Аннотация к диссертации Товпинец Александра Олеговича

на тему «МОДЕЛЬ ДЕФОРМИРУЕМОГО МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ДИСПЕРСНОГО ТЕЛА С УЧЕТОМ МЕХАНОХИМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И СПЕКАНИЯ КОМПОНЕНТОВ», представляемой на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 

1.1.8. Механика деформируемого твердого тела.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, доцент Дмитриева Мария Александровна

Актуальность темы исследования. В настоящее время исследования в области получения современных структурных композиционных материалов методами механохимического синтеза и спекания являются перспективными и широко востребованными в России и за рубежом.

Развитие современной механики деформируемых многокомпонентных полидисперсных химически реагирующих тел применительно к научному обеспечению технологий подготовки, механохимического синтеза и спекания материалов, объединяет компьютерное моделирование, механику порошковых материалов, микромеханику композиционных материалов, теории тепло- и массообмена дисперсных систем, химическую кинетику и спекание дисперсных компонентов. Это требует развития и разработки новых моделей и методов анализа для решения связанных задач механики деформируемых многокомпонентных полидисперсных химически реагирующих тел, которые не имеют прямого аналитического решения.

Цель работы. Развитие модели деформируемого многокомпонентного механохимически реагирующего тела, которая позволит описывать особенности процессов деформирования и механической активации компонентов смесевых химических взаимодействующих дискретных многофазных материалов, проводить исследования устойчивости процессов деформирования механохимически реагирующих тех, а так же оценить структуру, эффективные характеристики низкотемпературной совместноспекаемой, т.е. спекаемой совместно с электронными компонентами, керамики (LTCC – для микроэлектроники) и выявлять новые закономерности между структурой, усадкой, остаточными локальными напряжениями, эффективными характеристиками получаемого материала от условий формирования исходных компактов с учетом деструкции связующего.

Задачи исследования:

1.Исследование условий реализации связанных физико-механические процессов в смесевых механохимически реагирующих и/или спекаемых дискретных многокомпонентных деформируемых телах.

2.Построение математической модели смесевого многокомпонентного механохимически реагирующего спекаемого деформируемого тела.

3.Разработка схемы компьютерного моделирования связанных физико-химических процессов, сопровождающих деформирование дискретных многокомпонентных материалов, механохимические превращения и спекание.

4.Исследование устойчивости процессов деформирования методами математического моделирования в уплотняемом механохимически реагирующем дисперсном теле типа Zr-B.

5.Исследование условий запуска механохимических превращений в слоистых деформируемых телах типа тефлон-аллюминий при динамическом нагружении.

6.Исследование определяющих факторов и закономерности формирования структуры совместноспекаемого низкотемпературного керамического материала (LTCC – для микроэлектроники) с учетом деструкции связующего, деформирования и остаточных напряжений с целью получения возможности прогнозирования режимов синтеза и спекания конечного продукта с необходимым набором свойств и требуемой структурой.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования процессов спекания материалов базируются на результатах В.В. Скорохода, М. Доста, Р. Беслера. Свойства структурно-неоднородных дисперсных материалов оцениваются с подходов микромеханики композиционных материалов, развитых в работах Г.Дворака, Г.А. Ванина, Я. Абоуди, Р. Кристенсена, В.Э. Вильдемана, Ш. А. Мегида, М. Берана и др.

Теоретическая модель В.Н. Лейцина и М.А. Дмитриевой, описывающая физико-химические процессы в дискретных многофазных материалах с учетом связанных физическо-химических процессов использована как основа для развития моделирования процессов синтеза и спекания композиционных материалов с учетом наличия в исходной смеси компонентов различной формы и дисперсности (кинетики спекания), а так же промежуточного технологического этапа удаления связующего шликера.

Научная новизна. В настоящей диссертационной работе впервые:

Развит комплексный подход исследования влияния исходных характеристик многокомпонентных механохимически реагирующих полидисперсных компактов на физико-механические характеристики деформируемых тел, изменяемых в процессе механохимического синтеза и спекания компонентов, определяемых, в свою очередь, достижимой структурой пор и степенью усадки, кинетикой уплотнения, фазовыми переходами и перераспределением концентраций дисперсных компонентов.

Исследована возможность потери устойчивости процессов деформирования механохимически реагирующего дисперсного тела типа Zr-B за счет смены агрегатного состояния компакта вследствие экзотермических процессов с уточнением вязкости материала по модели Ходакова.

Исследованы процессы динамического деформирования и механоактивации реагирующих слоистых тел типа тефлон-аллюминий с учетом модального анализа собственных частот отдельных слоев.

Разработан подход моделирования процесса термодеструкции связующего исходного компакта, позволяющего оценить термокинетические характеристики процесса термодеструкции и корректировать исходные концентраций компонентов и пор, учитывая возгонку продуктов термодеструкции и образование тугоплавкого кристаллического остатка.

Исследованы механизмы формирования исходной многоуровневой структуры взаимодействующих частиц отдельных фракций (по размеру) тугоплавких компонентов низкотемпературной совместноспекаемой керамики (LTCC), определяющие процессы усадки и структуру пор.

Разработан механизм управления минимальной пористостью спечённого низкотемпературного керамического тела на разных уровнях иерархической структуры для полидисперсных составов исходных тугоплавких компонентов.

Развит способ оценки остаточных напряжений в матрице получаемого композиционного материала, определяемых коэффициентами термического расширения матрицы композиционного материала и его тугоплавких включений.

Теоретическая значимость полученных результатов определяется решением ряда актуальных задач фундаментальной проблемы описания состояния твердого деформированного дисперсного тела с компонентами, способными к механохимическим превращениям и спеканию, в широком диапазоне температур и динамического нагружения, а так же развитием теоретического подхода обоснования технологических режимов получения новых низкотемпературных совместноспекаемых композиционных материалов (LTCC – для микроэлектроники) методами механохимического синтеза и спекания.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что на основе результатов, полученных в ходе исследования, могут быть сделаны рекомендации по управлению процессами формирования структуры композита посредством направленного изменения характеристик режимов химических превращений и спекания, таких как, уплотнение, прогрев, выдержка, а так же параметров исходных порошковых компактов – пористость, распределение концентраций компонентов и их фракционного состава, плотность упаковки и прочее.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов подтверждена решением задач, согласованных с условиями известных экспериментальных работ, а также совпадением с результатами проведенных лабораторных исследований. К задачам, согласованным с условиями известных экспериментальных работ Гордополова Ю.А., Трофимова В.С., Мержанова А.Г. и Денисаева А.А., Штейнберга А.С., Берлина А.А.

Проверка адекватности развитой модели деформируемого многокомпонентного дисперсного тела и изучаемого объекта достигается путем решения тестовых задач, имеющих аналитическое решение или задач, согласованных с известными экспериментами; проведения численных экспериментов по оценке сеточной сходимости; проведения лабораторных экспериментов с натурными образцами исследуемого объекта.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы были доложены и обсуждены более чем на 10ти научно-технических конференциях и симпозиумах регионального, всероссийского и международного уровней.

Публикации. Результаты работы опубликованы в 15 работах, из них 5 - в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК и изданиях, индексируемых в базах научного цитирования Web of Science и Scopus; получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Проработка литературы по теме диссертации и участие в обсуждении планов вычислительных и экспериментальных исследований. Разработка подхода и схемы моделирования для проведения вычислительных исследований. Обработка результатов вычислительных экспериментов. Участие в обсуждении полученных результатов, оформление и подготовка их к публикации.

Соответствие паспорту заявленной специальности. Тема и содержание диссертационной работы соответствует формуле специальности 1.1.8. «Механика деформируемого твердого тела» в части пункта 4 – «Механика композиционных материалов и конструкций, механика интеллектуальных материалов», в части пункта 5 – «Мезомеханика многоуровневых сред со структурой», в части пункта 6 – «Микромеханика, наномеханика, механика дискретных сред», в части пункта 7 – «Механохимия, теория структурных и фазовых переходов в твердых телах», в части пункта 9 – «Устойчивость процессов деформирования», и в части пункта 11 – «Математическое моделирование поведения дискретных и континуальных деформируемых сред при механических, тепловых, электромагнитных, химических, гравитационных, радиационных и прочих воздействиях».

Диссертационная работа выполнена в лаборатории фундаментального и прикладного материаловедения инженерно-технического института ФГАОУ ВО «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта» в рамках проекта «Прикладные научные исследования в области низкотемпературной керамики на основе микронных, субмикронных и наноразмерных порошковых составов» ПНИ Минобрнауки России № «RFMEFI57814X0027»; грантов Российского фонда фундаментальных исследований «12-01-90818-мол_рф_нр» и «12-01-09338-моб_з»; Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы в рамках мероприятия 1.4 «Развитие внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах».

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 разделов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, включая 42 рисунка и 11 таблиц, список литературы представлен 141 источником.

Заключение

1.Разработана модель смесевого многокомпонентного полидисперсного механохимически реагирующего спекаемого деформируемого тела, уплотняемого в условиях стационарного и динамического термомеханического воздействия. Построенная модель позволяет проводить описание состояния твердого деформированного дисперсного тела с компонентами, способными к механохимическим превращениям и спеканию, в широком диапазоне температур и динамического нагружения, а так же обоснование технологических режимов получения новых низкотемпературных совместноспекаемых композиционных материалов (LTCC – для микроэлектроники) методами механохимического синтеза и спекания. Модель учитывает возможность фазовых переходов компонентов, механическую активацию и химические превращения реагирующих компонентов, процессы тепло и массопереноса, усадки, спекания компонентов, формирования каркаса отдельных фракций взаимодействующих частиц тугоплавких компонентов на различных структурных уровнях, возможность смены режима уплотнения.

2.Развита схема компьютерного моделирования, позволяющая исследовать определяющие факторы процессов механохимического синтеза и спекания деформируемых многокомпонентных дисперсных тел. Разработанная схема позволяет моделировать процессы термической деструкции связующего и удаления летучих продуктов распада, а так же исследовать определяющие факторы и режимы подготовки исходных компактов спекаемой низкотемпературной керамики, прогнозировать структуру и пористость механохимически реагирующего деформируемого тела в процессе синтеза и спекания для получения оценок усадки, механических и физических свойств тела.

3.Разработан метод оценки остаточных напряжений в матрице спечённого компакта LTCC с учетом тугоплавких продуктов термодеструкции связующего.

4.Показано, что в формирование структуры спечённой LTCC решающий вклад вносит возможность формирования тугоплавкого каркаса какой-либо фракции тугоплавких керамических компонентов смеси, а характер распределения зон с образовавшимся каркасом тугоплавких частиц определяются параметрами исходной дисперсии.

5.Предложенный подход исследования позволяет получить прогноз степени и анизотропии усадки.

6.Развит подход оценки возможности потери устойчивости локальных процессов деформирования механохимически реагирующего дисперсного тела типа Zr-B в процессе динамического воздействия, за счет смены агрегатного состояния компакта вследствие экзотермических процессов с уточнением эффективной вязкости материала по модели Ходакова.

7.Показано, что повышение скорости нагружения реагирующих слоистых тел типа тефлон-аллюминий приводит к увеличению диапазона собственных частот, в котором возможно разрушение слоев моделируемой структуры в резонансном режиме, обеспечивающее механическую активацию компонентов до уровня запуска химических превращений.