Моделирование низкотемпературного механического поведения водосодержащего пористого кремния


DOI: 10.34759/tpt-2021-13-4-171-179

Авторы

Бардушкин В. В.1*, Шиляева Ю. И.2, Кочетыгов А. А.3**, Воловликова О. В.2***, Дронов А. А.2****, Яковлев В. Б.3*****

1. Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН, 115487, Москва, ул. Нагатинская, 18
2. Национальный исследовательский университет «МИЭТ», 124498, Москва, Зеленоград, пл. Шокина, д. 1
3. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: bardushkin@mail.ru
**e-mail: aakcht@gmail.com
***e-mail: 5ilova87@gmail.com
****e-mail: mfh.miet@gmail.com
*****e-mail: yakvb@mail.ru

Аннотация

Решается задача моделирования низкотемпературного механического поведения систем типа «пористый электрод — водный электролит», применимых в электрохимических устройствах нового поколения. Рассматриваются структуры на основе мембран пористого кремния и воды. Анализ методом дифференциальной сканирующей калориметрии показал высокую воспроизводимость температурных характеристик пиков плавления частиц льда в пористом кремнии при последовательных циклах охлаждение‒нагрев. Данный факт свидетельствует о стабильности геометрических параметров пористого кремния. Построена математическая модель прогнозирования напряженно-деформированного состояния (вплоть до предельного), возникающего при замерзании воды в условиях пространственного ограничения внутри пор кремниевой матрицы. Модель учитывает структуру материала, физико-механические характеристики и объемное содержание его компонентов. Проведенные численные модельные расчеты показали, что замерзание воды в порах при последовательных циклах охлаждение‒нагрев не оказывает разрушающего действия на рассматриваемые структуры пористого кремния, что согласуется с экспериментальными данными.

Ключевые слова:

моделирование, пористый кремний, вода, дифференциальная сканирующая калориметрия, замерзание, плавление, напряженно-деформированное состояние, обобщенное сингулярное приближение теории случайных полей, операторы концентрации напряжений и деформаций, механическая прочность

Библиографический список

  1. Park C.M., Kim J.H., Kim H., Sohn H.J. Li-alloy based anode materials for Li secondary batteries // Chemical Society Reviews. 2010. V. 39. P. 3115–3141. DOI: 10.1039/ b919877f

  2. Zhu G., Luo W., Wang L., Jiang W., Yang J. Silicon: Toward eco-friendly reduction techniques for lithium-ion battery applications // Journal of Materials Chemistry A. 2019. V. 7. P. 24715–24737. DOI: 10.1039/C9TA08554H

  3. Liu S., Hu J.J., Yan N.F., Pan G.L., Li G.R., Gao X.P. Aluminum storage behavior of anatase TiO2 nanotube arrays in aqueous solution for aluminum ion batteries // Energy & Environmental Science. 2012. V. 5. N 12. P. 9743–9746. DOI: 10.1039/C2EE22987K

  4. Liu F., Chung H.J., Elliott J.A.W. Freezing of aqueous electrolytes in zinc—air batteries: effect of composition and nanoscale confinement // ACS Applied Energy Materials. 2018. V. 1. N 4. P. 1489–1495. DOI: 10.1021/acsaem. 7b00307

  5. Бардушкин В.В., Кочетыгов А.А., Шиляева Ю.И., Воловликова О.В., Дронов А.А. Объемная плотность энергии деформации в системе мезопористый кремний — сорбированная вода в интервале температур 233–273 К // Тепловые процессы в технике. 2020. Т. 12. № 5. С. 225–232. DOI: 10.34759/tpt-2020-12-5-225-232

  6. 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. V. 10. Iss. 11 (2151). DOI: 10.3390/nano10112151

  7. 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. V. 61. P. 4252–4260. DOI: 10.1021/acs.jced.6b00607

  8. Shilyaeva Y., Gavrilov S., Dudin A., Matyna L., Shulyat’ev A., Volkova A., Zheleznyakova A. Anodic aluminium oxide templates for synthesis and study of thermal behaviour of metallic nanowires. Surface and Interface Analysis. 2016. V. 48. P. 934–938. DOI: 10.1002/sia.5892

  9. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977. 399 с.

  10. 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.

  11. Бардушкин В.В., Кочетыгов А.А., Яковлев В.Б. Моделирование предельного напряженного состояния матричного композита с ориентированными волокнами при термодинамических воздействиях // Тепловые процессы в технике. 2020. Т. 12. № 3. С. 118–124. DOI: 10.34759/ tpt-2020-12-3-118-124

  12. Паньков А.А. Методы самосогласования механики композитов. Пермь: Изд-во ПГТУ, 2008. 253 с.

  13. 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.

  14. Schulson E.M. The structure and mechanical behavior of ice // JOM. 1999. V. 51. P. 21–27. DOI: 10.1007/s11837-999-0206-4

  15. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

  16. Чукин В.В. Физические свойства атмосферы. СПб.: СИСТЕМА, 2005, 112 с.

  17. Бекряев В.И. Практикум по физическим основам воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 144 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024