КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 25-29-00443
НазваниеИсследование влияния условий деформирования (температура, давление, вид нагружения) и гетерофазности структуры на ауксетичность упругих свойств кристаллических тел
РуководительВолков Михаил Андреевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, г Москва
Период выполнения при поддержке РНФ | 2025 г. - 2026 г. |
Конкурс№102 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов
Ключевые словаупругие свойства, ауксетики, коэффициент Пуассона, кристаллы, гетерофазные структуры, температура, давление
Код ГРНТИ30.19.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Развитие материалов для новых и перспективных инженерных применений требует решения ряда научно-технических проблем, одна из которых – создание конструкционных и функциональных материалов со специфическими физико-механическими характеристиками. Одними из таких материалов являются материалы-ауксетики, которые при нагружении растягивающей нагрузкой демонстрируют упругое расширение в поперечном направлении, т.е. проявляют эффект отрицательности коэффициента Пуассона. В настоящее время предложено множество практических применений материалов-ауксетиков, от энергопоглощающих и защитных конструкций, до наноструктур и гетерофазных кристаллов. Для компьютерного проектирования этих материалов требуются методы математического описания их механического поведения, в том числе в различных условиях деформирования. Поэтому задачей настоящего проекта является развитие теоретических подходов к описанию механических свойств материалов с отрицательным коэффициентом Пуассона, в условиях повышенных температур, гидростатического давления и нагрузок различного типа.
Объектами исследования будут являться кристаллы, слоистые композиционные материалы и монокристаллические никелевые жаропрочные сплавы с гетерофазной γ/γ'-микроструктурой. Материалы последнего типа также являются ауксетиками, причем степень их ауксетичности повышается с температурой, что ауктуально для их высокотемпературного применения в качестве лопаток перспективных авиационных газотурбинных двигателей. При исследовании температурной зависимости упругих свойств кристаллов будет изучена корреляция между состоянием кристаллической решетки с их анормальными упругими свойствами, такими как анормальная температурная зависимость характеристик упругости и отрицательный коэффициент Пуассона. Значительная часть проекта посвящена моделированию механического поведения композиционных материалов, состоящих из слоев кристаллов различного типа, в том числе слоев кристаллов-ауксетиков. К этому классу материалов, например, относятся многослойные защитные нанопокрытия. Планируемые исследования будут проводиться в рамках теории упругости анизотропного тела, физического металловедения, кристаллографии и кристаллохимии.
В итоге выполнения настоящего проекта будут разработаны важные для инженерных приложений механические модели и методы расчёта для описания механического поведения материалов-ауксетиков, что позволит создавать и проектировать материалы и конструкции со специальными служебными характеристиками.
Ожидаемые результаты
1. Изучение влияния температуры на упругие свойства кубических кристаллов. Для широкого класса кубических кристаллов будут собраны и оцифрованы имеющиеся в научной и справочной литературе данные по температурной зависимости упругих констант, в интервале от криогенных температур до температуры плавления. С использованием созданной базы данных будет исследована корреляция между состоянием кристаллической решетки, например, метастабильности вблизи точек фазового перехода или плавления, с их анормальными упругими свойствами, такими как анормальная температурная зависимость характеристик упругости и отрицательный коэффициент Пуассона.
2. Изучение влияния гидростатического давления на знак и величину коэффициента Пуассона кубических кристаллов. Будут получены аналитические выражения и рассчитаны величины гидростатических давлений, при которых реализуются отрицательные значения коэффициента Пуассона для различных кубических кристаллов. На основе полученных знаний возможно получение материалов с заданными механическими свойствами, а также создание защитных конструкций, элементов механизмов.
3. Исследование упругих свойств гетерофазной γ/γ'-микроструктуры монокристаллических никелевых жаропрочных сплавов в интервале повышенных максимальных температур, планируемых для лопаток перспективных авиационных газотурбинных двигателей. Будет исследовано влияние растворения частиц упрочняющей γ'-фазы и связанное с ним изменение химического состава фаз на упругие свойства и ауксетичность (отрицательность коэффициента Пуассона) монокристаллов никелевого жаропрочного сплава в интервале температур от комнатной до 1300 °C. Будет аналитически и численно изучено влияние температурного изменения упругих свойств и ауксетичности на напряженное состояние γ/γ'-микроструктуры, ее термическую стабильность и процесс высокотемпературной пластической деформации. Методом спектрального разложения тензора упругости будет изучено влияние различия высокотемпературных значений адиабатических и изотермических упругих констант монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов на результаты инженерных расчетов.
4. В современной технике часто используются анизотропные материалы. Упругие характеристики (например, модуль Юнга, коэффициент Пуассона и модуль сдвига) таких материалов зависят от ориентации образцов. П рамках проекта будет проведен анализ изменчивости коэффициента Пуассона орторомбических кристаллов при варьировании кристаллографического направления приложенной одноосной растягивающей нагрузки. Будут получены аналитические выражения для определения стационарных и экстремальных значений коэффициента Пуассона. Для численного анализа авторами проекта подготовлена база данных по упругим константам орторомбических кристаллов.
5. Анализ двухосной упругой деформации двухкомпонентных пластинчатых структур, состоящих из слоев тетрагональных и орторомбических кристаллов. Особое внимание будет уделено структурам, где один из компонентов является ауксетиком. Будут получены аналитические зависимости для определения эффективных характеристик упругости двухкомпонентных пластинчатых структур, состоящих из слоев орторомбических кристаллов, для случая их продольного и поперечного нагружения. Будут рассчитаны эффективные значения модуля Юнга и коэффициентов Пуассона. Для проверки адекватности поученных аналитических зависимостей будет проведено сравнение результатов, рассчитанных аналитически с использованием теории упругости и численно методом конечных элементов. Для численного анализа авторами проекта подготовлена база данных по упругим константам орторомбических кристаллов.
6. Анализ двухосной упругой деформации двухкомпонентных пластинчатых структур, состоящих из слоев гексагональных кристаллов. Особое внимание будет уделено структурам, где один из компонентов является ауксетиком.
Будут получены аналитические зависимости эффективных характеристик упругости (модуля Юнга и коэффициентов Пуассона) при одновременном продольном и поперечном растяжении двухслойных структур, состоящих из слоев гексагональных и кубических кристаллов. При проведении аналитических выкладок будут использоваться кристаллографические соотношения и теория упругости анизотропного тела. Для численного анализа авторами проекта подготовлена база данных по упругим константам гексагональных кристаллов.
Полученные решения в пунктах 5 и 6 могут быть применены для анализа механических свойств кристаллических структур как рафт-структуры.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ