Динамические явления в композиционных материалах при воздействии интенсивных потоков заряженных частиц

Большинство сред, встречающихся в природе и созданных в результате деятельности человека — грунты, горные породы, снег, лед, порошки, суспензии, жидкости с пузырьками газа, композиционные материалы и др., имеют многокомпонентный состав [1]. Многообразие комбинаций фаз и структур, многообразие межфазных и внутрифазных взаимодействий и процессов (вязкость, межфазное трение, теплопроводность, межфазный теплообмен, фазовые переходы и химические реакции, различные сжимаемости фаз и т. д.), а также различных видов воздействий на гетерогенные среды порождают широкий спектр свойств многокомпонентных сред [2]. Такое большое количество параметров, определяющих свойства гетерогенной среды и зависящих от условий нагружения, создает трудности теоретического описания динамики многокомпонентных сред. Наиболее часто многокомпонентные среды рассматривают как сплошные, и изучение проводится на феноменологическом уровне [1].

В последние годы особый интерес представляет собой моделирование волновых процессов в многофазных средах. Одним из таких процессов, интересным с точки зрения практических приложений и моделирования, является распространение звука в двухфазной среде. В частности, в работах [3−5] изучалось движение частиц, взвешенных в жидкости или газе, в результате действия звуковых волн. В настоящее время большое внимание уделяется ультразвуковому исследованию суспензий [5]. В составе суспензии можно выделить жидкую несущую среду и включения различной объемной доли с размерами от 10 нм до 100 мкм.

Помимо этого, в последнее время в промышленности широко применяются металлокерамические композиционные материалы инструментального назначения. Они изготавливаются методом спекания порошковых смесей высокотвердых тугоплавких химических соединений с металлической связкой. Для повышения износостойкости металлокерамических сплавов совершенствуют химический состав исходных порошковых смесей, технологические режимы спекания и упрочнения спеченных изделий (в том числе путем нанесения износостойких покрытий). Возможности известных методов повышения износостойкости крайне ограничены. Разрушение режущих кромок и рабочих поверхностей изделий из металлокерамических сплавов в процессе эксплуатации инициируется концентраторами напряжений, которыми являются отдельные микропустоты остаточной после спекания металлокерамики пористости, сложная форма и дефекты строения включений высокотвердой фазы, неоднородность распределения высокотвердых частиц в объеме металлокерамического сплава и т. п. [6].

Одним из методов повышения износостойких характеристик металлокерамических композиционных материалов является обработка изделий концентрированными потоками энергии [7], к которым относятся лазерное, ионное и электронное облучение, а также потоки плазмы. Обработка изделий концентрированными потоками энергии приводит к о сверхвысоким скоростям нагрева (до 10 град/с) тонкого поверхностного слоя материала и формированию больших градиентов температур (до 107 о.

10 град/м), что определяет необходимые условия образования в поверхностном слое новых структурно-фазовых состояний [8].

Применение концентрированных потоков энергии для обработки материалов обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными методами: возможностью обработки высокоточных деталей сложной формы, малыми временем обработки, простой автоматизацией процесса.

Наиболее перспективным методом упрочнения поверхностных слоев является метод импульсного электронного облучения. Этот метод обладает следующими достоинствами: высокий КПД преобразования энергии от «розетки» в пучок (более 90%), большая площадь облучения поверхности (более 10 см2), высокая плотность мощности (более 10б Вт/см2), высокая частота импульсов (более 10 Гц). В отличие от ионных пучков, электронные пучки генерируются при меньших ускоряющих напряжениях и не требуют создания специальной радиационной защиты.

Поэтому исследования, связанные с воздействием излучения на композиционные материалы являются актуальными, как с точки зрения понимания физических процессов, протекающих в гетерогенной среде при облучении, так и с точки зрения создания теоретической базы для радиационных технологий.

Для проведения теоретических исследований по воздействию интенсивных потоков излучения на композиционные материалы необходима модель, которая бы включала в себя описание взаимодействия излучения с гетерогенной средой и описывала бы весь спектр процессов, протекающих в гетерогенной среде при облучении.

В настоящее время при описании механики гетерогенных сред большое внимание уделяется развитию моделей многоскоростных взаимодействующих континуумов [2], [9−12]. Существующие модели гетерогенных сред на основе многоскоростных взаимодействующих континуумов недостаточно развиты, поскольку для формулировки замкнутой системы уравнений используется приближение несжимаемости одной из компонент, либо приближение равенства давлений в компонентах [2, 9]. Развиваемый в [10−12] подход также вызывает большие трудности при обобщении его на конденсированные среды. Поэтому теоретические исследования в области моделей гетерогенных сред остаются актуальными. Необходимым является развитие теории гетерогенных сред с целью формулировки замкнутой системы уравнений в наиболее общем виде.

Цель работы. Работа направлена на разработку метода теоретического описания динамики гетерогенных сред и исследование их поведения при воздействии интенсивных потоков заряженных частиц.

Задачи диссертационной работы.

1. Построение теоретической модели гетерогенной среды с учетом процессов теплопроводности, теплообмена, сил взаимодействия между компонентами и релаксации их к равновесию, которая обеспечивает выполнение законов сохранения.

2. Реализация модели в одномерной геометрии для гетерогенной среды, представляющей собой матрицу (несущую жидкость) со сферическими включениями.

3. Исследование зависимости скорости звука и полей напряжений в гетерогенной среде от размеров и объемной доли включений при различных условиях нагружения.

4. Исследование закономерностей формирования полей напряжений в композиционных материалах при воздействии интенсивных потоков заряженных частиц.

Методика исследования. В рамках подхода многоскоростных взаимодействующих континуумов, сформулирована замкнутая система уравнений, описывающая течения в гетерогенной среде с учетом процессов теплопроводности, теплообмена и трения между компонентами, релаксации компонент к равновесному состоянию. Система уравнений для гетерогенной среды включает в себя уравнения непрерывности, движения и внутренней энергии для каждой компоненты, которые имеют универсальный вид для любой гетерогенной среды. Данную систему замыкают уравнения, описывающие релаксацию компонент к равновесному состоянию, явный вид которых определяется конкретной структурой гетерогенной среды. В данной работе исследована гетерогенная среда — матрица (несущая жидкость) со сферическими включениями. При описании рассеяния электронов композиционный материал рассматривается как гомогенная среда со сложным химическим составом. Модель переноса быстрых электронов включает процессы упругого рассеяния, флуктуации потерь энергии в неупругих столкновениях и рождение вторичных электронов. Модель переноса быстрых ионов построена в пренебрежении влияния упругого рассеяния на изменение направления импульса.

Разработанная модель и реализующая ее программа были использованы для проведения численных исследований динамических процессов в суспензиях, а также для моделирования воздействия импульсного электронного пучка на композиционный материал.

Научная новизна и значимость результатов диссертационной работы состоит в построении модели гетерогенной среды, учитывающей процессы теплопроводности, теплообмена, трения между компонентами и релаксации компонент среды к равновесному состояниюв изучении роли параметров гетерогенной среды (объемная доля и радиус включений) в определении скорости звука и полей напряжений в суспензиив изучении особенностей формирования полей напряжений в композиционном материале при облучении.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Модель гетерогенных сред, в которой учтены процессы теплопроводности, теплообмена и трения между компонентами, релаксация компонент среды к равновесному состоянию.

2) Немонотонная зависимость скорости звука в среде со сферическими включениями от объемной доли и радиусов включений. Скорость ударной волны в композиционном материале меньше либо равна скорости распространения ударных волн в чистых материалах.

3) Как следствие, амплитуда ударной волны в композиционном материале может превышать амплитуду волн в чистых материалах при одинаковых воздействиях. Максимальная амплитуда волны соответствует случаю равновесия компонент по напряжениям.

4) При увеличении плотности тока излучения влияние радиуса включений на амплитуду полей напряжений уменьшается вследствие увеличения скорости релаксации напряжений между компонентами.

Личный вклад автора. Участие в разработке модели гетерогенной среды. Построение акустического приближения данной модели. Разработка программного комплекса, реализующего указанную модель. Численные исследования динамических процессов в суспензии при различных объемных долях и радиусах включений. Численные исследования формирования полей напряжений в композиционном материале при различных объемных долях, радиусах включений и различных режимах облучения мишени электронным пучком, анализ полученных результатов.

Практическая ценность результатов работы заключается в возможности использования разработанной модели и программы для решения задач радиационных технологий при обработке композиционных материалов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международной конференции «9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2008) — на XVI-й Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2009) — на международной конференции «Х-е Забабахинские Научные Чтения» (Снежинск, 2010) — на международной конференции «10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2010) — на XVII-й Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК, 6 статей в сборниках трудов конференций, в том числе 4 международных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений, изложена на 140 страницах, содержит 29 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список содержит 98 наименований.

4.4 Выводы к главе 4.

1. Модель гетерогенной среды была протестирована на задаче по определению максимальных напряжений при соударении пластин из композиционного материала. Численные расчеты находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

2. Показано, что вследствие существенно различных удельных теплоемкостей компонент, компоненты композиционного материала нагреваются до разных температур.

3. Проведены численные исследования распространения волны напряжения в композитной мишени при облучении мощным электронным пучком. Получены зависимости максимальных напряжений, возникающих в композиционном материале, от размеров и объемной доли включений при различных параметрах облучения. Наличие включений существенно влияет на профиль и характер распространения волны напряжения в среде. Скорость распространения ударной волны может быть меньше, чем скорость звука в компонентах композиционного материала. При небольших объемных долях включений профиль волны подобен профилю волны в материале матрицы. При увеличении объемной доли включений профиль волны стремиться к профилю волны в материале включений. При малой плотности тока увеличение радиуса включений приводит к уменьшению амплитуды и «размазыванию» волны напряжений. С увеличением плотности тока влияние радиуса включений на амплитуду полей напряжений уменьшается.

Заключение

.

Многообразие типов гетерогенных сред, внутрифазных и межфазных взаимодействий и процессов, а также различных видов нагружения делает необходимым теоретическое описание многокомпонентных сред.

Существующие экспериментальные данные по исследованию свойств конденсированных гетерогенных сред не дают представлений о процессах, протекающих внутри среды, и не позволяют создать единую картину явления в широком диапазоне условий нагружения.

Для описания интенсивных динамических процессов в конденсированных гетерогенных средах не может быть использована теория эффективных модулей, так как она не учитывает зависимость эффективных модулей от скорости деформации среды. Существующие модели гетерогенных сред на основе многоскоростных взаимодействующих континуумов обладают существенными недостатками, связанными с необходимостью использования приближений для замыкания системы уравнений (приближение несжимаемости одной из компонент, либо приближение равенства давлений в компонентах) или отсутствием явного вида ряда слагаемых.

В настоящее время хорошо изучено как экспериментально, так и теоретически воздействие интенсивных потоков излучения на однородные (гомогенные) среды. Теоретические исследования по воздействию мощных потоков излучения на композиционные материалы ограничены трудностями применения развитых на сегодня моделей гетерогенных сред к решению этих задач.

Для описания динамических процессов в гетерогенных средах предложена модель, позволяющая описывать течения многокомпонентных конденсированных гетерогенных сред в широком диапазоне плотностей и температур. Модель построена на основе законов сохранения массы, импульса и энергии. В модели учтены процессы теплопроводности, теплообмена и трения между компонентами, релаксация компонент к равновесному состоянию. Каждая компонента движется в самосогласованном поле напряжений смеси.

Данная модель сформулирована в наиболее общем виде и допускает обобщения на другие типы и структуры гетерогенных сред. Для проведения такого обобщения необходимо заново решить задачу о релаксации структурного элемента гетерогенной среды и задать коэффициенты взаимодействия компонент.

Получено решение системы уравнений механики гетерогенной среды в акустическом приближении, позволяющее определять скорости звука и смещения включений в суспензии.

Получены аналитические выражения для скорости звука в суспензии в приближении полного увлечения частиц жидкостью для предельных случаев, когда частицы находятся в равновесии по напряжению с жидкостью, либо равновесие отсутствует.

Предложена модель взаимодействия интенсивного электронного или ионного пучка произвольной формы импульса и напряжения с композиционным материалом. В рамках этой модели, композиционный материал рассматривается как гетерогенная среда, неоднородная по потерям энергии. При описании рассеяния электронов композиционный материал рассматривается как гомогенная среда со сложным химическим составом. Модель переноса электронов включает процессы упругого рассеяния, флуктуации потерь энергии в неупругих столкновениях и рождение вторичных электронов. Модель переноса ионов построена в пренебрежении упругим рассеянием.

Проведено тестирование модели гетерогенной среды на задаче по расчету скорости звука в суспензии и на задаче по определению максимальных напряжений при соударении пластин из композиционного материала. Численные расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными и с аналитическим решением для скорости звука в суспензии.

Проведенные численные эксперименты позволили исследовать влияние процесса коагуляции на скорость звука в суспензии, закономерности формирования полей напряжений и смещений компонент в суспензии, а также влияние параметров облучения и размеров включений на поля напряжений в композиционном материале.

Процесс коагуляции — объединение включений в кластеры — приводит к увеличению скорости звука в суспензии. Если кластеры образуются из частиц малых размеров, то имеет место существенное увеличение скорости звука. Если же кластеры образуются из крупных частиц, то скорость звука в такой суспензии меняется мало.

Численные исследования суспензий показали, что при определенных условиях распространение волн напряжений в суспензии сопровождается дисперсией, а при возбуждении ударных волн в суспензии может формироваться предвестник, подобный упругому предвестнику в твердых телах.

Численные исследования распространения волны напряжения в композитной мишени, представляющей собой матрицу со сферическими включениями, при облучении мощным электронным пучком позволили получить зависимости максимальных напряжений, возникающих в композиционном материале, от размеров и объемной доли включений при различных параметрах облучения. Наличие включений существенно влияет на профиль и характер распространения волны напряжения в среде.

Наличие включений приводит к тому, что скорость распространения ударной волны может быть меньше, чем скорости распространения ударных волн в чистых материалах. За счет этого медленнее идет процесс разгрузки, и амплитуда волны в композиционном материале превышает амплитуды волн в чистых материалах. При небольших объемных долях включений профиль волны подобен профилю волны в материале матрицы. При увеличении объемной доли включений профиль волны стремиться к профилю волны в материале включений. Характер распространения волны сильно зависит от размеров включений. Это связано с тем, что при увеличении размеров включений теплообмен и релаксация компонент по напряжениям не успевают выравнивать температуры и напряжения компонент, что, в свою очередь, приводит к увеличению ширины и уменьшению амплитуды волны.

Практическая ценность результатов работы заключается в возможности использования разработанной модели и программы для определения скорости звука в суспензии и параметров электронного пучка при облучении композиционных материалов.

В заключении, хочу выразить благодарность своему научному руководителю Александру Павловичу Яловцу за неоценимую помощь при работе над диссертацией, Александру Евгеньевичу Майеру и Николаю Борисовичу Волкову за плодотворные обсуждения решаемых задач.