Моделирование значений средних напряжений в структурах por-Si-H2O в окрестности точки фазового перехода воды

Авторы

  • Бардушкин В.В. Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН, Москва, Russian Federation ORCID 0000-0002-8805-5764
  • Кочетыгов А.А. Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН, Москва, Russian Federation ORCID 0009-0008-3028-2148
  • Лавров И.В. Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН, Москва, Russian Federation ORCID 0000-0002-1467-5100
  • Сычев А.П. Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН, Ростов-на-Дону; Ростовский государственный университет путей сообщения, Ростов-на-Дону, Russian Federation ORCID 0000-0001-6344-108X
  • Яковлев В.Б. Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН, Москва, Russian Federation ORCID 0000-0001-8515-3951
  • Бардушкин А.В. Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН, Москва, Russian Federation ORCID 0000-0003-1314-6079

УДК

536.4 : 539.3

DOI:

https://doi.org/10.31429/vestnik-21-1-47-56

Аннотация

Построена теоретическая модель прогнозирования значений средних напряжений в мезопористых структурах на основе кремния с адсорбированной водой, замерзшей в условиях пространственного ограничения (конфайнмента). Указанные напряжения возникают в окрестности точки фазового перехода воды из-за различий термических коэффициентов линейного расширения элементов неоднородности исследуемых материалов. Знание значений средних напряжений позволяет прогнозировать изменение температуры плавления/замерзания воды и стойкость к механическому разрушению (стабильность) рассматриваемых водонасыщенных структур при термоциклировании в окрестности точки фазового перехода лед–вода (в интервале температур 233–273 К). Модель опирается на обобщенное сингулярное приближение теории случайных полей в варианте метода самосогласования и позволяет учитывать влияние на значения компонент тензора средних напряжений водонасыщенного мезопористого материала наличия на поверхностях пор слоя диоксида кремния, структуры неоднородной среды и объемной доли компонентов. Проведены численные модельные расчеты и исследованы зависимости значений компонент тензора средних напряжений от объемного содержания воды, замерзшей в матрице пористого кремния. Численное моделирование показало, что увеличение как характерного размера (отношение толщины слоя диоксида кремния к радиусу поры), так и объемной доли замерзшей воды приводит к росту значений компонент тензора средних напряжений.

Ключевые слова:

моделирование, пористый кремний, вода, лед, матричный композит, термоупругие характеристики, тензор концентрации напряжений, средние напряжения

Финансирование

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 122040800154-7.

Информация об авторах

Владимир Валентинович Бардушкин

д-р физ.-мат. наук, доцент, главный научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: bardushkin@mail.ru

Андрей Александрович Кочетыгов

младший научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: aakcht@gmail.com

Игорь Викторович Лавров

канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: iglavr@mail.ru

Александр Павлович Сычев

канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Южного научного центра РАН, доцент кафедры теоретической механики Ростовского государственного университета путей сообщения

e-mail: alekc_sap@mail.ru

Виктор Борисович Яковлев

д-р физ.-мат. наук, профессор РАН, главный научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: yakvb@mail.ru

Андрей Владимирович Бардушкин

младший научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: i170k@yandex.ru

Библиографические ссылки

  1. Bellissent-Funel, M.-C., Structure of confined water. Journal of Physics: Condensed Matter, 2001, vol. 13, no. 41 (9165). DOI: 10.1088/0953-8984/13/41/308
  2. Nwaka, D., Tahmasebi, A., Tian, L., Yu, J., The effects of pore structure on the behavior of water in lignite coal and activated carbon. Journal of Colloid Interface Science, 2016, vol. 477, pp. 138–147. DOI: 10.1016/j.jcis.2016.05.048
  3. Domin, K., Chan, K.Y., Yung, H., Gubbins, K.E., Jarek, M., Sterczynska, A., Sliwinska-Bartkowiak, M., Structure of ice in confinement: water in mesoporous carbons. Journal of Chemical & Engineering Data, 2016, vol. 61, iss. 12, pp. 4252–4260. DOI: 10.1021/acs.jced.6b00607
  4. Maniwa, Y., Kataura, H., Abe, M., Suzuki, S., Achiba, Y., Kira, H., Matsuda, K., Phase transition in confined water inside carbon nanotubes. Journal of the Physical Society of Japan, 2002, vol. 71, no. 12, pp. 2863–2866. DOI: 10.1143/jpsj.71.2863
  5. Cuadrado-Collados, C., Majid, A.A., Martínez-Escandell, M., Daemen, L.L., Missyul, A., Koh, C., Silvestre-Albero, J., Freezing/melting of water in the confined nanospace of carbon materials: Effect of an external stimulus. Carbon, 2020, vol. 158, pp. 346–355. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.10.081
  6. Jähnert, S., Chávez, F.V., Schaumann, G.E., Schreiber, A., Schönhoff, M., Findenegg, G.H., Melting and freezing of water in cylindrical silica nanopores. Physical Chemistry Chemical Physics, 2008, vol. 10, iss. 39, pp. 6039–6051. DOI: 10.1039/b809438c
  7. Shimizu, S., Agrawal, K.V., O'Mahony, M., Drahushuk, L.W., Manohar, N., Myerson, A.S., Strano, M.S., Understanding and analyzing freezing-point transitions of confined fluids within nanopores. Langmuir, 2015, vol. 31, no. 37, pp. 10113–10118. DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b02149
  8. Bardushkin, V., Kochetygov, A., Shilyaeva, Y., Volovlikova, O., Dronov, A., Gavrilov, S., Peculiarities of low-temperature behavior of liquids confined in nanostructured silicon-based material. Nanomaterials, 2020, vol. 10, iss. 11 (2151). DOI: 10.3390/nano10112151
  9. Сычев, А.П., Лавров, И.В., Бардушкин, В.В., Физические и механические свойства неоднородных сред с вложенной микроструктурой (теория и моделирование). Изд-во ЮНЦ РАН, Ростов-на-Дону, 2022. [Sychev, A.P., Lavrov, I.V., Bardushkin, V.V., Fizicheskie i mekhanicheskie svoystva neodnorodnykh sred s vlozhennoy mikrostrukturoy (teoriya i modelirovanie) = Physical and mechanical properties of inhomogeneous media with embedded microstructure (theory and modeling). SSC RAS Publ., Rostov-on-Don, 2022. (in Russian)]
  10. Fang, G., Zhou, J., Pan, A., Liang, S., Recent advances in aqueous zinc-ion batteries. ACS Energy Letters, 2018, vol. 3, no. 10, pp. 2480–2501. DOI: 10.1021/acsenergylett.8b01426
  11. Ashuri, M., He, Q., Shaw, L.L., Silicon as a potential anode material for Li-ion batteries: where size, geometry and structure matter. Nanoscale, 2016, vol. 8, iss. 1, pp. 74–103. DOI: 10.1039/C5NR05116A
  12. Цивадзе, А.Ю., Кулова, Т.Л., Скундин, А.М., Фундаментальные проблемы литий-ионных аккумуляторов. Физикохимия поверхности и защита материалов, 2013, т. 49, № 2, с. 149–154. [Tsivadze, A.Yu., Kulova, T.L., Skundin, A.M., Fundamental problems of lithium-ion batteries. Fizikokhimiya poverkhnosti i zashchita materialov = Surface physical chemistry and material protection, 2013, vol. 49, no. 2, pp. 149–154. (in Russian)] DOI: 10.7868/S0044185613020083
  13. Кулова, Т.Л., Скундин, А.М., Проблемы низкотемпературных литий-ионных аккумуляторов. Электрохимическая энергетика, 2017, т. 17, № 2, с. 61–88. [Kulova, T.L., Skundin, A.M., Problems of low-temperature lithium-ion batteries. Elektrokhimicheskaya energetika = Electrochemical energy, 2017, vol. 17, no. 2, pp. 61–88. (in Russian)] DOI: 10.18500/1608-4039-2017-17-2-61-88
  14. Леньшин, А.С., Кашкаров, В.М., Спивак, Ю.М., Мошников, В.А., Исследование электронного строения и фазового состава пористого кремния. Физика и химия стекла, 2012, т. 38, № 3, с. 383–392. [Lenshin, A.S., Kashkarov, V.M., Spivak, Yu.M., Moshnikov, V.A., Study of the electronic structure and phase composition of porous silicon. Fizika i khimiya stekla = Physics and chemistry of glass, 2012, vol. 38, no. 3, pp. 383–392. (in Russian)]
  15. Shilyaeva, Y., Volovlikova, O., Smirnov, D., Volkova, A., Sysa, A., Mikhailova, M., Gavrilov, S., Thermal and kinetic analyses of silicide formation at nanostructured Si/Ni interface. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2019, vol. 138, no. 3, pp. 2339–2345. DOI: 10.1007/s10973-019-08460-w
  16. Беляков, Л.В., Макарова, Т.Л., Сахаров, В.И., Серенков, И.Т., Сресели, О.М., Состав и пористость многокомпонентных структур: пористый кремний как трехкомпонентная система. Физика и техника полупроводников, 1998, т. 32, № 9, с. 1122–1124. [Belyakov, L.V., Makarova, T.L., Sakharov, V.I., Serenkov, I.T., Sreseli, O.M., Composition and porosity of multicomponent structures: porous silicon as a three-component system. Fizika i tekhnika poluprovodnikov = Physics and technology of semiconductors, 1998, vol. 32, no. 9, pp. 1122–1124. (in Russian)]
  17. Бардушкин, В.В., Кочетыгов, А.А., Шиляева, Ю.И., Воловликова, О.В., Прогнозирование значений средних напряжений при фазовом переходе лед – вода в мезопористых структурах на основе кремния в интервале температур 233–273 К. Сборка в машиностроении, приборостроении, 2020, т. 21, № 8, с. 362–366. [Bardushkin, V.V., Kochetygov, A.A., Shilyaeva, Yu.I., Volovlikova, O.V., Predicting the values of average stresses during the ice – water phase transition in mesoporous silicon-based structures in the temperature range 233–273 K. Sborka v mashinostroyenii, priborostroyenii = Assembling in mechanical engineering and instrument-making, 2020, vol. 21, no. 8, pp. 362–366. (in Russian)] DOI: 10.36652/0202-3350-2020-21-8-362-366
  18. Бардушкин, В.В., Горнев, Е.С., Лавров, И.В., Шиляева, Ю.И., Яковлев, В.Б., Эффективные упругие характеристики кремниевых влагонасыщенных мезопористых структур вблизи точки фазового перехода при наличии пространственного ограничения. Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника, 2021, № 2 (182), с. 62–67. [Bardushkin, V.V., Gornev, E.S., Lavrov, I.V., Shilyaeva, Yu.I., Yakovlev, V.B., Effective elastic characteristics of moisture-saturated mesoporous silicon near the confinement phase transition. Elektronnaya tekhnika. Seriya 3. Mikroelektronika = Electronic equipment. Series 3. Microelectronics, 2021, № 2 (182), pp. 62–67. (in Russian)] DOI: 10.7868/S241099322102007X
  19. Бардушкин, В.В., Лавров, И.В., Яковлев, В.Б., Кочетыгов, А.А., Бардушкин, А.В., Напряженно-деформированное состояние в структурах por–Si – H2O в окрестности точки фазового перехода воды. Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника, 2023, № 2 (190), с. 5–12. [Bardushkin, V.V., Lavrov, I.V., Yakovlev, V.B., Kochetygov, A.A., Bardushkin, A.V., Stress-strain condition in por–Si – H2O structures near the phase transition point of water. Elektronnaya tekhnika. Seriya 3. Mikroelektronika = Electronic equipment. Series 3. Microelectronics, 2023, № 2 (190), pp. 5–12. (in Russian)] DOI: 10.7868/S2410993223010013
  20. Шермергор, Т.Д., Теория упругости микронеоднородных сред. Наука, Москва, 1977. [Shermergor, T.D., Teoriya uprugosti mikroneodnorodnykh sred = Micromechanics of inhomogeneous medium. Nauka, Moscow, 1977. (in Russian)]
  21. Паньков, А.А., Методы самосогласования механики композитов. Изд-во ПГТУ, Пермь, 2008. [Pan'kov, A.A., Metody samosoglasovaniya mekhaniki kompozitov = Methods of self-consistency mechanics of composites. Perm State Technical University Publ., Perm, 2008. (in Russian)]
  22. Белослудов, В.Р., Инербаев, Т.М., Шпаков, В.П., Це, Д.С., Белослудов, Р.В., Кавазое, Е., Модули упругости и границы стабильности льдов и клатратных гидратов кубической структуры I. Рос. хим. журнал (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2001, т. XLV, № 3, с. 45–50. [Belosludov, V.R., Inerbaev, T.M., Shpakov, V.P., Tse, D.S., Belosludov, R.V., Kavazoe, E., Elastic moduli and stability limits of ices and clathrate hydrates of cubic structure I. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal (Zhurnal Rossiyskogo khimicheskogo obshchestva im. D.I. Mendeleeva) = Russian Chemical Journal (Journal of the Russian Chemical Society named after D.I. Mendeleev), 2001, vol. XLV, no. 3, pp. 45–50. (in Russian)]
  23. Schulson, E.M., The structure and mechanical behavior of ice. JOM, 1999, vol. 51, pp. 21–27. DOI: 10.1007/s11837-999-0206-4
  24. Деменко, В.Ф., Таблицы механических свойств конструкционных материалов. Изд-во ХАИ, Харьков, 2014. [Demenko, V.F., Tablitsy mekhanicheskikh svoystv konstruktsionnykh materialov = Tables of mechanical properties of structural materials. Kharkov Aviation Institute Publ., Kharkov, 2014. (in Russian)]
  25. Григорьева, И.С., Мейлихова, Е.З. (под ред.), Физические величины: Справочник. Энергоатомиздат, Москва, 1991. [Grigor'ev, I.S., Meilikhov, E.Z. (eds.), Fizicheskie velichiny: Spravochnik = Physical Quantities: Handbook. Energoatomizdat, Moscow, 1991. (in Russian)]

Загрузки

Выпуск

2024. Том 21. № 1

Раздел

Физика

Страницы

47-56

Отправлено

2024-03-04

Опубликовано

2024-03-27

Как цитировать

Бардушкин В.В., Кочетыгов А.А., Лавров И.В., Сычев А.П., Яковлев В.Б., Бардушкин А.В. Моделирование значений средних напряжений в структурах por-Si-H2O в окрестности точки фазового перехода воды // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2024. Т. 21, №1. С. 47-56. DOI: https://doi.org/10.31429/vestnik-21-1-47-56

Copyright (c) 2024 Бардушкин В.В., Кочетыгов А.А., Лавров И.В., Сычев А.П., Яковлев В.Б., Бардушкин А.В.

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.