Напряженность температурного поля на поверхности включений графена в композите с керамической матрицей


Авторы

Лавров И. В., Бардушкин В. В.*, Яковлев В. Б.

Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН, 115487, Москва, ул. Нагатинская, 18

*e-mail: bardushkin@mail.ru

Аннотация

Рассмотрена задача нахождения напряженности температурного поля на границе включения в матричном композите со стороны матрицы. Получено выражение для оператора концентрации напряженности температурного поля на поверхности анизотропных включений в форме сильно сжатых сфероидов в матричном композите в зависимости от положения точки на поверхности включения, от объемной доли включений в материале, от ориентации включения. Данные операторы связывают поля на поверхности включения со стороны матрицы со средней величиной напряженности температурного поля в образце композита. На основе полученных выражений проведены модельные расчеты для композита с матрицей из Al2O3 и включениями из многослойного графена. Вычислялись значения компонент и модуля напряженности температурного поля в точках на ребре включений со стороны матрицы при фиксированной величине напряженности приложенного температурного поля при различных аспектных отношениях сфероидов, моделирующих форму графеновых включений, а также при различных углах между направлением напряженности приложенного поля и плоскостью вращения сфероидов. Показано, что в случае графеновых многослойных включений в точках на их ребрах величина напряженности поля со стороны керамической матрицы может в несколько десятков раз превышать напряженность приложенного поля.

Ключевые слова:

композит, матрица, графен, включение, операторы концентрации напряженности температурного поля, обобщенное сингулярное приближение

Библиографический список

  1. Nieto A., Bisht A., Lahiri D., Zhang C., Agarwal A. Graphene reinforced metal and ceramic matrix composites: a review // International Materials Reviews. 27 Oct. 2016. P. 241–302. DOI: 10.1080/09506608.2016.12 19481
  2. Porwal H., Grasso S., Reece M.J. Review of graphene– ceramic matrix composites // Advances in Applied Ceramics. 2013. Vol. 112. No. 8. P. 443–454. DOI: 10.1179/174367613X13764308970581
  3. Borrell A., Torrecillas R., Rocha V.G., Fernandez A. Effect of CNFs content on the tribological behaviour of spark plasma sintering ceramic–CNFs composites // Wear. 2012. Vol. 274–275, P. 94–99. DOI: 10.1016/j. wear.2011.08.013
  4. Шейнерман А.Г., Красницкий С.А. Моделирование влияния агломерации графена на механические свойства керамических композитов с графеном // Письма в Журнал технической физики. 2021. Т. 47. Вып. 17. С. 37–40. DOI: 10.21883/PJTF.2021.17.51385.18844
  5. Kim H., Lee S.-M., Oh Y.-S., Yang Y.-H., Lim Y.S., Yoon D.H., Lee Ch., Kim J.Y., Ruoff R.S. Unoxidized Graphene/Alumina Nanocomposite: Fracture- and WearResistance Effects of Graphene on Alumina Matrix // Scientific Reports. 5 June 2014. Vol. 4, 5176. P. 1–10. DOI: 10.1038/srep05176
  6. Савенков Г.Г., Константинов А.Ю., Кузнецов А.В., Пахомов М.А., Столяров В.В. Влияние добавок графена на динамическую прочность и разрушение оксида алюминия при ударном нагружении // Журнал технической физики. 2022. Т. 92. Вып. 6. С. 838–844. DOI: 10.21883/JTF.2022.06.52513.47-22
  7. Stankovich S., Dikin D.A., Dommett G.H., Kohlhaas K.M., Zimney E.J., Stach E.A., Piner R.D., Nguyen S.T., Ruoff R.S. Graphene-based composite materials // Nature. 2006. Vol. 442. Iss. 20. P. 282–286. DOI: 10.1038/nature04969
  8. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A. Electric field effect in atomically thin carbon films // Science. 2004. Vol. 306. Iss. 5696. P. 666–669. DOI: 10.1126/science.1102896
  9. Новоселов К.С. Графен: материалы Флатландии // Успехи физических наук. 2011. Т. 181. № 12. С. 1299–1311. DOI: 10.3367/UFNr.0181.201112f.1299
  10. Bunch J.S., Van der Zande A.M., Verbridge S.S., Frank I.W., Tanenbaum D.M., Parpia J.M., Craighead H.G., McEuen P.L. Electromechanical resonators from graphene sheets // Science. 2007. Vol. 315. Iss. 5811. P. 490–493. DOI: 10.1126/science.1136836
  11. Yan Zh., Nika D.L., Balandin A.A. Thermal properties of graphene and few-layer graphene: applications in electronics // IET Circuits, Devices & Systems. 2015. vol. 9, iss. 1, pp. 4–12. DOI: 10.1049/iet-cds.2014.0093
  12. Ткачев С.В., Буслаева Е.Ю., Губин С.П. Графен – новый углеродный наноматериал // Неорганические материалы. 2011. Т. 47. № 1. С. 5–14.
  13. Елецкий А.В., Искандарова И.М., Книжник А.А., Красиков Д.Н. Графен: методы получения и теплофизические свойства // Успехи физических наук. 2011. Т. 181. № 3. С. 233–268. DOI: 10.3367/UFNr. 0181.201103a.0233
  14. Колесников В.И., Яковлев В.Б., Лавров И.В., Сычев А.П., Бардушкин А.В. Распределение электрических полей на поверхности включений в матричном композите // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2023. Т. 513. С. 34–40. DOI: 10.31857/S2686740023060093
  15. Milton G. The Theory of Composites. Cambridge: Cambridge University Press, 2004. 719 p.
  16. Карташов Э.М., Кудинов В.А. Аналитические методы теории теплопроводности и ее приложений. Москва: ЛЕНАНД, 2018. 1072 с.
  17. Лыков А.В. Теория теплопроводности. Москва: Высшая школа, 1967. 600 с.
  18. Карташов Э.М. Новые соотношения для аналитических решений локально-неравновесного теплообмена // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2023. № 6 (111). С. 4–24. DOI: 10.18698/1812-3368-2023-6-4-24
  19. Kartashov E.M. New energy effect in non-cylindrical domains with a thermally insulated moving boundary // Russian Technological Journal. 2023. Vol. 11. No. 5. P. 106–117. DOI: 10.32362/2500-316X-2023-11-5-106-117
  20. Benveniste Y. On the effective thermal conductivity of multiphase composites. // Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik (ZAMP). 1986. Vol. 37. P. 696–713. DOI: 10.1007/BF00947917
  21. Benveniste Y., Miloh T. The effective conductivity of composites with imperfect thermal contact at constituent interfaces // International Journal of Engineering Science. 1986. Vol. 24. No. 9. P. 1537–1552.
  22. Лавров И.В., Бардушкин В.В., Яковлев В.Б. Прогнозирование эффективной теплопроводности композитов с графеновыми включениями // Тепловые процессы в технике. 2023. Т. 15. № 7. С. 299–308. DOI: 10.34759/tpt-2023-15-7-299-308
  23. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Математическая модель теплопереноса в сферопластике // Математика и математическое моделирование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный журнал. 2016. № 4. С. 42–58. DOI: 10.7463/mathm.0416.0846276
  24. Zarubin V.S., Zimin V.N., Kuvyrkin G.N., Savelyeva I.Y., Novozhilova O.V. Two-sided estimate of effective thermal conductivity coefficients of a textured composite with anisotropic ellipsoidal inclusions // Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik (ZAMP). 2023. Vol. 74. Iss. 4 (139). DOI: 10.1007/s00033-023-02039-0
  25. Stroud D. Generalized effective-medium approach to the conductivity of an inhomogeneous material // Physical Review B. 1975. Vol. 12. No. 8. P. 3368–3373. DOI: 10.1103/PhysRevB.12.3368
  26. Колесников В.И., Яковлев В.Б., Бардушкин В.В., Лавров И.В., Сычёв А.П., Яковлева Е.Н. О методе анализа распределений локальных электрических полей в композиционном материале // Доклады Академии наук. 2016. Т. 467. № 3. С. 275–279. DOI: 10.7868/S0869565216090097
  27. Шермергор Т. Д. Теория упругости микронеоднородных сред. Москва: Наука, 1977. 399 с.
  28. Лавров И.В., Бардушкин В.В., Сычев А.П., Яковлев В.Б., Кочетыгов А.А. О вычислении эффективной теплопроводности текстурированных матричных композитов с высокой объемной долей включений // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2018. Т. 15. № 3. С. 92–101. DOI: 10.31429/vestnik-15-3-92-101.
  29. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. Москва: Мир, 1986. 660 с.
  30. Лавров И.В. Диэлектрическая проницаемость композиционных материалов с текстурой: эллипсоидальные анизотропные кристаллиты // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2009. № 1. С. 52–58.
  31. Физические величины: справочник / под редакцией И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. Москва: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024