Влияние состава, термоупругих характеристик и концентрации компонентов на средние напряжения в матричных композитах, армированных ориентированными волокнами

  • Бардушкин В.В. Национальный исследовательский университет "МИЭТ", Москва, Россия
  • Колесников В.И. Ростовский государственный университет путей сообщения, Ростов-на-Дону, Россия
  • Кочетыгов А.А. Национальный исследовательский университет "МИЭТ", Москва, Россия
  • Сычёв А.П. Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН, Ростов-на-Дону, Россия
  • Яковлев В.Б. Национальный исследовательский университет "МИЭТ", Москва, Россия
УДК: 539.3

Аннотация

В работе построена модель, позволяющая прогнозировать влияние локальных напряжений, обусловленных изменениями объемов элементов неоднородности двухкомпонентных матричных композитов с ортогонально армированными (параллельно фиксированной плоскости) волокнами, на средние по материалу напряжения. Модель опирается на обобщенное сингулярное приближение теории случайных полей, используемое при решении системы стохастических дифференциальных уравнений равновесия упругой среды. При построении модели используется понятие оператора концентрации напряжений (тензора четвертого ранга), связывающего средние по материалу напряжения с их локальными значениями в пределах отдельного элемента неоднородности. Обобщенное сингулярное приближение позволяет получить явное выражение для оператора концентрации, с помощью которого в работе выведено расчетное соотношение для определения средних напряжений в рассматриваемых матричных структурах. Соотношение позволяет учесть ряд факторов. К ним относятся состав и термоупругие характеристики компонентов композитов, объемная концентрация и ориентация волокон в матрице, а также фактор отличия в величине изменения (скачка) температуры в различных элементах неоднородности материала --- волокнах и матрице. Для модельных композитов с матрицей диоксида кремния и ориентированными волокнами (медь, алюминий) проведены численные расчеты по определению значений средних по материалу напряжений в направлениях осей лабораторной системы координат. Исследованы зависимости указанных значений от объемного содержания волокон, а также от вариаций величины скачка температуры в волокнах и матрице. Модельные расчеты показали, что отличие в величине скачка температуры в элементах неоднородности и величина объемной концентрации волокон в композитах оказывают существенное влияние на значения средних по материалу напряжений.

Ключевые слова: матричный композит, термоупругие характеристики, средние напряжения, моделирование

Информация об авторах

Владимир Валентинович Бардушкин
д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры "Высшая математика №2" Национального исследовательского университета "МИЭТ"
e-mail: bardushkin@mail.ru
Владимир Иванович Колесников
президент, заведующий кафедрой "Теоретическая механика" Ростовского государственного университета путей сообщения
e-mail: kvi@rgups.ru
Андрей Александрович Кочетыгов
аспирант кафедры "Высшая математика №2" Национального исследовательского университета "МИЭТ"
e-mail: aakcht@gmail.com
Александр Павлович Сычёв
канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией транспорта и новых композиционных материалов Федерального исследовательского центра Южный научный центр Российской академии наук
e-mail: alekc_sap@mail.ru
Виктор Борисович Яковлев
д-р физ.-мат. наук, профессор РАН, профессор кафедры "Высшая математика №2" Национального исследовательского университета "МИЭТ", главный научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН
e-mail: yakvb@mail.ru

Литература

  1. Кербер М.Л. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология. СПб.: Профессия, 2018. 640 с.
  2. Шевченко В.Г. Основы физики полимерных композиционных материалов. М.: Изд-во МГУ, 2010. 99 с.
  3. Колесников В.И., Бардушкин В.В., Сычев А.П., Яковлев В.Б. Напряженное состояние композитных материалов в условиях воздействия термодинамических факторов // Вестник Южного научного центра РАН. 2005. Т. 1. №4. С. 9–13.
  4. Колесников В.И., Бардушкин В.В., Сычев А.П., Яковлев В.Б. Влияние микроструктуры и термоупругих характеристик компонентов на средние напряжения в волокнистых композитных материалах // Материалы, технологии, инструменты. 2009. Т. 14. №2. С. 12–15.
  5. Колесников В.И., Бардушкин В.В., Сорокин А.И., Сычев А.П., Яковлев В.Б. Влияние термоупругих характеристик компонентов, формы и ориентации неизометричных включений на средние напряжения в матричных структурах // Физическая мезомеханика. 2016. Т. 19. №5. С. 43–47. (Переводная версия: Kolesnikov V.I., Bardushkin V.V., Sorokin A.I., Sychev A.P., and Yakovlev V.B. Effect of thermoelastic characteristics of components, shape of non-isometric inclusions, and their orientation on average stresses in matrix structures // Physical Mesomechanics. 2018. Vol. 21. No. 3. P. 258–262. DOI: 10.1134/S1029959918030104)
  6. Громов Д.Г. Материалы и процессы формирования многослойной металлизации кремниевых СБИС. Автореф. дис. ... докт. техн. наук. М., 2000. 271 с.
  7. Климовицкий А.Г., Громов Д.Г., Евдокимов В.Л., Личманов И.О., Мочалов А.И., Сулимин А.Д. Материалы для металлизации кремниевых СБИС // Электронная промышленность. 2002. №1. С. 60–66.
  8. Климовицкий А.Г. Разработка материалов и процессов для формирования системы металлизации СБИС субмикронного уровня. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2004. 138 с.
  9. Смолин В.К. Особенности применения алюминиевой металлизации в интегральных схемах // Микроэлектроника. 2004. Т. 33. №1. С. 10–16.
  10. Громов Д.Г., Климовицкий А.Г., Мочалов А.И., Сулимин А.Д. Использование эффекта понижения температуры плавления тонких пленок меди в процессе заполнения канавок и контактных окон для технологии многоуровневой металлизации кремниевых ИС // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2004. №6. С. 3–9.
  11. Громов Д.Г., Мочалов А.И., Сулимин А.Д., Шевяков В.И. Металлизация ультрабольших интегральных схем. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. 277 с.
  12. Патент РФ 2420827. Способ изготовления медной многоуровневой металлизации СБИС / Красников Г.Я., Валеев А.С., Шелепин Н.А., Гущин О.П., Воротилов К.А., Васильев В.А., Аверкин С.Н. Заявл. 11.01.2010. Опубл. 10.06.2011. Бюлл. №16.
  13. Стоянов А.А., Зенин В.В., Новокрещенова Е.П., Грибанов М.А. Сборка изделий микроэлектроники с использованием металлизации и проволоки из меди // Вестник ВГТУ. 2014. Т. 10. №5-1. С. 98–104.
  14. Шиляева Ю.И., Бардушкин В.В., Гаврилов С.А., Силибин М.В., Яковлев В.Б., Боргардт Н.И., Волков Р.Л., Смирнов Д.И. О прогнозировании температуры плавления металлических нитевидных нанокристаллов, электрохимически осажденных в поры анодного оксида алюминия // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2014. №3. С. 84–94.
  15. Бардушкин В.В., Кириллов Д.А., Шиляева Ю.И., Гаврилов С.А., Яковлев В.Б., Силибин М.В. Влияние термоупругих свойств компонентов на температуру плавления нитевидных наночастиц Cu, Ag и Au в матрице анодного Al2O3 // Журнал физической химии. 2017. Т. 91. №6. С. 1030–1036. DOI: 10.7868/S0044453717060048 (Переводная версия: Bardushkin V.V., Kirillov D.A., Shilyaeva Yu.I., Gavrilov S.A., Yakovlev V.B., and Silibin M.V. Effect of the thermoelastic properties of components on the melting point of filamentary nanoparticles of Cu, Ag, and Au in the matrix of anodic Al2O3 // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2017. Vol. 91. No. 6. P. 1099–1104. DOI: 10.1134/S0036024417060036)
  16. Бардушкин В.В., Яковлев В.Б., Кочетыгов А.А., Петров Н.И. Напряженное состояние матричных структур в условиях воздействия термодинамических факторов // Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника. 2019. №1. С. 61–66.
  17. Колесников В.И., Яковлев В.Б., Бардушкин В.В., Сычев А.П. О прогнозировании распределений локальных упругих полей в неоднородных средах на основе обобщенного сингулярного приближения // Вестник Южного научного центра РАН. 2015. Т. 11. №3. С. 11–17.
  18. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977. 399 с.
  19. Хорошун Л.П., Маслов Б.П., Лещенко П.В. Прогнозирование эффективных свойств пьезоактивных композитных материалов. Киев: Наукова думка, 1989. 207 с.
  20. Физические величины: Справочник. / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
  21. Деменко В.Ф. Таблицы механических свойств конструкционных материалов. Харьков: Изд-во ХАИ, 2014. 7 с.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (17-08-01374-а).

Страницы
16-22
Раздел
Механика
Прислано
2019-08-28
Опубликовано
2019-09-30

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)

1 2 > >>