Введение к работе
Актуальность работы. В микро- и наноэлектронике, машиностроении, химической промышленности, а также иных отраслях народного хозяйства, где традиционные материалы неприменимы или малоэффективны, используются композиты, обладающие широким диапазоном варьирования свойств. При этом повсеместно используются искусственно синтезируемые неоднородные материалы, обладающие различными полезными в использовании характеристиками. Уменьшение размеров элементов неоднородности, развитие нанометровых технологий приводит к необходимости изучения взаимодействия компонентов композитных структур для обеспечения требуемых показателей надежности, долговечности работы и воспроизводимости характеристик изделий из них.
Несмотря на важность экспериментальных исследований, при подборе состава, структуры и концентрации компонентов неоднородных материалов в настоящее время все большее значение приобретают теоретические методы прогнозирования и моделирования их физико-механических, химических и других свойств.
Развитие технологий электронных устройств со структурами типа нитевидные нанокристаллы, встроенные в пористую матрицу, например, анодного оксида алюминия (АОА) (термоэлектрические системы охлаждения, сенсоры, датчики медико-биологического назначения и др.), приводит к необходимости исследования термодинамических свойств как самих нитевидных нанокристал-лов, так и материалов на их основе. Известно, что термодинамические характеристики частиц, заключенных в поры матриц, например, температура их плавления, могут отличаться от аналогичных свойств частиц в свободном состоянии. Это обусловлено влиянием как межфазной границы «матрица – нанокри-сталл», так и механических напряжений, возникающих вследствие различия термических коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) компонентов наноструктур. Поэтому задача прогнозирования влияния термоупругих свойств элементов неоднородности на температуру плавления нитевидных наночастиц в пористой матрице является актуальной.
Известно, что в результате приложения внешнего механического воздействия определенного типа внутри композита возникает напряженно-деформированное состояние общего вида. При этом в неоднородном материале могут существовать такие компоненты, у которых значения напряжений будут отличаться от величины приложенной нагрузки. Если эти значения будут больше приложенного внешнего напряжения, то это может приводить к процессам перестройки структуры или разрушению всего неоднородного материала. Поэтому проблема анализа локальных физико-механических свойств композитов в зависимости от состава, структуры, геометрической формы и концентрации компонентов, а также вида и величины приложенной нагрузки, является актуальной. При этом важным направлением исследования указанной проблемы
является прогнозирование предельных прочностных показателей композитных материалов.
Технологии изготовления композитов довольно часто приводят к появлению неравномерности распределения включений в пространстве создаваемых материалов. Эти проявления пространственной неоднородности разрабатываемых композитов могут быть обусловлены, прежде всего, объективными трудностями проектирования и создания технологического оборудования, не позволяющего избежать неравномерности распределения наполнителей в матрице. Однако возможны ситуации, когда специфические требования, предъявляемые к изготавливаемым изделиям, заставляют исследователей искать оригинальные технологические решения для достижения пространственной неоднородности распределения включений в композитных средах. Примерами применения пространственно неоднородных материалов в электронной технике могут служить структуры на пористом кремнии и углероде, у которых сформированные поры заполняются рабочим материалом, т.е. получается классический композит «матрица – включение». Как правило, в произвольной плоскости, параллельной подложке, их структура хорошо подчиняется условию пространственной однородности, однако в вертикальном направлении (от подложки к поверхности) сформированные полости имеют определенную пространственную неоднородность. Неравномерное распределение включений в пространстве композита приводит к анизотропии его физико-механических свойств (упругих, оптических, сегнетоэлектрических и др.). Это необходимо учитывать при создании изделий, использующих подобные материалы. Поэтому разработка методов оценки неравномерности распределения включений и анализа влияния этого фактора на физико-механические свойства композитов является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является развитие теоретических и совершенствование расчетных методов прогнозирования физико-механических свойств матричных композитов сложной структуры и состава, позволяющих проводить анализ взаимодействия включений и матрицы в многокомпонентных структурах, а также исследовать влияние термоупругих и геометрических характеристик компонентов для определения локальных, предельных разрушающих и эффективных физико-механических свойств композитных материалов.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
проведение моделирования, позволяющего оценить влияние термоупругих свойств компонентов на энергию деформации в композитах на основе АОА с нитевидными порами, заполненными Cu, Ag и Au; прогнозирование вклада данной энергетической характеристики в изменение температуры плавления волокон Cu, Ag и Au в матрице Al2O3;
разработка метода прогнозирования значений предельных разрушающих напряжений (при сжатии) для матричных структур, опирающегося на понятие
оператора (тензора) концентрации напряжений; численное исследование (на основе разработанного метода) влияния состава, геометрических характеристик и концентрации элементов неоднородности на пределы прочности волокнистых и тканых композитов на полимерной основе;
- комплексное решение задачи моделирования и расчета локальных, предель
ных разрушающих и эффективных физико-механических свойств пространст
венно неоднородных композитных материалов (двухкомпонентных матричных
композитов с дисперсными включениями, плотность размещения которых не
одинакова в различных направлениях).
Научная новизна работы состоит в следующем:
Проведено моделирование влияния термоупругих свойств компонентов на энергию деформации в пористозаполненных нитевидными нанокристаллами Cu, Ag и Au композитах на основе АОА-матриц с целью прогнозирования вклада данной энергетической характеристики в изменение температуры плавления волокон Cu, Ag и Au в матрице Al2O3.
Разработан метод прогнозирования предельных прочностных характеристик матричных структур (при сжатии), основанный на использовании обобщенного сингулярного приближения теории случайных полей (ОСП) и оператора концентрации напряжений. С помощью данного метода решены задачи численного моделирования пределов прочности:
а) двухкомпонентных однонаправленно армированных композитов на по
лимерной основе (установлены зависимости значений прочности композитов от
вариации безразмерного структурного параметра, связанного с концентрацией
волокон);
б) тканых композитов на полимерной основе, у которых материал волокон,
расположенных в одном из направлений, отличен от материала волокон в пер
пендикулярном направлении (при моделировании учитывались процентные
содержания компонентов композитов по массе);
в) тканых полимерных композитов с дисперсными функционализирующими
добавками (изучено влияние на пределы прочности композитов состава и кон
центрации элементов неоднородности по массе).
- Проведены комплексные исследования и расчеты зависимостей локальных,
предельных и эффективных физико-механических свойств пространственно
неоднородных двухкомпонентных матричных композитов с дисперсными
включениями, основываясь на приведении структуры материала (с помощью
преобразования сжатия-растяжения) к виду, позволяющему прогнозировать
указанные характеристики.
Достоверность полученных результатов основывается на корректности постановок решаемых в работе задач, их проверке с помощью предельного перехода и сравнении с известными результатами. Полученные в среде MATLAB
расчетные данные сопоставлялись с имеющимися экспериментальными данными для композитов похожей структуры, состава и концентрации компонентов.
Практическая значимость результатов работы. Предложенные в работе методы, полученные теоретические результаты и разработанное программное обеспечение для прогнозирования физико-механических свойств неоднородных материалов сложной структуры и состава компонентов востребованы в микро-и наноэлектронике (проектирование и разработка термоэлектрических систем охлаждения, сенсоров, датчиков медико-биологического назначения, пространственно-неоднородных структур на пористом кремнии и углероде), машиностроении (неразрушающий контроль и анализ предельных прочностных показателей узлов и деталей машин и механизмов), трибологии (проектирование и разработка анти- и фрикционных покрытий и лаков).
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в постановке задач и разработке теоретических моделей для их решения, проведении численных расчетов с использованием пакета прикладных программ MATLAB, а также подготовке и анализе результатов моделирования. Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с академиком РАН В.И. Колесниковым, профессором РАН В.Б. Яковлевым, В.В. Бардушкиным, С.А. Гавриловым, А.П. Сычевым, Ю.И. Шиляевой, М.В. Силибиным, А.И. Сорокиным, которым автор благодарен за сотрудничество.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Модель прогнозирования влияния термоупругих свойств компонентов на
плавление пространственно ограниченных металлических нитевидных наноча-
стиц в АОА-матрице, с помощью которой установлено, что вплоть до темпера
туры порядка 1000 C:
– вклад механических напряжений, обусловленных различием ТКЛР элементов неоднородности, в изменение температуры плавления металлических нитевидных наночастиц в АОА-матрице является незначительным по сравнению с вкладом их поверхности;
– влияние механических напряжений на плавление частиц различных металлов в нанокомпозитах на основе матриц АОА имеет схожий характер.
-
Метод моделирования предельных прочностных показателей матричных композитов, использующий информацию о предельных прочностных характеристиках матрицы и понятие тензора концентрации напряжений, позволяющий прогнозировать пределы прочности (при сжатии) для волокнистых и тканых композитов на полимерной основе.
-
Метод расчета, связанный с приведением структуры пространственно неоднородного композита к пространственно однородному (с помощью преобразования сжатия-растяжения), позволяющий прогнозировать локальные, предельные прочностные и эффективные физико-механических свойства пространственно неоднородных двухкомпонентных матричных композитов с дисперсными включениями.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались в постерных и устных сессиях на всероссийских и международных конференциях: «Микроэлектроника и информатика» (Москва, МИЭТ, 2014, 2015, 2016 и 2017); «Механические свойства современных конструкционных материалов» (Москва, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, 2014); «Поликомтриб-2015» (Гомель, ИММС им. В.А. Белого НАН Беларуси); «Электроника-2015» (Москва, МИЭТ).
Результаты диссертационной работы были использованы в исследованиях, проводимых при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (государственное задание № 11.2551.2014/К), РФФИ (гранты 13-08-00672-а, 14-08-00654-а, 16-08-00262-а) и Российского научного фонда (проект № 14-29-00116).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 23 научных работах, в том числе в 16 статьях в отечественных и зарубежных научных журналах (из них 4 статьи, входящие в перечень рецензируемых научных изданий ВАК Ми-нобрнауки РФ по специальности диссертации, 2 статьи, индексируемые Sco-pus/WoS), а также в 7 статьях и тезисах, входящих в сборники научных трудов международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии, содержит 110 страниц текста, включая 22 рисунка и 2 таблицы. Список литературы состоит из 189 наименований.