Влияние состава, термоупругих характеристик и концентрации компонентов на средние напряжения в матричных композитах, армированных ориентированными волокнами
УДК
539.3DOI:
https://doi.org/10.31429/vestnik-16-3-16-22Аннотация
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, моделированиеИнформация о финансировании
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (17-08-01374-а).
Библиографические ссылки
- Кербер М.Л. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология. СПб.: Профессия, 2018. 640 с. [Kerber, M.L. Polymer composite materials: structure, properties, technology. Profession, St. Petersburg, 2018. (In Russian)]
- Шевченко В.Г. Основы физики полимерных композиционных материалов. М.: Изд-во МГУ, 2010. 99 с. [Shevchenko, V.G. Fundamentals of the physics of polymer composite materials. MSU Publ., Moscow, 2010. (In Russian)]
- 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. [Kolesnikov, V.I., Bardushkin, V.V., Sychev, A.P., Yakovlev, V.B. Stress condition of composite materials under influence of thermodynamic factors. Vestnik Yuzhnogo nauchnogo tsentra RAN [Bulletin of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2005, vol. 1, no. 4, pp. 9–13. (In Russian)]
- 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. [Kolesnikov, V.I., Bardushkin, V.V., Sychev, A.P., Yakovlev, V.B. Influence of the microstructure and thermoelastic characteristics of components on average stresses in fibrous composites. Materialy, tekhnologii, instrumenty [Materials, technologies, tools], 2009, vol. 14. no. 2, pp. 12–15. (In Russian)]
- 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) [Kolesnikov, V.I., Bardushkin, V.V., Sorokin, A.I., Sychev, A.P., 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, pp. 258–262. DOI: 10.1134/S1029959918030104 (In Russian)]
- Громов Д.Г. Материалы и процессы формирования многослойной металлизации кремниевых СБИС. Автореф. дис. ... докт. техн. наук. М., 2000. 271 с. [Gromov, D.G. Materials and processes for the formation of multilayer metallization of silicon VLSIC, tech. sci. doct. diss. Moscow, 2000. (In Russian)]
- 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. [Klimovitsky, A.G., Gromov, D.G., Evdokimov, V.L., Lichmanov, I.O., Mochalov, A.I., Sulimin, A.D. Materials for metallization of silicon VLSIC. Elektronnaya promyshlennost' [Electronic industry], 2002, no. 1, pp. 60–66. (In Russian)]
- Климовицкий А.Г. Разработка материалов и процессов для формирования системы металлизации СБИС субмикронного уровня. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2004. 138 с. [Klimovitsky, A.G. Development of materials and processes for the formation of a metallization system for super-large integrated circuits of the submicron level, tech. sci. cand. diss. Moscow, 2004. (In Russian)]
- Смолин В.К. Особенности применения алюминиевой металлизации в интегральных схемах // Микроэлектроника. 2004. Т. 33. №1. С. 10–16. [Smolin, V.K. Features of the use of aluminum metallization in integrated circuits. Mikroelektronika [Microelectronics], 2004, vol. 33, no. 1, pp. 10–16. (In Russian)]
- 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. [Gromov, D.G., Klimovitsky, A.G., Mochalov, A.I., Sulimin, A.D. The use of the effect of lowering the melting temperature of thin films of copper in the process of filling the grooves and contact windows for the technology of multilevel metallization of silicon IC. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektronika [News of Higher Educational Institutions. Electronics], 2004, no. 6, pp. 3–9. (In Russian)]
- Громов Д.Г., Мочалов А.И., Сулимин А.Д., Шевяков В.И. Металлизация ультрабольших интегральных схем. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. 277 с. [Gromov, D.G., Mochalov, A.I., Sulimin, A.D., Shevyakov, V.I. Metallization of ultra-large integrated circuits. BINOM. Laboratoriya znaniy, Moscow, 2009. (In Russian)]
- 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. [Patent RU 2420827. Manufacturing method of multi-level copper metallisation of VLSIC / Krasnikov, G.Ya., Valeev, A.S., Shelepin, N.A., Gushchin, O.P., Vorotilov, K.A., Vasiliev, V.A., Averkin, S.N. Ann. 11.01.2010. Publ. 10.06.2011. Bull. no. 16. (In Russian)]
- 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. [Stoyanov, A.A., Zenin, V.V., Novokreschenova, E.P., Gribanov, M.A. Assembly of microelectronics products using metallization and copper wire. Vestnik VGTU [Bulletin of VSTU], 2014, vol. 10, no. 5-1, pp. 98–104. (In Russian)]
- 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. [Shilyaeva, Yu.I., Bardushkin, V.V., Gavrilov, S.A., Silibin, M.V., Yakovlev, V.B., Borgardt, N.I., Volkov, R.L., Smirnov, D.I. About the prediction of melting temperature of metal nanowires electrochemically deposited into the pores of anodic aluminum oxide. Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva [Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation], 2014, no. 3, pp. 84–94. (In Russian)]
- 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) [Bardushkin, V.V., Kirillov, D.A., Shilyaeva, Yu.I., Gavrilov, S.A., Yakovlev, V.B., 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, pp. 1099–1104. DOI: 10.1134/S0036024417060036 (In Russian)]
- 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. [Bardushkin, V.V., Yakovlev, V.B., Kochetygov, A.A., Petrov, N.I. Stressed state of matrix structures in the conditions of exposure to thermodynamic factors. Elektronnaya tekhnika. Seriya 3. Mikroelektronika [Electronic Technology. Series 3. Microelectronics], 2019, no. 1, pp. 61–66. (In Russian)]
- 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. [Kolesnikov, V.I., Yakovlev, V.B., Bardushkin, V.V., Sychev, A.P. On the prediction of local elastic fields' distributions in non-uniform media on the basis of a generalized singular approximation. Vestnik Yuzhnogo nauchnogo tsentra RAN [Bulletin of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2015, vol. 11, no 3, pp. 11–17. (In Russian)]
- Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977. 399 с. [Shermergor, T.D. Micromechanics of inhomogeneous medium. Nauka, Moscow, 1977. (In Russian)]
- Хорошун Л.П., Маслов Б.П., Лещенко П.В. Прогнозирование эффективных свойств пьезоактивных композитных материалов. Киев: Наукова думка, 1989. 207 с. [Khoroshun, L.P., Maslov, B.P., Leshchenko, P.V. Predicting of the effective properties of piezoelectric composite materials. Naukova Dumka, Kiev, 1989. (In Russian)]
- Физические величины: Справочник. / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с. [Grigor'ev, I.S., Meilikhov, E.Z. (eds.) Physical Quantities: A Handbook. Energoatomizdat, Moscow, 1991. (In Russian)]
- Деменко В.Ф. Таблицы механических свойств конструкционных материалов. Харьков: Изд-во ХАИ, 2014. 7 с. [Demenko, V.F. Tables of mechanical properties of structural materials. KhAI Publ., Khar'kov, 2014. (In Russian)]
Скачивания
Данные по скачиваниям пока не доступны.
Загрузки
Даты
Поступление
28 августа 2019
После доработки
5 сентября 2019
Публикация
30 сентября 2019
Как цитировать
[1]
Бардушкин, В.В., Колесников, В.И., Кочетыгов, А.А., Сычёв, А.П., Яковлев, В.Б., Влияние состава, термоупругих характеристик и концентрации компонентов на средние напряжения в матричных композитах, армированных ориентированными волокнами. Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2019, т. 16, № 3, pp. 16–22. DOI: 10.31429/vestnik-16-3-16-22
Лицензия
Copyright (c) 2019 Бардушкин В.В., Колесников В.И., Кочетыгов А.А., Сычёв А.П., Яковлев В.Б.
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
