Исследования термо-механических свойств архитектурных материалов

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 проекта 22-49-08014

НазваниеИсследования термо-механических свойств архитектурных материалов

Руководитель Айзикович Сергей Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" , Ростовская обл

Конкурс №62 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (MOST)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова архитектурные материалы, микропористые материалы, термоупругость, пластичность, искусственный интеллект, нейронные сети, экспериментальная механика, эффективные свойства, связанность полей

Код ГРНТИ30.19.57

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие технологий получения новых материалов, таких как аддитивные технологии позволяет в полной мере использовать методы аналитического и компьютерного проектирования для получения новых материалов с новыми перспективными свойствами. Среди таких материалов нужно отметить решеточные материалы, которые в определенной мере обладают свойствами, аналогичными свойствам идеальной кристаллической решетки. Такие материалы обладают оптимальным соотношением вес — жесткость, высоким пределом прочности. Эти материалы получили применение, например, в устройствах гибкой электроники, микро- и наноэлектромеханических устройствах, а также используются как перспективные композитные материалы для авиастроения. Кроме того, для таких материалов возможны аномальные значения физических параметров, например, отрицательные значения коэффициента Пуассона. Это уже позволило сделать из таких материалов прототипы стентов, которые будут расширяться при растяжении. Открывшиеся перспективы компьютерного дизайна для получения материалов с априори заданными свойствами вызвали большой интерес современного материаловедения, что послужило стимулом к развитию методов анализа поведения таких материалов. Таким образом, задачи теоретического и экспериментального исследования прочности, выносливости, повреждаемости, определения эффективных свойств такого нового класса материалов представляются весьма актуальными. В рамках проекта предполагается рассмотреть связанные эффекты в таких микроструктурных материалах, связанные с тепловыми воздействиями, вязкоупругостью, а также с учетом электромагнитных свойств. Хотя эффективные свойства упругих метаматериалов, как и поведение в различных условиях нагружения, исследовались во множестве работ, связанные эффекты, в частности, влияние температуры, изучены в гораздо меньшей степени. Тем не менее, такое влияние в ряде случаев может играть ключевую роль на поведение устройств микроэлектроники и других, где имеются циклы нагрев — охлаждение. Также важным является влияние поверхностных эффектов, особенно в случае архитектурных материалов, для которых отношение приповерхностной области материала к области в объеме велико. Известно, что в этом случае поверхностные свойства могут играть определяющую роль в эффективных свойствах материала. Отмеченные факты во многом обуславливают новизну проекта. В рамках проекта предполагается провести исследования некоторых классов метаматериалов (архитектурных материалов) при учете хиральности, влияния температуры, поверхностных свойств на поведение таких материалов в целом и элементов конструкций из таких материалов. Будут предложены соответствующие математические модели, проведено решение ряда модельных задач, будут проведены экспериментальные исследования. Последние будут основаны на исследовании микроструктуры материала и поведения материала под нагрузкой методами компьютерной микротомографии, что позволит провести расчеты с учетом реальной микроструктуры материала, пористости, связанности, хиральности, состава. Данное исследование позволит учесть влияние поверхностных свойств на эффективные свойства материалов с развитой поверхностью. Особенное внимание будет уделено исследованию влияния хиральности материалов. Значимость запланированных исследований состоит в том, что они позволят предложить оптимальный дизайн хиральных метаматериалов, а изученные в рамках проекта как с теоретической, так и с экспериментальной точек зрения эффективные свойства архитектурных материалов в дальнейшем могут быть использованы для разработки различных устройств микроэлектроники, в частности, поглощающих покрытий, устройств гибкой электроники и других МЭМС.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Еремеев В.А., Рекчиа Е. On dynamics of elastic networks with rigid junctionswithin nonlinear micro-polar elasticity International Journal for Multiscale Computational Engineering, Vol. 20, Is. 6, Р. 1-11 (год публикации - 2022)
10.1615/IntJMultCompEng.2022043259

2. Еремеев В.А. On well-posedness of the ﬁrst boundary-value problem within linear isotropic Toupin–Mindlin strain gradient elasticity and constraints for elastic moduli Z. Angew. Math. Mech. (год публикации - 2022)

3. Маликан М., Еремеев В.А. On dynamic modeling of piezomagnetic / flexomagnetic microstructures based on Lord–Shulman thermoelastic model Archive of Applied Mechanics, P.1-16 (год публикации - 2022)
10.1007/s00419-022-02149-7

4. Кудиш И.И., Волков С.С., Васильев А.С. A hydrodynamic thrust bearing lubricated by a non-newtonian giesekus fluid Известия Национальной Академии Наук Армении. Механика, Vol.75, Is.1-2, Р.169-183 (год публикации - 2022)
10.54503/0002-3051-2022.75.1-2-169

5. Айзикович С.М., Лапина П.А. Сравнение точности двух асимптотических методов решения контактных задач для приближенных моделей функционально-градиентного полупространства Новые материалы и технологии в условиях Арктики: сб. тр. V Междунар. науч. конф. с элементами научной школы для молодежи, г. Якутск, 14-18 июня 2022 г. – Якутск: Издательский дом СВФУ, 2022. – 262 с., С.116 (год публикации - 2022)

6. Николаев А.Л., Садырин Е.В., Кренев Л.И., Вонг Ю.Ч., Айзикович С.М. А мathematical model for describing the indentation process of the ZnO coating Abstracts of the II International conference «Modern Modeling of Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications», Divnomorskoe, September 26-30, 2022. – Rostov-on-Don: DSTU, 2022., С.16 (год публикации - 2022)

7. Зеленцов В.Б., Лапина П.А., Айзикович С.М., Вонг Ю.Ч. Indentation of poroelastic materials Abstracts of the II International conference «Modern Modeling of Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications», Divnomorskoe, September 26-30, 2022. – Rostov-on-Don: DSTU, 2022., С.29 (год публикации - 2022)

8. Айзикович С.М., Лапина П.А. Анализ сходимости асимптотических методов решения контактных задач для функционально-градиентного полупространства Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVI Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 26 мая-31 мая 2022 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2022., С.5 (год публикации - 2022)

9. Бардакова Р.А., Котова А.А., Садырин Е.В., Николаев А.Л., Харчевников И.О., Забияка И.Ю, Айзикович С.М. Mechanical, chemical and microgeometrical properties of magnetron sputtered TiN thin film Abstracts and Schedule: 10th Anniversary International Conference on "Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications" (PHENMA 2021-2022), Divnomorsk, May 23-27, 2022. – Rostov-on-Don-Taganrog, 2022. – 378 р., Р. 53-54 (год публикации - 2022)

10. Вонг Ю.Ч., Зеленцов В.Б., Лапина П.А., Николаев А.Л., Васильев А.С. Control of sliding contact parameters during abrasive treatment of functionally graded material Abstracts and Schedule: 10th Anniversary International Conference on "Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications" (PHENMA 2021-2022), Divnomorsk, May 23-27, 2022. – Rostov-on-Don-Taganrog, 2022. – 378 р., Р.335-336 (год публикации - 2022)

11. Садырин Е.В., Николаев А.Л., Чапек С.В., Назаранко Д.В., Айзикович С.М., Вонг Ю.Ч. Manufacturing quality evaluation of photopolymer resin 3D-printed scaffolds using microtomography Advanced Structured Materials: Sixty Shades of Generalized Continua. Dedicated to the 60th Birthday of Prof. Victor A. Eremeyev. Springer, Nature Switzerland AG, Chapter 38. Vol. 170. Р.619-630 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-26186-2_38

12. Вонг Ю.Ч., Ляо Т.-Ч., Тан К.-В., Айзикович С.М. Bandgap properties of a class of chiral and achiral metamaterials Advanced Structured Materials: Sixty Shades of Generalized Continua. Dedicated to the 60th Birthday of Prof. Victor A. Eremeyev. Springer, Nature Switzerland AG, Chapter 44. Vol. 170. Р. 717-726 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-26186-2_44

13. Садырин Е.В., Николаев А.Л., Бардакова Р.А., Котова А.А., Харчевников И.О., Забияка И.Ю., Айзикович С.М. Nanoindentation derived mechanical properties of TiN thin film deposited using magnetron sputtering method Advanced Structured Materials: Deformation and Destruction of Materials and Structures Under Quasi-static and Impulse Loading. Springer, Nature Switzerland AG, Chapter 17. Vol. 186. Р. 245-254 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-22093-7_17

14. Васильев А.С., Волков С.С., Айзикович С.М. Моделирование деформирования термобарьерных покрытий Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 28 мая-1 июня 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, С.20 (год публикации - 2023)

15. Лапицкая В.А., Николаев А.Л., Харчевников И.О. Зависимость характеристик от стехиометрического состава покрытий AlN Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 28 мая-1 июня 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, С.62 (год публикации - 2023)

16. Кренев Л.И. Развитие информационной системы «Градиентные покрытия» Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 28 мая-1 июня 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, С.57 (год публикации - 2023)

17. Харчевников И.О. Испытание зондов для атомно-силового микроскопа NanoEducator, испытание нового метода заточки вольфрамовых зондов Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: тез. докл. XVII Всерос. шк.-семинара, с. Дивноморское, 28 мая-1 июня 2023 г. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, С.114 (год публикации - 2023)

18. Айзикович С.М., Васильев А.С. Simplified analytical solution for contact problems on indentation for a FGM-coated solid 4th International Conference on Nanomaterials, Nanofabrication and Nanocharacterization (NANOMACH): Book of Abstracts, April 13-19, 2023, Oludeniz, Turkey, Р.26 (год публикации - 2023)

19. Айзикович С.М. Analytical models for analysis of nanoindentation of thin coatings X International Scientific Conference «Actual problems of solid state physics»: Book of abstracts, 22-26 May 2023, Minsk, Р.440 (год публикации - 2023)

20. Кренев Л.И., Садырин Е.В., Николаев А.Л., Айзикович С.М. Analysis of the nanoindentation results using the Graded Coatings information system Advanced Structured Materials: Advances in Linear and Nonlinear Continuum and Structural Mechanics. Springer, Nature Switzerland AG, Chapter 15. Vol. 198. Р. 273-283 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-43210-1-15

21. Еремеев В.В., Лапина П.А. On tensile instability of elastic structures with elastic sliders of different stiffness Advanced Structured Materials: Advances in Linear and Nonlinear Continuum and Structural Mechanics. Springer, Nature Switzerland AG, Chapter 8. Vol. 198. Р. 155-164 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-43210-1-8

22. Айзикович С.М. Application approximated analytical solution of the contact problem for nanoindentation analysis of coated solids International Conference NDT Days, June 12-16, 2023, Sozopol, Bulgaria, Р.1-2 (год публикации - 2023)

23. Кренев Л.И. Информационная система «Градиентные покрытия» - теория и эксперимент XIII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механике, Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 г.: сб. тез. докл. в 4 т. – Политех-Пресс, 2023, Т.3. С.763-764 (год публикации - 2023)

24. Еремеев В.А., Рекка Е., Айзикович С.М., Каззани А.М. Waves in elastic networks with rigid massive joints modelled within micropolar elasticity 3rd International Conference on Computations for Science and Engineering (ICCSE3), Pegaso University, Naples, Italy, 20-23 September 2023, P. 25-26 (год публикации - 2023)

25. Айзикович С.М., Лапина П.А. Approximated analytical solution for nanoindentation experiment analysis of coated solids International Conference on «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications» (PHENMA 2023): Abstracts and Schedule (Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023). – Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press, 2023. – 369 p., Р.45-46 (год публикации - 2023)

26. Харчевников И.О., Николаев А.Л., Антипов П.Е. Sharpening and creation of probes for the atomic force microscope NanoEducator International Conference on «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications» (PHENMA 2023): Abstracts and Schedule (Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023). – Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press, 2023. – 369 p., Р.154 (год публикации - 2023)

27. Харчевников И.О., Николаев А.Л. Modernization of the method of electrochemical etching of tungsten probes for the NanoEducator atomic force microscope P. 12, P. 12 (год публикации - 2023)
-

28. Тихменева Ю.А., Попов И.В., Садырин Е.В., Айзикович С.М. Construction of a three-dimensional model of a bat based on micro-CT results for non-destructive study of anatomical structures Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications (MPMM&A-2023): Theses of the reports of the Third International Conference, Rostov-on-Don, November 27-30, 2023. – Rostov-on-Don: DSTU, P. 32 (год публикации - 2023)
-

29. Садырин Е.В., Айзикович С.М., Вонг Ю.Че A new approach for comparison of density values for various types of early caries treatments Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications (MPMM&A-2023): Theses of the reports of the Third International Conference, Rostov-on-Don, November 27-30, 2023. – Rostov-on-Don: DSTU, P. 24 (год публикации - 2023)

30. Вонг Ю.Ч., Шен Ч.Ч., Ляо Т.Ч., Айзикович С.М. Investigation of no passing bands in chiral metamaterials having negative Poisson’s ratio Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications (MPMM&A-2023): Theses of the reports of the Third International Conference, Rostov-on-Don, November 27-30, 2023. – Rostov-on-Don: DSTU, P. 39 (год публикации - 2023)
-

31. Айзикович С.М., Лапина П.А. Исследование эквивалентности различных моделей неоднородного упругого основания Материалы XXIX Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. – Т.1. – М.: ООО "ТРП", С. 6 (год публикации - 2023)
-

32. Садырин Е.В., Кароткиян Р.В., Николаев А.Л., Чапек С.В., Лапина П.А., Вонг Ю.-Ч. In situ mechanical testing and microtomography of 3D-printed hard tissue scaffolds for bioengineering applications Advanced Structured Materials: Dynamics of Discrete and Continuum Structures and Media. Springer Nature Switzerland AG, Germany (год публикации - 2025)

33. Панфилов И.А., Айзикович С.М., Литвиненко А.Н. Analysis of indentation results taking into account the plasticity of the material Advanced Structured Materials: Dynamics of Discrete and Continuum Structures and Media. Springer Nature Switzerland AG, Germany (год публикации - 2025)

34. Лапицкая В.А., Кузнецова Т.А., Варчолински Б., Гилевич А., Хабарова А.В., Чижик С.А., Николаев А.Л., Айзикович С.М. Microstructure and micro- and nano-properties of Al-Cr-B-N coatings Advanced Structured Materials: Current Developments in Solid Mechanics and Their Applications. Springer Nature Switzerland AG, Germany (год публикации - 2025)

35. Кароткиян Р.В., Садырин Е.В., Харчевников И.О., Айзикович С.М. Theoretical and experimental study of scaffold behavior under uniaxial load 2024 International Conference on «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications»(PHENMA 2024, Indore, India, November 6-11, 2024): Abstracts and Schedule / I.A. Parinov, N. Sohani, V. K. Gupta, S.-H. Chang (Eds.); Southern Federal University – Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press, 2024, P. 165 (год публикации - 2024)

36. Айзикович С.М., Панфилов И.А., Лапина П.А. Application of models of plastic nonlinear behavior of materials in indentation problems 2024 International Conference on «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications»(PHENMA 2024, Indore, India, November 6-11, 2024): Abstracts and Schedule / I.A. Parinov, N. Sohani, V. K. Gupta, S.-H. Chang (Eds.); Southern Federal University – Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press, 2024, P. 40 (год публикации - 2024)

37. Айзикович С.М., Садырин Е.В., Николаев А.Л., Кароткиян Р.В., Вонг Ю.Ч. Оценка качества изготовления скаффолдов из фотополимерной смолы методом 3D-печати с использованием микротомографии и одноосного сжатия Открытая школа-конференция стран СНГ: Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы (УМЗНМ – 2024), г. Уфа, 30 сентября-4 октября 2024 г. – Уфа: РИЦ УУНиТ, 2024, С. 213-214 (год публикации - 2024)

38. Айзикович С.М., Панфилов И.А., Лапина П.А. Использование упругопластической модели основания при определении свойств материала методом наноиндентирования XIV Белорусская математическая конференция: сб. докл., г. Минск, 28 октября-1 ноября 2024 г. В трех частях. Ч.1. Минск: Беларуская навука, 2024, С. 88 (год публикации - 2024)

39. Айзикович С.М., Панфилов И.А. An advance method for interpreting indentation results taking into account the features of plastic deformation International Conference «Advanced Mechanics: Structure, Materials, Tribology», Samarkand, 23-26 September 2024. , Р.19 (год публикации - 2024)

40. Кароткиян Р.В., Садырин Е.В., Николаев А.Л., Чапек С.В., Васильев А.С. Finite element modeling of uniaxial compression of scaffolds Advanced Structured Materials: Dynamics of Discrete and Continuum Structures and Media. Springer Nature Switzerland AG, Germany (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Флексоэлектричество является общим свойством всех диэлектриков. В отличие от пьезоэлектричества, флексоэлектричество не имеет ограничений по симметрии кристаллической решетки. Оно наблюдается даже для изотропных материалов и материалов с кубической симметрией, в то время как пьезоэлектричество может существовать только для материалов, чьи кристаллические точечные группы не обладают центром симметрии. Она связывает электрическую поляризацию с градиентами деформации и может наблюдаться как в твердых телах, так и в жидкостях без каких-либо ограничений по симметрии. Хотя величина явления флексоэлектричества довольно мала, оно гораздо сильнее проявляется на малых масштабах, то есть для микро- и наноструктурных материалов, поскольку на малых масштабах градиенты деформации могут быть выше. Таким образом, флексоэлектричество является примером так называемых размерно-зависимых явлений. В последнее время флексоэлектричество находит различные применения в малых масштабах для создания приводов, датчиков, устройств сбора энергии и других микро- и нано-электромеханических устройств. В рамках проекта рассмотрены некоторые варианты решеточных материалов и получены их эффективные свойства. Отметим, что управление геометрией тела при помощи электромагнитных полей позволяет избежать явлений тепловой инерции. Показано, что микроструктурированный материал, такой как балочно-решетчатый матриал, может привести к появлению пьезоэлектрических свойств на макромасштабе при правильно выбранной микроструктуре. Проведено наноиндентирование объемных элементов хиральных архитектурных материалов для получение значений их механических характеристик с помощью наноиндентометра Nanotest 600 Platform 3, оборудованного алмазной пирамидой Берковича. Были определены значения восстановленного модуля упругости индентируемых объектов. Для этого использована зависимость площади контакта индентора от глубины внедрения, полученная экспериментально с использованием калибровочных стандартов из кварца и сапфира, учитывающая податливость всей системы и температурные микро- и нанодрейфы. Кроме того, была проведена микротомография образцов хиральных архитектурных материалов в отсутствии механической и температурной нагрузки с последующим проведением in situ термомеханических испытаний образцов архитектурных материалов на сжатие в микротомографе Zeiss Xradia Versa 520 (Carl Zeiss X-Ray Microscopy, США) при различной температуре с использованием испытательной машина Deben CT5000-TECSS (Deben UK Ltd., Соединенное Королевство). Были получены объемные изображения деформированного материала на разных стадиях нагружения. Проведено сравнение объёмных изображений образцов архитектурных материалов до нагружения и на различных стадиях термомеханического нагружения включая реконструкцию данных, рендеринг, получение виртуальных срезов внутренней структуры исследуемых материалов, построение объемных реконструкций образцов архитектурных материалов на разных этапах термомеханического нагружения, сопоставление их с объемными реконструкциями до нагружения и выделение смещений поверхности материала. Отдельно отметим, что в сотрудничестве с тайваньской стороной с использованием методов искусственного интеллекта, таких как нейронные сети глубокого обучения (глубинные нейронные сети, ГНС), для изучения связанных электромагнитных полей в архитектурных материалах были оценены эффективные свойства флексоэлектрических материалов. Были проведены эксперименты по растяжению/сжатию, изгибу, кручению электроупругих материалов с микроструктурой. Выполнена генерация обучающих наборов данных для ГНС с помощью метода конечных элементов для исследования микроструктуры, состоящей из четырехконечной звезды и четырех балок для соединения. Проведен анализ поведения смоделированной микроструктуры под нагрузкой с изучением механических свойств, включая модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига и модуль объемной упругости. Полученные данные сравнивались с аналитическими и экспериментальными результатами.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы при производстве устройств гибкой электроники, микро- и наноэлектромеханических устройствах, в качестве перспективных композитных материалов для авиастроения. Отдельно отметим перспективы использования результатов проекта для производства полимерных изделий медицинского назначения, таких как биосовместимые решетчатые материалы (скаффолды) для замещения костных дефектов, изготавливаемые методами аддитвных технологий.