Ирискина Е.Н., Моисеенко Д.Д., Максимов П.В., Наркевич Н.А., Панин В.Е

МОДЕЛИРОВАНИЕ РОСТА ДЕНДРИТНЫХ СТРУКТУР В НЕОДНОРОД- НОМ ПОЛЕ ТЕМПЕРАТУР ПРИ СВАРКЕ И НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ ГИБКО-ЦЕПНЫХ ПОЛИМЕРОВ

Мясникова Л.П., Марихин В.А., Бойко Ю.М., Радованова Е.М., Лебедев Д.В., Яговкина М., Власова Е.Н*.,Иванькова Е.М. * Seydewitz V.**, Michler G.H.**, Goerlitz S..**

ФГБУ науки ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, С.-Петербург, Россия

* ФГБУ науки Институт высокомолекулярных соединений РАН, С.-Петербург,

**Martin-Luther University Yalle-Wittenberg, Halle-on-Saale, Germany

[email protected]

Полимерная молекула, будучи предоставленной сама себе, сворачивается в статистический клубок в аморфных полимерах и складывается сама на себя в час- тично-кристаллических полимерах, образуя кристаллиты, которые теперь уместно было бы называть нанокристаллами в силу их малых размеров (5-20 нм). Послед- ние связаны друг с другом т.н проходными молекулами, т.е. молекулами, прохо- дящими через несколько областей порядка (кристаллитов) и беспорядка. В обоих случаях механические характеристики полимерных материалов, получаемых от- верждением невозмущенных расплавов и растворов, такие, как прочность на раз- рыв и модуль Юнга, невысоки, и на несколько порядков ниже, чем их теоретиче- ские оценки, рассчитанные для отдельных молекул при приложении силы, направ- ленной вдоль оси молекулы. Такие низкие механические показатели обусловлены дефицитом несущих нагрузку молекул. Для того чтобы реализовать огромный по- тенциал, заложенный природой в высокомолекулярных соединениях, надо все мо- лекулы постараться уложить в одном направлении. В таком случае будут «рабо- тать» основные цепи молекул, атомы в которых связаны прочными химическими связями.

В настоящей работе на примере сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полиэтилентерефталата рассматриваются различные варианты решения этой про- блемы: формование из расплава полимера, формование из раствора с кристаллиза- цией через состояние геля, спекание частиц, полученных непосредственно при синтезе (т.н. реакторных порошков). Во всех случаях материал, полученный на первом этапе, подвергается затем высокотемпературной многоступенчатой зонной ориентационной вытяжке, разработанной в ФТИ им.А.Ф.Иоффе. Проведен анализ достоинств и недостатков каждого подхода, Достигнутые предельные механиче- ские характеристики сравниваются с мировым уровнем. Особое внимание уделено т.н. «сухому» способу переработки полимера, исключающему, как растворение, так и расплавление материала.

Институт физики прочности и материаловедения РАН, Томск, Россия

[email protected]

В процессе сварки или при нанесении покрытий в зоне термического влияния

(ЗТВ) в результате перекристаллизации основного материала и процессов выделе-

ния новых фаз происходит рост дендритных структур, крайне отрицательно влияющих на последующие эксплуатационные характеристики готового изделия. В связи с этим, оптимизация параметров сварочного цикла или режимов нанесения покрытия является чрезвычайно важной для получения максимально гомогенной структуры в ЗТВ. В данном случае оказывается очень полезным компьютерное мо- делирование процессов кристаллизации с целью нахождения оптимального режима сварки или нанесения покрытия. Наиболее перспективным здесь представляется использование дискретных подходов мезоуровня, таких, как методы клеточных ав- томатов. Методы клеточных автоматов [1] становятся всё более популярными по причине высокой скорости вычислений, логической упорядоченности и ясности алгоритмов.

В данной работе метод клеточных автоматов используется для регулируемой стохастической генерации трёхмерных дендритных структур, которые всецело оп- ределяются собственной геометрией. Дендритная двухфазная структура характери- зуется следующими параметрами: числом отдельных дендритов (кластеров), сред- ней длиной и числом прямых участков в отдельном дендрите, средней длиной и числом криволинейных участков в отдельном дендрите, среднем числом точек двойного ветвления в отдельном дендрите, среднем числом точек тройного ветвле- ния в отдельном дендрите, средней толщиной ветви в отдельном дендрите. Управ- ляя геометрией дендрита, можно моделировать разнообразные структуры, вид ко- торых влияет на гидродинамические, физические, механические и другие свойства. В данной работе среда представляется как трёхмерный бистабильный кле- точный автомат с ГЦК упаковкой элементов. На каждом временном шаге осущест- вляется стохастическое переключение группы автоматов из начального состояния в конечное: данный процесс определяется набором значений вероятностей, каждая из которых отвечает за эволюцию роста дендритов. Логические правила переклю- чения автомата основаны на анализе состояний соседей на трёх ближайших коор- динационных сферах. Алгоритм моделирования позволяет получать различные картины дендритных структур (рис.1), вид которых зависит от значений вероятно-

стей переключения клеточного автомата.

а) б) в) г)

Рис.1. Дендритные структуры, образующиеся при различных наборах вероятностей пере- ключения элементов (а–в); структура материала в условиях направленной кристаллизации (г).

1. Тоффоли Т., Марголус Н. Машины клеточных автоматов. – M.: Мир, 1991.– 280 с.

Дата добавления: 2017-01-14