CC BY
18УДК 621.3.066
МОДЕЛИРОВАНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ПОРОШКОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ*
Е. Г. Зеленкова1, Г. М. Зеер, Н. А. Колбасина, А. А. Пьянзин, О. Н. Ледяева
Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 1E-mail: [email protected]
Предложена конечно-элементная модель, позволяющая автоматизировать процесс построения геометрической модели по заданным характеристикам электроконтактного материала, подобрать свойства материалов, входящих в композит, задать условия нагружения и рассчитать удельное электросопротивление порошкового композиционного материала.
Ключевые слова: композиционный материал, порошки, удельное электросопротивление, дисперсно-упрочняющая фаза, дугогасящая фаза.
MODELING OF ELECTRICAL RESISTIVITY OF POWDER COMPOSITE MATERIAL
BY FINITE ELEMENT METHOD
E. G. Zelenkova1, G. M. Zeer, N. A. Kolbasina, A. A. Pianzin, O. N. Ledyaeva
Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 1E-mail: [email protected]
A finite-element model is proposed. The model allows to make automatic the process of geometric model construction taking into consideration the specified characteristics of the electrocontact material, to select the composite material properties, to set the loading conditions, and to calculate the electrical resistivity of the powder composite material.
Keywords: composite material, powders, the specific resistivity, dispersion-strengthening phase, arc-suppressing phase.
Введение. Для обеспечения функционирования элементов оборудования авиационной и космической техники используются композиционные материалы, например, в качестве электроконтактов. Композиционные электроконтактные материалы обладают структурой, состоящей из зерен матричного материала, по границам которых распределены включения дисперсно-упрочняющих и дугогасящих добавок.
Одной из важнейших характеристик электроконтактных материалов является удельное электрическое сопротивление, так как характеризует способность препятствовать похождению электрического тока в материале. Удельное электрическое сопротивление существенно зависит от структуры порошковых композиционных материалов.
Работы над созданием электроконтактных композиционных материалов сопровождаются большим количеством натурных экспериментов, требующих больших временных и материальных затрат, в связи с этим разработка аналитических и численных моделей, позволяющих прогнозировать требуемые характеристики для заданной структуры, является актуальной [1-3].
Целью работы является моделирование удельного электросопротивления порошкового композиционного материала методом конечных элементов.
Для формирования расчетной конечно-элементной модели использовали программную среду Ansys, так как язык Ansys АРБЬ позволяет автоматизировать процесс построения модели структуры электроконтактного композита. Для численного моделирования к рассмотрению принята геометрическая модель композита (куб основного материала с включениями), который с двух противоположных сторон «зажимается» двумя контактами с площадью поперечного сечения, равной площади сечения композита. Расчет и моделирование проводили в соответствии с ГОСТ 25947-83 [4]. На свободные концы контактов прикладывается нагрузка в виде потенциалов, что создает напряжение между данными поверхностями и дает распределение плотности тока по модели, для определения электросопротивления использовали закон Ома.
В структуре реального композиционного материала наблюдаются агломераты с внутренней микропористостью, частично изолирующие зерна проводящей основы и нарушающие упорядоченную структуру исследуемого материала [5].
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант N0 16-08-00789 а.
Решетневские чтения. 2018
а б в
Распределение дисперсно-упрочняюшдх и дугогасящих добавок в структуре композита: а - модель композита с распределением фаз по объему; б - модель композита с распределением фаз по границе зерен матричного материала, в - микроструктура композита Ag-ZnO
Сравнение экспериментальных данных с конечно-элементной моделью
Количество ZnO, Удельное электросопротивление, Омм Коэффициент
вес. % Лабораторные испытания Модельный эксперимент пропорциональности
2 2,4 1,76 1,18
4 2,8 1,86 1,31
6 3,1 1,97 1,33
8 3,3 2,11 1,29
Для приближения к реальным образцам электроконтактного материала, имеющих более сложную геометрию, была разработана программа, автоматизирующая процесс создания конечно-элементной модели, применения граничных условий, решения и вывода результатов.
На рисунке показана структура сгенерированной модели композита с распределением дисперсно-упрочняющей и дугогасящей фаз по объему и по границам зерен матричного материала. В зависимости от относительного размера частиц дисперсно-упрочняющей и дугогасящей фаз проведена оценка удельного электросопротивления образцов композитов при случайном распределении фаз, как во всем объеме, так и по границам зерен матричного материала. Среднюю пористость образцов на основании экспериментальных данных принимали равной 3,6 % [4].
Результаты, полученные с помощью разработанной конечно-элементной модели, сравнили с экспериментальными данными лабораторных исследований порошкового композита Ag-ZnO (см. таблицу).
Результаты конечно-элементной модели ниже экспериментальных данных, что объясняется более сложной реальной структурой композитов (см. рисунок, в), так как в процессе спекания формируется микроструктура, фазы которой по размерам и форме отличаются от размеров и формы частиц исходных порошков матричного материала и дугогасящего компонента. Между экспериментальными данными и данными результатов конечно-элементного моделирования получен коэффициент пропорциональности ~1,3, что говорит о достаточной устойчивости и достоверности результатов, расчетов разработанной конечно-элементной модели композита.
Вывод. Разработана расчетная конечно-элементная модель, основанная на решеточной аналитической модели, позволяющая оценить удельное электросопротивление порошкового композиционного материала. Результаты можно считать достоверными, поскольку получен стабильный коэффициент пропорциональности между экспериментальными данными и данными, полученными в результате конечно-элементного моделирования.
Библиографические ссылки
1. Матвеев Е. Р. Анализ компьютерных моделей для расчёта относительного удельного электросопротивления дисперсного электропроводного материала // Межвуз. сб. науч. тр. / под ред. Н. Б. Демкина. Тверь : ТГТУ, 2005. С. 103-108.
2. Кравченко А. И. Расчёт электропроводности двухфазного материала с помощью решёточной модели // Харьковский физико-технический институт. ВАНТ. 2014. № 1(89).
3. Измайлов В. В., Новоселова М. В. Две модели для расчета удельного электросопротивления дисперсного электрофрикционного материала // Межвузовский сборник научных трудов. Тверь : Тверской государственный технический университет, 2001. Вып. 8. С. 49-56.
4. ГОСТ 25947-83 (СТ СЭВ 3914-82) Сплавы твердые спеченные. Метод определения удельного электрического сопротивления. М. : Гос. комитет СССР по стандартам. 1984.
5. Зеер Г. М. Исследование микроструктуры и свойств электроконтактного материала серебро-нанопорошок оксида цинка // Физика металлов и металловедение. 2012. Т. 113, № 9. С. 951-955.
References
1. Matveyev. E. R. Analiz kompyuternykh modeley dlya rascheta otnositelnogo udelnogo elektro-soprotivleniya dispersnogo elektroprovodnogo materiala. Mezhvuz. sb. nauch. tr. / Pod red. N. B. Demkina. Tver: TGTU. 2005. Р. 103-108.
2. Kravchenko. A. I. Raschet elektroprovodnosti dvukhfaznogo materiala s pomoshchyu reshetochnoy modeli. Kharkovskiy fiziko-tekhnicheskiy institut. VANT. 2014. № 1 (89).
3. Izmaylov V. V., Novoselova M. V. Dve modeli dlya rascheta udelnogo elektrosoprotivleniya dispersnogo elektrofriktsionnogo materiala: Mezhvuzovskiy sbornik nauchnykh trudov. Vypusk 8 / Tver : Tverskoy
gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet. 2001 Р. 49-56.
4. GOST 25947-83 (ST SEV 3914-82) Splavy tverdyye spechennyye. Metod opredeleniya udelnogo elektricheskogo soprotivleniya. M.: Gos. komitet SSSR po standartam, 1984 р.
5. Zeer G. M. Investigation of the Microstructure and Properties of Electrocontact Silver-Zinc Oxide Nanopowder Material // The Physics of Metals and Metallography. 2012. Vol. 113, № 9. P. 951-955.
© Зеленкова Е. Г., Зеер Г. М., Колбасина Н. А., Пьянзин А. А., Ледяева О. Н., 2018
