Toulouse jsme se zabývali přepočtem intenzit záření na reálné teploty plazmatu a metodami, jak tyto teploty mapovat s vysokým časovým a prostorovým rozlišením. Zabývali jsme se jevy na elektrodách řezacího plazmatronu a ve spolupráci s firmou Thermacut, sr.o. se podíleli na návrhu vylepšených trysek takovýchto zařízení.

Obr.9. Koláž – studium dynamických jevů v plazmatu

 

Implozivní magnetokumulativní generátor

Vyvinuli a otestovali jsme zdroj termického plazmatu pro magnetohydrodynamické nebo magnetokumulativní generátory vhodné pro obecné použití v energetice. Plazma je vytvořeno z hořlavé směsi implozí – tedy sférickou kompresí konvergentní detonační vlnou. Konvergentní detonační vlna je spuštěna přechodem deflagrace do detonace po zapálení elektrickou jiskrou v detonační trubici a je dále vytvarována velkým počtem větvících se zátravek ústících do hemisférické spalovací komory. Vzniklé plazma pak vytryskne vysokou rychlostí tryskou ve středu zařízení. Expanzi plazmatu jsme sledovali vysokorychlostní kamerou a také spektroskopicky a potvrdili přítomnost H-b čáry ionizovaného vodíku.

 

Obr.10. Zařízení ke generování konvergentní detonační vlny a detail jednoho ze systémů kanálků

 

Obr.11. Záznam expanze výtrysku plazmatu a jeho spektra.

 

• Vysokorychlostní kamera Phantom 7510 V7.3M
• Spektroskop Horiba (Jobin Yvon) iHR 320
• Barevná kamera SensiCam
• Osciloskop LECROY HDO4104A
• Argonový plazmatron
• Systém vzduchového řezacího plazmatronu z rotační anodou
• Optický systém pro sledování proudu plazmatu z více směrů
• 3D tiskárna na resiny s UV vytvrzováním od firmy 3DJAKE
  - Anycubic Wash & Cure 2.0
  - Phrozen Sonic Might 4K
• Tiskárna Průša na plasty 3D Prusa PRI-MK3S-KIT--ORG-PEI
• Tiskárna pro výrobu 2D tištěných spojů s vrtačkou Voltera V-one
• Osciloskop PICOSCOPE 3405D – 2ks
• Generátor funkcí OWON AG4151 – 2ks
• Laboratorní zdroj tříkanálový 2x 0-60V/3A 1x 0-6V/3A OWON ODP6033 - 2 ks
• Jednokanálový High-power amplifier zesilovač E617.001
• Čtyřkanálový zesilovač PD200X4 s rozsahem napětí -50/140
• Taylorův test pro dynamické testování materiálu (vlastní konstrukce)
• Laserový vibrometr CVL-2000 s optikou CVL-800

Vypsaná témata PhD. studia:

R. Kolman - metody v dynamice skořepinových a membránových inteligentních struktur (Numerical methods in dynamics of shell and membranous smart structures) - FS ČVUT v Praze

R. Kolman - Dynamické chování materiálů a identifikace jejich parametrů pomocí umělé inteligence (Dynamic behaviour of materials and their parameter identification by artificial intelligence) - FS ČVUT v Praze

R. Kolman - Šíření vln napětí v materiálech s mikrostrukturou a optické čočky z vícemateriálního 3D tisku: numerické modelování a experiment (Stress wave propagation in microstructured materials and optical lenses from multimaterial 3D printing: numerical modelling and experiment) - FS ČVUT v Praze

R. Kolman - Šíření a modulace vln napětí v materiálech měnící své chování v čase (Stress wave propagation and modulation in space-time materials) - FS ČVUT v Praze

R. Kolman - Dynamika řiditelných metamateriálů - Dynamics of controllable metamaterials - FS ČVUT v Praze

R. Kolman – Řiditelná mechanika měkkých materiálů (Controllable mechanics of soft materials) – FD ČVUT v Praze

R. Kolman - Numerické metody pro modelování problémů impaktní mechaniky (Numerical methods of impact mechanics)
- FD ČVUT v Praze