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:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Математическое моделирование структурно-чувствительных свойств высокотемпературных сверхпроводников

-- [ Страница 2 ] --

5. В 6889 Центральной базе измерительной техники при разработке методики и предложений использованы следующие результаты диссертации: (а) модели механизмов упрочнения ВТСП; (б) численные результаты для систем YBCO и BSCCO, а также рекомендации по оптимизации технологических процессов и компонентных составов; (в) математические модели осаждения углерода в объеме сверхпроводника; (г) критерии пластичности и законы течения, описывающие движение в объеме сверхпроводящего порошка и его консолидацию под действием уплотняющего воздействия; (д) феноменологические модели формирования и превращения пор при длительном спекании ВТСП.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Общая концепция вычислительного мониторинга микроструктурных превращений и структурно-чувствительных свойств сверхпроводящих керамик и композитов при их изготовлении, нагружении и разрушении с результатами реализации схемы мониторинга для ВТСП-структур Y(RE)BCO и BSCCO, изготовленных с помощью различных технологических процессов.

2. Метод компьютерного моделирования и результаты численного моделирования: микроструктуры спеченной в градиенте температур сверхпроводящей керамики YBCO и ее разрушения; сверхпроводящих образцов Y(RE)BCO, полученных по расплавной технологии, их усталостного разрушения (малоцикловая усталость) с учетом влияния микроструктурного несоответствия, а также дисперсных частиц нормальной фазы Y-211 и использования затравочных кристаллитов; процессов изготовления и разрушения горячепрессованной ВТСП-керамики Bi-2223 с учетом наличия дисперсии серебра в керамической матрице.

3. Результаты математического моделирования характерных для различных ВТСП-структур механизмов упрочнения, обусловленных двойникованием и микрорастрескиванием вблизи макротрещины, отклонением и ветвлением трещины, шероховатостью ее берегов и формированием мостиков между ними, торможением трещины хрупкими и пластическими включениями. Для керамики YBCO основным механизмом упрочнения является формирование и разрушение мостиковзерен за фронтом трещины. Для объемных образцов BSCCO/Ag сковывание берегов трещины пластичными включениями серебра.

4. Метод компьютерного моделирования и результаты численного моделирования разрушения и характерных механизмов упрочнения для сетнетоэлектриков, также как и ВТСП, обладающих перовскитной структурой (основной механизм упрочнения двойникование вблизи макротрещины).

5. Метод компьютерного моделирования и результаты численного моделирования эф-фективной токопроводящей способности сверхпроводящих композиций и установление корреляций между микроструктурой и структурно-чувствительными свойствами.

6. Модели поведения Джозефсоновских переходов и ВТСП-композитов с учетом особенностей разрушения, зарождения и роста дефектов вблизи и на границе раздела материалов; модели механизмов сопротивления разрушению для слоистых композиционных структур, представляющих ВТСП ДП типа S-N-S и S-I-S (S сверхпроводник, N металл с нормальными свойствами, I изолятор).



7. Разработанная феноменологическая модель микроструктурных превращений и результаты ее реализации, показывающие, что основным структурным механизмом, приводящим к немонотонному поведению критического тока в зависимости от времени кальцинации в Bi-2223/Ag одножильных лентах, является вероятный отрыв пор от интеркристаллитных границ и их перемещение внутрь зерна. Этот процесс оказывает более сильное воздействие на уменьшение критического тока при длительной реакции по сравнению с ухудшением пиннинга магнитного потока в сверхпроводнике вследствие вытеснения из состава свинца при длительном обжиге.

8. Критерий пластичности и ассоциированный закон пластического течения в изотропном случае, основанные на добавлении первого инварианта тензора напряжений, которые описывают как движение в объеме образца, так и консолидацию ВТСП-порошка в процессе уплотняющего воздействия; критерий пластичности с законом течения, основанным на правиле дилатансии и рассмотрении процессов диссипации вследствие перегруппировки и деформации порошинок.

9. Математические модели осаждения углерода и образования карбонатов в объеме сверхпроводника, что приводит к охрупчиванию ИГ и формированию слабых связей. Определяющие уравнения, описывающие эти процессы с учетом происходящих одновременно: а) диффузии углерода, б) осаждения карбоната, в) потока немеханической энергии и г) деформации материала. Результаты математического моделирования медленного и быстрого равновесного роста трещины при наличии экранирующего поля дислокаций вследствие выделения углерода на интеркристаллитных границах и берегах трещины.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: I Всесоюзном симпозиуме по механике и физике разрушения композиционных материалов и конструкций (Ужгород, 1988 г.); VII Всесоюзном семинаре по физике прочности композиционных материалов (Каменец-Подольский. 1989 г.); IV Всесоюзной конференции по физике разрушения (Киев, 1989 г.); Всесоюзном семинаре по методам механики сплошных сред в теории фазовых превращений (Киев, 1990 г.); Международной конференции по производству и свойствам электронных керамик (Рига, 1990 г.); Международной конференции по разрушению инженерных материалов и структур (Сингапур, 1991 г.); Международной конференции по прозрачным сегнетоэлектрическим керамикам (Рига, 1991 г.); Международной конференции по криогенным материалам (Киев, 1992 г.); 18 Международном конгрессе по теоретической и прикладной механике (Хайфа, Израиль, 1992 г.); 8 Международной конференции по разрушению (Киев, 1993 г.); 3 Международном симпозиуме по доменной структуре сегнетоэлектриков и родственных материалов (Закопане, Польша, 1994 г.); 2 Международной конференции по текущим проблемам фундаментальных наук (Москва, 1994 г.); Международной конференции по структуре и свойствам хрупких и квазипластичных материалов (Рига, 1994 г.); I-IV, IX, Х Международных конференциях по современным проблемам механики сплошных сред (Ростов н/Д, 19951998, 2005, 2006 гг.); Международной конференции по прикладной сверхпроводимости (Питсбург, США, 1996 г.); Международной конференции по криогенным материалам (Портланд, США, 1997 г.); Международной конференции по прикладной сверхпроводимости (Калифорния, США, 1998 г.); Международном семинаре по критическим токам (Мэдисон-Висконсин, США, 1999 г.); 10 Международном конгрессе по разрушению (Гонолулу, Гавайи, США, 2001 г.); VII и X Международных салонах промышленной собственности "Архимед-2004" и "Архимед-2007", (Москва, 2004, 2007 гг.); Международной научно-практической конференции по пьезотехнике (Азов, 2005 г.); IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006 г.); 7 Специализированной выставке "Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК." (Москва, 2006 г.). Полученные результаты также обсуждались на семинаре Центра прикладной сверхпроводимости Университета Висконсин-Мэдисон, США (2001 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Она изложена на 322 страницах и включает 131 рисунок, 24 таблицы и 375 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность диссертации, рассматриваются применения ВТСП, формулируется цель работы и объекты исследования, показывается научная и практическая значимость, обосновывается достоверность полученных результатов, перечисляются основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 “Постановка проблемы компьютерного моделирования структурно-чувст-вительных свойств ВТСП на основе анализа экспериментальных результатов” обсуждаются технологии получения, композиция и структура ленточных и объемных образцов BSCCO и YBCO.

Особое внимание уделено существенной структурной неоднородности, обусловленной пористостью, фазовой и доменной структурами, кристаллитами, легирующими добавками, микротрещинами, вызванными технологическими воздействиями. Основной акцент сделан на исследовании механических и прочностных свойств ВТСП, воздействия напряженно-деформированного состояния на электромагнитные и сверхпроводящие свойства образцов. Представлены экспериментальные методы и результаты исследования разрушения и механизмов упрочнения высокотемпературных сверхпроводников. Отдельное внимание уделено созданному экспериментальному устройству и результатам исследований, проведенных при участии автора и связанных с изучением методом акустической эмиссии повреждаемости Bi-2223/Ag лент при изгибе. Выполнена постановка задач диссертационного исследования.

Глава 2 “Математическое моделирование процессов осаждения углерода в высокотемпературных сверхпроводниках” посвящена рассмотрению процесса выделения углерода в ВТСП, с одной стороны, формирующего центры пиннинга магнитного потока, а с другой приводящего к охрупчиванию интеркристаллитных границ. Сначала, представлены результаты экспериментальных исследований указанных процессов, приводящих к ухудшению сверхпроводящих свойств и токопроводящей способности систем YBCO и BSCCO. Основное же внимание в данной главе уделено моделированию осаждения углерода и сопутствующих процессов. Выделение углерода сложный механизм, предполагающий одновременное проявление: а) диффузии углерода, б) осаждения карбоната, в) потока немеханической энергии и г) деформации материала. Одна из стандартных реакций, описывающих взаимодействие YBCO с углекислым газом в процессе спекания и приводящих к образованию купрата и карбоната, имеет вид:

2YBa2Cu3O7-x + 4CO2 4BaCO3 + Y2Cu2O5 + 4CuO + (0,5 х)O2.

Определяющие уравнения, описывающие углеродное охрупчивание и разрушение YBCO при действии напряжений и температур, получены в рамках термодинамической теории необратимых процессов с учетом термодиффузии углерода (эффекта Соре). При этом замедленное разрушение карбоната моделируется с помощью модели декогезии, учитывающей изменение во времени энергии декогезии вследствие зависящего от времени процесса осаждения карбоната. Определяющие уравнения получены с учетом действия напряжений и температурного градиента для системы "сверхпроводник/углерод", в которой хрупкие карбонаты могут осаждаться и приспосабливаться упругим образом, образуя композит "купрат/ карбонат". Определяющее уравнение, описывающее диффузию углерода, имеет вид:

. (1)

Здесь: t и xk время и компоненты декартовых координат; полная концентрация углерода CСT определяется только концентрацией углерода в карбонате CС в связи с отсутствием углерода в купрате: , где f объемная доля карбоната в композите "купрат/карбонат". Полный поток углерода в материале находится в виде: , где поток углерода удовлетворяет соотношению:

,

если углерод и сверхпроводник формируют карбонат; R газовая константа; Т абсолютная температура; DС и QС коэффициент диффузии и тепловой поток углерода, обусловленный его транспортом в карбонате. Химический потенциал углерода в карбонате под напряжением С имеет вид:

,

где химический потенциал углерода в карбонате при отсутствии напряжения; парциальный моляльный объем углерода в карбонате; Mijkl тензор упругих податливостей сверхпроводника и ij тензор приложенных напряжений.

Определяющее уравнение, описывающее поток немеханической энергии, получено в виде:

, (2)

где массовая плотность материала; ср удельная теплоемкость сверхпроводника при постоянном давлении; энтальпия, соответствующая формированию моля карбоната; моляльный объем карбоната и k коэффициент температуропроводности сверхпроводника.

Конечно-элементные уравнения для численной реализации определяющих уравнений (1), (2) получены из вариационного описания потоков диффузии и энергии. С учетом следующих начальных и граничных условий, устанавливающих определяющие соотношения:





; Т = Т0, при t = 0;

, на Sb; , на S ; Т = Тs, на ST; , на SF,

где и Т0 соответственно, начальные концентрация углерода и температура, которые могут изменяться в объеме материала V; С - поток углерода на S; E – поток тепла на SF; Ts - температура на ST; Sb S = ST SF = S (величины , С, Т и E могут изменяться со временем), и условий для вариаций: СС = 0, на Sb; Т = 0, на ST,

для диффузии углерода имеем следующие конечно-элементные уравнения:

; ; ;

; ,

где aq – интерполяционная функция для q-го узла и - узловая концентрация в момент t.

Для потока немеханической энергии имеем:

; ;

; ; ; .

Адекватные численные результаты с использованием данных конечно-элементных уравнений могут быть получены после предварительного проведения экспериментов, позволяющих оценить необходимые для вычислений характеристики углерода, купрата, карбоната и сверхпроводника YBCO.

Далее, процессы выделения углерода изучены с помощью микроскопических моделей медленного и быстрого равновесного роста трещины при наличии экранирующего поля дислокаций. Медленное разрушение имеет место, когда процесс осаждения углерода достаточно быстр для того, чтобы установить одинаковые химические потенциалы между интеркристаллитной границей и берегами трещины, а быстрое разрушение происходит, в условиях одинаковой концентрации углерода на берегах трещины и интеркристаллитной границе. В случае равновесного роста трещины, экранированной дислокациями (рис. 1), предполагаем, что вершина трещины сохраняется острой на атомном уровне в присутствии экранирующих дислокаций, обеспечивающих также локальное условие равновесия. Последнее состоит в том, что трещина должна экранироваться полем дислокаций, при этом устанавливается зона, свободная от дислокаций, имеющая длину d. Нагруженная система "трещина – два массива дислокаций" (с соответствующей длиной 2а и ry) обусловливает локальное напряжение d в зоне, свободной от дислокаций, и создает интенсивность напряжений, задаваемую соотношениями Хатчинсона – Райса –Розенгрена:

где Ka интенсивность приложенных напряжений; y – предел текучести; n – коэффициент рабочего упрочнения; коэффициент, зависящий от свойств упругой и пластической деформаций.

При равновесии химические потенциалы углерода и сверхпроводника должны совпадать между собой во всех областях. Таким образом, равновесное осаждение углерода зависит от энергии связей и условий в вершине трещины. Основным допущением модели является то, что охрупчивание интерфейсов выражается в уменьшении поверхностной и зернограничной энергий, вследствие выделения углерода. Тогда из термодинамического анализа Си–РайсаХета можно получить удельную энергию, израсходованную при медленном (s) и быстром (f) разрушении, в виде:

; (4)

, (5)

здесь равновесные концентрации углерода в зонах III и V определяются в явном виде; критические значения концентрации углерода в зоне III, необходимые, соответственно, для медленного и быстрого разрушения; 0 удельная энергия интеркристаллитного разрушения в отсутствие углерода; разность химических потенциалов на поверхности трещины и нагруженной границе зерна.

Соотношение между критической интенсивностью напряжений, необходимой для развития трещины (при медленном, быстром или устойчивом характере разрушения), и энергией, затраченной в процессе выделения углерода, устанавливается с помощью локального условия энергетического баланса:

, (6)

где верхний индекс с соответствует быстрому или медленному состоянию разрушения; Kd локальный коэффициент интенсивности напряжений (КИН), обусловленный длиной зоны, свободной от дислокаций, впереди вершины трещины d; G модуль сдвига. При этом КИН Kd и напряжение d в этой зоне связаны соотношением, полученном приближенно из условия силового баланса, которое устанавливается между трещиной с линейной интенсивностью напряжений и аналогичной трещиной, находящейся под действием локального нагружения, определяемого размером пластической зоны: d = (Kd/d)2. Кроме того, используем соотношение между d, Kd и c, которое следует из условия совпадения скорости освобождения упругой энергии с соответствующим Jинтегралом: .

Затем пороговое значение интенсивности напряжений задается соотношениями (3) и (6):

, (7)

где трещиностойкость сверхпроводника; критическое перемещение при раскрытии трещины, соответствующее определенному процессу разрушения (обозначенному верхним индексом c), и c0 тот же параметр в отсутствие углерода, определяемый в форме:

. (8)

Система уравнений (3)(8) полностью описывает процессы равновесного медленного и быстрого роста интеркристаллитной трещины при осаждении углерода. Численные результаты показывают, что в условиях трещины, экранированной дислокациями, осаждение углерода способствует медленному росту трещины с большей вероятностью, чем быстрому разрушению.

В главе 3 “Общие аспекты моделирования ВТСП-систем” обсуждена схема вычислительного мониторинга структурно-чувствительных свойств ВТСП (рис. 2). Предварительно рассматриваются две важные проблемы, касающиеся оптимизации технологических режимов получения ВТСП-систем, а именно: устанавливаются критерии пластичности, которые могут описать как движение в объеме пресспорошка, так и его консолидацию в процессе уплотнения, и исследуется формирование и развитие пор вследствие диффузионных процессов при спекании. Предлагаемые критерии пластичности основываются на законах ассоциированного и неассоциированного течения.

В предложенном критерии пластичности и ассоциированном законе течения с помощью добавления первого инварианта тензора напряжений учтен эффект объемного изменения на деформацию порошка при его уплотнении. В изотропном случае уплотнения порошка трехмерный критерий пластичности представляется через нормальное и касательное напряжения в виде:

, (9)



Pages:     | 1 || 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.