авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Математическое моделирование структурно-чувствительных свойств высокотемпературных сверхпроводников

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПАРИНОВ ИВАН АНАТОЛЬЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Специальность 05.13.18 Математическое моделирование, численные

методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Новочеркасск 2007

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте механики и прикладной математики им. Воровича И. И. Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Южный федеральный университет"

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Белоконь Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Игнатьев Вячеслав Константинович

доктор технических наук,

профессор Соболь Борис Владимирович

доктор технических наук,

профессор Герасименко Юрий Яковлевич

Ведущая организация: Кубанский государственный университет

Защита состоится __2___ ноября 2007 г. в ______ в 107 ауд. (главный корпус) на заседании диссертационного совета Д.212.304.02 в ГОУ ВПО “Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)” по адресу:

346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮРГТУ (НПИ) по адресу:

346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132

Автореферат разослан _____ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к. т. н., профессор А. Н. Иванченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе оксидов меди с температурой перехода в сверхпроводящее состояние Тс большей, чем температура дешевого, нетоксичного и доступного жидкого азота (77 К), ознаменовало качественный скачок в разработке и применении новых технических проводников, устройств передачи, превращения и сохранения энергии. Наряду с достаточно высокими значениями Тс, другими основными особенностями, определяющими микроструктуру и свойства ВТСП являются: присущая хрупкость оксидных купратов, слоистая анизотропная структура и сверхмалая ( 1 нм) длина когерентности , представляющая собой пространственную характеристику сверхпроводящих электронов. Вследствие указанных особенностей даже интеркристаллитной границы бывает достаточно для подавления сверхпроводимости, а структурно-чувствительные свойства ВТСП-систем во многом зависят от характеристик слабых связей границ зерен при их изготовлении в виде поликристалла, демонстрируя сосуществование внутри- и межзеренных токов. Поверхности раздела типа "сверхпроводник металл с нормальными свойствами", "сверхпроводник изолятор" и производные от них являются местами локализации дефектов различной природы. Микроструктурные особенности, связанные с фазовым составом, доменной структурой, кристаллографическими свойствами, наличием структурных дефектов, пор, микротрещин, включений и т. д., непосредственно определяют полезные свойства ВТСП-материалов и композитов.





Актуальность работы определяется огромными изменениями в окружающем мире, оказывающими решающее влияние на будущее сверхпроводимости. Ускоряющиеся нужды требуют соответствующего увеличения глобальной электрификации России. Вместе с тем, существуют значительные проблемы, связанные с ограниченными природными ресурсами, необходимостью защиты окружающей среды, громадными размерами территории. Все это заставляет обратить особое внимание на проблему эффективного использования энергии. Очевидно, не существует иной альтернативы для увеличения уровня жизни населения, чем решение указанной задачи. Успешное использование прикладной сверхпроводимости может стать главным ответом на возникающие потребности. Оно приобретает даже более важное значение, чем развитие возобновляемых источников энергии: солнечной, геотермальной, атомной, а также энергии воды и ветра. Кроме того, актуальность работы определяется началом применения в 90-х годах высокотемпературных сверхпроводников в конкретных изделиях и устройствах, развивающимися возможностями замены низкотемпературных сверхпроводников высокотемпературными и необходимостью существенного повышения сверхпроводящих, прочностных и других структурно-чувствительных свойств ВТСП.

Сложность композиционных особенностей ВТСП и многочисленность технологий их получения, связанных со сверхчувствительностью конечных свойств образца от малейших изменений технологического процесса, обусловливают необходимость разработки эффективных методов компьютерного моделирования, способного при минимальных затратах выработать конкретные рекомендации по оптимизации как композиции сверхпроводника, так и технологии его изготовления.

Существенный вклад в создание физических и математических моделей, в развитие технологий ВТСП, оптимизацию их композиции и структуры, внесли: Е. В. Антипов, Ю. А. Бойков, Г. Ф. Воронин, С. А. Гриднев, Е. А. Гудилин, Ю. Н. Дроздов, Н. В. Заварицкий, М. Ф. Имаев, В. Д. Нацик, Ю. Н. Ноздрин, Ю. А. Осипьян, А. Л. Рахманов, В. Н. Тимофеев, В. Г. Флейшлер, А. К. Шиков, U. Balachandran, J. G. Bednorz, D. A. Cardwell, C. W. Chu, M. P. Delamare, G. Desgardin, P. Diko, R. Flkiger, H. C. Freyhardt, K. C. Goretta, A. Goyal, Z. Han, E. E. Hellstrom, C.-J. Kim, P., Kov, D. C. Larbalestier, H. K. Liu, T. Miyamoto, K.A. Mller, M. Murakami, K. Osamura, J. A. Parrell, N.Sakai, G. J. Schmitz, S. Sengupta, Z. Z. Sheng, B. ten Haken, Y. Yamada, Y. S. Yuan, W. Zhang и др.

Большое влияние на развитие математических моделей физики прочности и механики разрушения оказали: Г. И. Баренблатт, В. В. Болотин, Р. В. Гольдштейн, А. А. Ильюшин, А. Ю. Ишлинский, А. А. Лебедев, Н. А. Махутов, Н. Ф. Морозов, Г. Г. Писаренко, Г. П. Черепанов, J. C. Amazigo, M. F. Ashby, S. J. Bennison, B.Budiansky, B. N. Cox, R. W. Davidge, D. S. Dugdale, A. G. Evans, K. T. Faber, M. S. Hu, J. W. Hutchinson, N. Laws, D. B. Marshall, R. M. McMeeking, J. R. Rice, L. R. F. Rose, M. V. Swain, M. D. Thouless, V. Tvergaard, C. Cm. Wu и др.

Диссертация соответствует ряду разделов “Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ” и перечня “Критических технологий РФ”, утвержденных распоряжением Президента РФ (ПР843 от 21.05.2006 г.). Основные результаты диссертации получены в ходе выполнения следующих грантов государственных научно-технических программ, отечественных и международных фондов, которыми руководил автор:

1. Разработка и создание мониторинга микроструктурных и прочностных свойств поликристаллических керамик (РФФИ N 95-01-00072-а, 1995-1997 гг.).

2. Разработка метода вычислительного эксперимента и его применение к исследованию микроструктурных превращений, сопровождающих изготовление и разрушение оксидных керамик (ГоскомВУЗ РФ, программа по фундаментальным проблемам в области металлургии, УГТУ, г. Екатеринбург, 1996-1997 гг.; приказ ГК РФ по высшему образованию N859 от 08.05.96);

3. Создание эффективного теоретико-вычислительного подхода к исследованию микроструктурных, механических и прочностных характеристик ряда конструкционных материалов для автомобильного транспорта (Министерство общего и профессионального образования РФ, программа по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук, МГИУ, г. Москва, 1997-1998 гг.; приказ МОПО РФ N 1066 от 02.06.97);

4. Разработка методов исследования механической деградации и сопротивления разрушению современных материалов для новых высокоэффективных двигателей и энергетических установок летательных аппаратов (Министерство общего и профессионального образования РФ, программа по фундаментальным исследованиям в области авиационной и ракетно-космической техники, МАИ, г. Москва, 1999-2000 гг.; приказ МОПО РФ N 1521 от 09.06.99);

5. Разработка методов и экспериментальных средств исследования микроструктурных превращений, сопровождающих изготовление высокотемпературных сверхпроводников (Министерство образования РФ, программа по фундаментальным исследованиям в области естественных наук, С-ПГУ, г. Санкт-Петербург, 2001-2002 гг.; грант N Е00-3.4-517);

6. Международная программа COBASE (Collaboration for Basic Science and Engineering, USA), National Academy of Science #INT-0002341 (2001-2002 гг.);

7. Микроструктурные аспекты прочности и разрушения высокотемпературных сверхпроводников (РФФИ N 02-01-07028-ано, 2002-2003 гг.).

8. Исследование структурных превращений и процессов формирования дефектов при изготовлении и нагружении высокотемпературных сверхпроводников (РФФИ N 04-01-96800-р2004юг-а, 2004-2005 гг.).

9. Теоретико-экспериментальные исследования структурно-чувствительных свойств высокотемпературных сверхпроводников и других новых материалов (РФФИ N 07-01-00012-а, 2007-2009 гг.).

Тема диссертации поддерживается госбюджетной НИР, выполняемой в НИИ механики и прикладной математики им. Воровича И. И. Южного федерального университета: “Разработка моделей и методов исследования новых пьезо-, нано-, сверхпроводящих и полимерных материалов и изделий” (N 4.2.0601.2.006 06157, 20062008 гг.)

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка методов математического моделирования, применение которого позволит выработать рекомендации для получения высокотемпературных сверхпроводников, обладающих улучшенными и более контролируемыми физико-механическими свойствами.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1) разработка схемы вычислительного мониторинга микроструктурных превращений и структурно-чувствительных свойств ВТСП в процессе их изготовления, нагружения и разрушения на основе рассмотрения цепочки "композиция технология эксперимент теория модель", предполагающей существенную дефектность и структурную неоднородность материала;

2) получение определяющих уравнений углеродного охрупчивания и разрушения сверхпроводника YBCO под действием напряжений и температур в рамках термодинамической теории необратимых процессов с рассмотрением конечно-элементных уравнений, описывающих диффузию углерода и поток немеханической энергии;

3) моделирование распространения равновесной медленной (или быстрой) трещины в условиях осаждения углерода в объеме сверхпроводника при наличии экранирующего поля дислокаций;

4) выработка критериев пластического поведения ВТСП-порошка в процессе его уплотнения в рамках ассоциированной и неассоциированной пластичности;

5) разработка феноменологической модели микроструктурных превращений пористости при спекании сверхпроводника, позволяющей выявить основную причину понижения критического тока при длительном обжиге;

6) разработка методов двухуровневого моделирования, включающего макроструктурное исследование процессов теплопроводности и распространения теплового фронта, а также микроструктурную модель формирования структуры сверхпроводника в окрестности теплового фронта, с созданием соответствующих вычислительных алгоритмов;

7) разработка математических моделей микро- и макроразрушения ВТСП на основе компьютерного моделирования и теории графов с созданием соответствующих вычислительных алгоритмов;

8) математическое моделирование характерных механизмов упрочнения (разупрочнения) и сопротивления разрушению для различных сверхпроводящих материалов и композитов на основе использования методов механики разрушения с созданием соответствующих вычислительных алгоритмов и последующим определением различных параметров прочности и трещиностойкости;

9) определение эффективных токопроводящих характеристик модельных сверхпроводящих структур на основе использования теории перколяции с созданием соответствующих вычислительных алгоритмов.

Объекты исследования. Объектами исследования являются наиболее перспективные для применений в настоящее время системы Bi-Sr-Ca-Cu-O и Y(RE)-Ba-Cu-O в форме лент и объемных образцов.

Методы исследования и достоверность полученных результатов. В работе применялись методы конечных разностей, Монте-Карло и статистического анализа, методы построения конечно-элементных схем, теория графов, теория размерностей, математические методы теории теплопроводности, термодинамики, физики прочности, механики разрушения и теории перколяции. Достоверность основных положений и выводов диссертации определяется применением строгих математических методов, подробным описанием вычислительных алгоритмов, проведением тестовых расчетов, использованием в моделях в качестве начальных данных существующих экспериментальных результатов, а также сопоставлением полученных данных с известными теоретическими и экспериментальными результатами. Принятые допущения не противоречат физике рассматриваемых процессов и являются общепринятыми при решении аналогичных задач.

Научная новизна. В результате выполненной работы сформулировано новое направление научных исследований ВТСП, включающее вычислительный мониторинг микроструктурных превращений и структурно-чувствительных свойств в процессе изготовления, нагружения и разрушения материалов.

1. Впервые, схема мониторинга реализована при изучении систем YBCO и BSCCO, полученных в результате различных технологических процессов. С учетом технологии получения и композиционных особенностей ВТСП смоделированы микроструктурные превращения, происходящие на различных стадиях изготовления материалов (поведение пор при спекании, пластичность порошкового компакта под действием внешних нагрузок, процессы спекания, рекристаллизации, усадки, остывания, аномального роста зерен, микрорастрескивания образцов при различных термомеханических воздействиях и т. д.) и разработаны соответствующие вычислительные алгоритмы.

2. Впервые, на уровне модельных исследований изучена проблема охрупчивания интеркристаллитных границ ВТСП, образования слабых связей при осаждении углерода, формировании и разрушении карбоната; получены соответствующие определяющие уравнения и предложена схема их конечно-элементной реализации. Рассмотрены процессы медленного и быстрого равновесного роста трещины при наличии экранирующих дислокаций, ассоциируемые с выделением углерода на интеркристаллитных границах и берегах трещины.

3. Впервые, на основе разработанного компьютерного моделирования систематически исследованы механизмы упрочнения (разупрочнения) и сопротивления разрушению ВТСП, обусловленные как неоднородной структурой сверхпроводника (пористостью, зернистой фазой, включениями примесей, доменной структурой, микротрещинами и т. д.), так и технологическими воздействиями в процессе получения материала. С помощью реализации разработанных вычислительных алгоритмов выявлены основные механизмы упрочнения (разупрочнения) высокотемпературных сверхпроводников и представлены рекомендации по изготовлению образцов с улучшенными свойствами.

4. Впервые, на основе модельных исследований систематически исследовано прочностное поведение различных типов ВТСП Джозефсоновских переходов и композитов, изучены особенности их разрушения и характерные механизмы упрочнения.

5. На основе математических моделей теории перколяции разработаны вычислительные алгоритмы и оценена токопроводящая способность ВТСП-систем, полученных с помощью различных технологических процессов, с учетом имеющихся композиционных и структурных особенностей. Установлены корреляции между микроструктурными, прочностными и токопроводящими свойствами.

Практическая значимость работы связана с разработкой рекомендаций по усовер-шенствованию технологий получения, оптимизации композиции и структуры рассмотренных высокотемпературных сверхпроводников. Выявленные особенности разрушения ВТСП и по-лученные оценки структурно-чувствительных свойств могут быть использованы при проек-тировании и создании сверхпроводящих изделий и устройств, а также при сертификации вы-сокотемпературных сверхпроводящих материалов и композитов. Результаты диссертации вносят вклад в развитие методов физики прочности, механики разрушения и численного моделирования применительно к задачам зарождения, накопления и развития дефектов, взаимодействия трещин со структурными неоднородностями, в исследование характерных механизмов упрочнения и сопротивления разрушению, в оценку влияния внутренних и внешних воздействий на изменение присущих физико-механических свойств материалов и готовых изделий. Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего развития теоре-тических, модельных и экспериментальных методов исследования структурно-чувствитель-ных свойств керамических и композиционных материалов. Выполненные исследования мо-гут найти свое применение в многочисленных отраслях, связанных с проблемами материало-ведения и нанотехнологий.

Реализация результатов работы.

1. Материалы диссертации используются на кафедре математического моделирования факультета математики, механики и компьютерных наук Южного федерального университета в преподавании учебного курса "Математические модели в физике и технике".

2. Материалы диссертации использованы на кафедре общей физики физико-техничес-кого факультета Кубанского государственного университета при проведении лекций и практических занятий по дисциплине "Технология материалов электронной техники", а также в процессе проведения курсового и дипломного проектирования.

3. В ИМАШ РАН (г. Москва) при конструировании магнито-динамических генераторов были учтены следующие результаты диссертации: (а) вычислительный мониторинг свойств керамик и композитов, используемых в авиационной и ракетно-космической технике; (б) микроструктурная модель усталостного разрушения образцов сверхпроводящих материалов типа YBCO и оценки ряда микроструктурных и прочностных параметров в зависимости от начальной пористости и особенностей микрорастрескивания при остывании материала; (в) математические модели развития механических повреждений, характерных для высокотемпературных сверхпроводящих композитов, представляющих собой системы типа SIS и SNS (где S сверхпроводник, I изолятор, N металл с нормальными свойствами), и оценки параметров трещиностойкости и прочности.

4. В Ростовским военном институте ракетных войск при выполнении НИР использованы следующие результаты диссертации: (а) критерии пластичности для уплотняемых высокотемпературных сверхпроводящих порошков; (б) математические модели осаждения углерода и сопровождающих процессов создания слабых связей в сверхпроводнике, ухудшающих его полезные свойства; (в) феноменологические модели перемещения, сжимания расширения и коалесценции пор, их возможного отрыва от межзеренной границы внутрь зерна с результатами оценки токопроводящих свойств сверхпроводящих одножильных лент Bi2Sr2Ca2Cu3O10+/Ag; (г) математические модели механизмов упрочнения ВТСП-компози-ций YBa2Cu3O7-x и Bi2Sr2Ca2Cu3O10+.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.