Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Текстурированные материалы широко распространены в природе. Это относится как к органическим, так и неорганическим веществам. Текстура ярко выражена в стволах, листьях и корнях растений, а также в тканях живых организмов. Она присутствует в горных породах и в земной коре в целом, в последнее время это является предметом пристального внимания геофизики.
Создавая искусственный мир человек перерабатывает природные вещества, синтезируя новые, обладающие различными полезными для использования свойствами. Получаемые материалы, как правило, представляют собой многокомпонентные поликристаллические системы, включающие большое количество химических элементов и их соединений. Для большинства из них характерно наличие текстуры, которая получается в результате операций различных видов термообработки и механических воздействий, причем происходящие структурные изменения затормаживаются, как правило, охлаждением с определенной скоростью до низких температур в выбранный момент времени.
Идея управления текстурой, а соответственно и свойствами материалов, лежит в основе современных наукоемких технологий. Текстурированные поликристаллические сплавы на основе теллура служат преобразователями электрической энергии в тепловую в термоэлектрических устройствах охлаждения. Текстурированные пленки поликремния получили применение в преобразователях солнечной энергии в электрическую. Следует отметить и материалы, получаемые быстрой закалкой расплава - нового перспективного технологического направления, тонкие поликристаллические текстурированные металлические и диэлектрические ленты, микропроволока, микроиголки, тонко дисперсные порошки, которые применяются, например, для фильтрующих устройств, в электротехнической промышленности. По своим потребительским свойствам и тех-
нелогичности изготовления такая продукция заметно лучше аналогов, изготавливаемых по традиционным технологиям.
В микроэлектронике широкое применение получили различные технологии нанесения тонких поликристаллических металлических, полупроводниковых и диэлектрических пленок, многие из которых явл«отся текстурироаанмыми. Освоение субмикронной технологии и дальнейшее уменьшение элементов интегральных схем требует глубоких знаний в области взаимодействия элементов неоднородностей таких структур в интересах обеспечения надежности и долговечности работы изделия. В этой связи возрастает интерес к исследованиям взаимосвязанных физических эффектов в лоликристаллических материалах, примером которых являются пьезоэлектрические, термоупругие, пироэлектрические, пьезорезистивные и множество других свойств материалов. Исключительно важную роль в современной технике играют поликристаллические композиционные льезоэлектрики, которые являются основой технических устройств приема, передачи и преобразования акустических и низкочастотных сигналов. Области применения этих материалов включают гидролокацию и подводную связь, медицинскую технику (излучатели и приемники для диагностической и лечебной аппаратуры), электроакустику (телефоны, микрофоны, звучащие устройства), радиоэлектронику (низкочастотные фильтры и резонаторы), дефектоскопию. Они служат основой различного вида устройств прецизионного линейного и вращательного перемещения, среди которых как крупнейшее достижение в приборостроении последнего десятилетия следует отметить создание туннельных и атомно-силовых микросколов.
В связи с этим многокомпонентные лоликристаллические текстурирован-ные материалы, в том числе и композиты, являются объектом интенсивных исследований физики и химии твердого тела. Более того по мнению ряда исследователей XXI век будет веком именно поликристаллических композиционных материалов - это прежде всего высокотемпературные и высокопрочные композиты, пьезокерамика, пеноматериалы, нанокристаллические структуры. Иссле-
доеания в данной области входят в приоритетное направление развития науки и техники России «Керамические материалы и нанокерамика».
В настоящее время исследование поликристаллических текстурирован-ных материалов и поиск новых, обладающих нужными свойствами, ведется в основном экспериментально на основе личного опыта и качественных представлений физики и химии твердого тела. 8 случае поиска в многокомпонентных системах приходится проводить большую экспериментальную работу, что требует колоссальных затрат времени, материальных и финансовых ресурсов. При этом нет уверенности, что получено оптимальное решение. Для обеспечения необходимых рабочих свойств поликристаллических материалов на этапах их создания и оптимизации, надежности и долговечности работы устройств из них прикладная физика нуждается в фундаментальных теориях, обеспечивающих качественную оценку и количественные расчеты основных определяющих свойств многокомпонентных текстурированных поликристаллов и композитов. К таким свойствам относятся эффективные материальные (эффективные упругие, диэлектрические, пьезоэлектрические и другие) и локальные полевые (локальные значения тензоров напряжений, деформаций, векторов электрической индукции и напряженности электрического поля) характеристики.
Разработка методов расчета эффективных материальных и локальных полевых характеристик поликристаллических материалов обеспечивает:
возможность, прогнозирования свойств многокомпонентных поликристаллов, на основе знания свойств исходных компонентов и текстуры;
ведение целенаправленного поиска новых лоликристаллических материалов, обладающих необходимыми для потребителя свойствами;
выработку рекомендаций для технологии изготовления поликристаллических текстурированных материалов.
Большой вклад в развитие теории текстурированных поликристаллов, анализа эффективных характеристик, математического описания текстуры и анализа локальных полевых характеристик, внесли ГАВанин, АСВиглин,
ВВ Болотин, В АБуряченко, С.К.Канаун, И.АКунин, В М.Левин, В А.Ломакин, БПМаслов, В.3 Партой, БЕ.Победря, Т.И Савелова, Э.Г.Соснина, АХФокин, Л П Хорошун, Т.Д Шермергор, Дж.Эшелби, Р.Хилл, З.Хашин, Е.Кренер, З.Штрикман, Р.Кристенсен, Дж.Сендецки, Г.Бунге, З.Матхиз и многие другие.
В целом методы определения эффективных материальных и локальных полевых характеристик многокомпонентных текстурированных поликристаллов и композитов являются инструментом разработки и оптимизации новых наукоемких технологий. При этом ключевой проблемой при использовании этих методов является учет в той или иной форме взаимодействия элементов неоднородно-стей друг с другом. Описание такого взаимодействия с теоретической точки зрения требует использования интегральных операторов, при этом решения имеет вид некоторого функционала. Более того стохастический характер структуры поликристаллического материала приводит к необходимости использования либо соответствующих параметров распределения, либо введения ограничений, например, однородности полей деформаций и напряжений в пределах отдельного кристаллита. Использование таких подходов дает возможность связать локальные напряжения и деформации с приложенными посредством оператора концентрации упругих полей и вычислить эффективные материальные характеристики текстурированных поликристаллов.
Целью настоящей работы является развитие теоретических представлений и методов расчета эффективных материальных и локальных полевых характеристик текстурированных поликристаллов.
Научная новизна В работе впервые решены следующие задачи:
на основе теории случайных полей разработан метод анализа операторов концентрации полей напряжений и деформаций в объеме неоднородного по-лифисталлического материала;
получен ряд удобных для прикладного использования приближений по анализу локальных напряжений и деформаций в текстурированных поликристаллах
и композитах в зависимости от концентрации компонент и других структурных параметров;
из разработанной теории получено решение для одиночного анизотропного включения в неограниченной анизотропной среде, проанализировано влияние формы, ориентации кристаллографических осей и материала неоднородности на распределение полей напряжений и деформаций на границе раздела;
для обобщенного сингулярного приближения теории случайных полей разработан метод учета характера армирования для определения эффективных материальных параметров (упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических) поликристаллов и композитов;
разработан метод анализа операторов концентрации связанных электроупругих полей для пьезоэлектрических поликристаллов и композитов;
проведены комплексные исследования текстуры, эффективных материальных и локальных полевых характеристик поликристаллического пьезоэлектрического кварца естественного происхождения, а также ряда материалов, полученных быстрой закалкой расплава.
Достоверность полученных результатов следует из корректности постановок задач, использования гипотез, правомерность которых доказана на модельных задачах, и проверялась при помощи предельного перехода к известным решениям и сопоставлением с экспериментальными данными.
Практическая и научная ценность работы заключается в возможности применения разработанных методов для
прогнозирования эффективных упругих, диэлектрических и других характеристик новых материалов;
исследования эффективных материальных и локальных полевых характеристик известных материалов.
Разработанные в диссертации методы и основанные на них алгоритмы расчета упругих и электрических полей в многокомпонентном поликристалле ис-
пользованы для создания программ расчета концентрации механических и связанных электромеханических полей 8 текстурированных поликристаллических материалах Это позволяет оценивать локальные концентрации механических и электрических полей в объеме и на фаницах раздела компонентов, прогнозировать предельные состояния композитного материала, создавать новые модели пластического деформирования.
Разработаны численные алгоритмы и профаммное обеспечение для расчета функции распределения ориентации поликристаллического текстурирован-ного кварца по известным коэффициентам разложения их в ряд по обобщенным шаровым функциям. Данный комплекс профамм использован и для расчета функции распределения ориентации быстрозакаленных материалов, при этом исследована локальная текстура быстрозакаленной ленты алюминия.
В рамках обобщенного сингулярного приближения теории случайных полей решена важная с практического точки зрения проблема расчета свойств композитов, армированных включениями эллипсоидальной формы. Разработанные методы, полученные теоретические результаты и созданное профаммное обеспечение позволяет осуществлять неразрушающий контроль свойств широкого класса реальных поликристаллических текстурированных материалов.
Методы расчета и созданное на их основе программное обеспечение было внедрено ЗАО «Троникс-МАТИ» для оптимизации технологии изготовления быстрозакаленных поликристаллических лент алюминия и цинка для анодов источников тока.
Публикации По результатам проделанных исследований опубликовано 50 научных работ, из них 14 статей в отечественных и зарубежных журналах, в том числе в Докладах РАН, Известиях РАН, «Textures and Microstructures». В соавторстве опубликована монография «Высокоскоростное затвердевание расплава (теория, технология и материалы)»
Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались на российских и международных конференциях и научных семинарах: междуна-
родный симпозиум KAPG, Project 2.5, ЧСФР, Острава, 1991; международная конференция «Текстурный анализ и задачи геологии и геофизики», Россия, Дубна, 1992; постоянно действующий семинар Центрального Российского Дома знаний «Сегнето-, льезо-, лироэлектрики {и родственные материалы) в электроники, приборостроении и других отраслях техники», Россия, Москва, 1992; общероссийские конференции «Композиционные керамические, порошковые материалы и покрытия», Москва 1994, 1995, 1997 года; международные конференции «Mathematical Methods of Texture Analysis», Россия, Дубна, 1995; «Neutron Texture and Stress Analysis», Россия, Дубна, 1997; на семинаре член-корреспондента РАН, профессора Г.А.Соболева, Москва, 1997. Работа в данной области была поддержана 2 фангами РФФИ, фантом ISF (фондом Дж.Сороса), международным грантом Министерства образования РФ, фантами МФТИ, МАТИ им. К.Э.Циолковского, МВТУ им. Н.И.Баумана.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Метод нахождения операторов концентрации полей напряжений и деформаций в объеме неоднородного поликристаллического материала.
-
Приближения для расчета локальных напряжений и деформаций в поликристаллических текстурах и композитах, учитывающие особенности структуры.
-
Решение задачи по определению операторов концентрации полей для одиночного анизотропного включения в иеофаниченной анизотропной среде.
-
Эффект смещения локальных напряжений на поверхности кристаллита в зависимости от ориентации его кристаллофафических осей относительно текстуры поликристалла.
-
Явление локализации и делокалиэации локальных напряжений на поверхности поры в анизотропной поликристаллической среде в зависимости от ее формы и вида приложенного воздействия.
-
Метод учета характера армирования при расчете эффективных упругих характеристик композитов в рамках обобщенного сингулярного приближения-теории случайных полей.
7. Результаты комплексного теоретико-экспериментального исследования текстуры, эффективных материальных и локальных полевых характеристик поликристаллического пьезоэлектрического кварца естественного происхождения.
Личный вклад автора.
В основу диссертации легли результаты исследований, выполненных непосредственно автором. Исследования комплексного характера проводились по инициативе автора в рамках договоров о творческом сотрудничестве с Лабораторией нейтронной физики им. ИМ. Франка Объединенного института ядерных исследований, институтом физики Земли РАН им. О.Ю.Шмидта, Московским авиационным технологическим институтом (Российским государственным технологическим университетом) им. К.Э.Циолковского. Постановка задач, их решение, анализ и обобщение результатов осуществлялись лично автором. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит идея, численный расчет и активное участие в анализе получаемых результатов. Ряд результатов, вошедших в диссертацию получен в соавторстве с Т.Д.Шермергором, Б.С.Митиным, А.Н.Никитиным, К.Вальтером, М.М.Серовым, которым автор благодарен за сотрудничество.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, двух приложений и библиографии, содержит 310 страниц текста, включая 92 рисунка и 12 таблиц. Список литературы включает 336 наименований. В пределах каждой главы принята двойная нумерация формул, таблиц и рисунков, первая цифра указывает на номер параграфа в данной главе, вторая цифра - на номер формулы в данном параграфе При ссылках на формулы, таблицы и рисунки других глав добавляется еще и римская цифра, обозначающая номер главы.
