ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-4-615-619ntv-314Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONМетод получения двухкомпонентных композиционных материалов с заданной теплопроводностьюMethod for obtaining two-component composite materials with a given thermal conductivityhttps://orcid.org/0000-0001-8713-3583ЗаричнякЮ. П.ZarichnyakYu. P.

Заричняк Юрий Петрович — доктор физико-математических наук, профессор, доцент

Санкт-Петербург, 197101

Yuri P. Zarichnyak — D.Sc. (Physics & Mathematics), Professor, Associate Professor

Saint Petersburg, 197101

zarich4@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9208-7462ХодунковВ. П.KhodunkovV. P.

Ходунков Вячеслав Петрович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 190005

Vyacheslav P. Khodunkov — PhD, Senior Researcher

Saint Petersburg, 190005

walkerearth@mail.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. МенделееваРоссияD.I. Mendeleev Institute for Metrology (VNIIM)Russian Federation202411122024244615619Copyright © Заричняк Ю.П., Ходунков В.П., 20242024Заричняк Ю.П., Ходунков В.П.Zarichnyak Y.P., Khodunkov V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/314

от известных методов тем, что в результате его реализации может быть достигнуто любое значение теплопроводности создаваемого композита, выбранное из диапазона теплопроводностей исходных компонентов. Метод. Метод заключается в смешивании существенно разнородных твердых компонентов в заданной пропорции, последующем их прессовании и спекании. Пропорцию компонентов предварительно находят расчетным путем исходя из требуемого значения теплопроводности смеси. Для оценки ожидаемой теплопроводности композита и определения требуемой пропорции компонентов предложено использовать разработанную новую модель структуры с хаотически расположенными компонентами. Основные результаты. Показано, что для получения необходимой теплопроводности двухкомпонентной смеси можно успешно управлять структурой с хаотически расположенными компонентами, где в качестве элементарной ячейки используется предложенная в работе восьмиэлементная кубическая ячейка. При этом обеспечивается точность задания требуемого значения теплопроводности не ниже 90 %. Реализация метода показана на примере получения медно-алундового композита с заданным значением теплопроводности λ = 110 Вт/(м·К), которое, согласно представленному в примере расчету, соответствует процентному соотношению компонентов 74/26 (медь/алунд). Обсуждение. Разработанный метод позволяет получать двухкомпонентные композиты с заданной теплопроводностью в широком диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен Вт/(м·К). В качестве компонентов может использоваться практически неограниченная номенклатура веществ, находящихся в твердом порошкообразном состоянии. Обеспечивается возможность реализации непрерывной шкалы теплопроводности твердых тел. При использовании тугоплавких веществ эта шкала может быть расширена до температуры 2000–2500 °С. Метод может найти применение в метрологии, металлургии, ядерных технологиях, авиационной и тяжелой промышленности, кораблестроении.

A method for obtaining two-component composite materials is proposed which differs from known methods in that as a result of the implementation of the method any value of the thermal conductivity of the composite being created can be achieved, if taken from the range of thermal conductivity of the initial components. The method consists in mixing substantially heterogeneous solid components in a given proportion, their subsequent pressing, and sintering. The proportion of the components is previously calculated based on the required value of the thermal conductivity of the mixture. To estimate the expected thermal conductivity of the composite and find the required proportion of components, it is proposed to use the structure model with chaotically arranged components developed by the authors of the article. It is shown that in order to achieve the goal, the thermal conductivity of a two-component mixture can be successfully modeled by a structure with chaotically arranged components, where an eight-element cubic cell proposed by the authors of the work is used as an elementary cell. At the same time, the accuracy of setting the required thermal conductivity value is at least 90 %. The implementation of the method is shown by the example of obtaining a copper-alund composite with a given thermal conductivity value λ = 110 W/(m·K) which, according to the calculation presented in the example, corresponds to a percentage ratio of components 74/26 (copper/alund). The developed method makes it possible to obtain two-component composites with a given thermal conductivity in a wide range from several units to several hundred W/(m·K). An almost unlimited range of substances in a solid powdery state can be used as components. It is possible to implement a continuous scale of thermal conductivity of solids. When using refractory substances, this scale can be extended to a temperature of 2000–2500 °C. The method is intended for use in metrology, metallurgy, nuclear technology, aviation and heavy industry, shipbuilding.

композиционный материалтеплопроводностьмоделированиевзаимопроникающие компонентыпропорцияэлектротепловая аналогияэлементарная ячейкаcomposite materialthermal conductivitymodelinginterpenetrating componentsproportionelectrothermal analogyunit cellReferencesHan X.H., Wang Q., Park Y.G., T’Joen C., Sommers A., Jacobi A. A review of metal foam and metal matrix composites for heat exchangers and heat sinks // Heat Transfer Engineering. 2012. V. 33. N 12. P. 991–1009. https://doi.org/10.1080/01457632.2012.659613Han X.H., Wang Q., Park Y.G., T’Joen C., Sommers A., Jacobi A. A review of metal foam and metal matrix composites for heat exchangers and heat sinks. Heat Transfer Engineering, 2012, vol. 33, no. 12, pp. 991–1009. https://doi.org/10.1080/01457632.2012.659613Гаврилин И.В. Композиционные материалы в машиностроении: Обзорная информация. М., 1989. 40 с.Gavrilin I.V. Composite Materials in Mechanical Engineering: Overview Information. Moscow, 1989, 40 p. (in Russian)Sidhu S.S., Kumar S., Batish A. Metal Matrix Composites for Thermal Management: A Review // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2016. V. 41. N 2. P. 132–157. https://doi.org/10.1080/10408436.2015.1076717Sidhu S.S., Kumar S., Batish A. Metal Matrix Composites for Thermal Management: A Review. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 2016, vol. 41, no. 2, pp. 132–157. https://doi.org/10.1080/10408436.2015.1076717Qu X.H., Zhang L., Wu M., Ren S.-B. Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications // Progress in Natural Science: Materials International. 2011. V. 21. N 3. P. 189–197. https://doi.org/10.1016/S1002-0071(12)60029-XQu X.H., Zhang L., Wu M., Ren S.-B. Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications. Progress in Natural Science: Materials International, 2011, vol. 21, no. 3, pp. 189–197. https://doi.org/10.1016/S1002-0071(12)60029-XJia J., Cheng W., Long K. Concurrent design of composite materials and structures considering thermal conductivity constraints // Engineering Optimization. 2017. V. 49. N 8. P. 1335–1353. https://doi.org/10.1080/0305215X.2016.1248959Jia J., Cheng W., Long K. Concurrent design of composite materials and structures considering thermal conductivity constraints. Engineering Optimization, 2017, vol. 49, no. 8, pp. 1335–1353. https://doi.org/10.1080/0305215X.2016.1248959Галыгин В.Е., Баронин Г.С., Таров В.П., Завражин Д.О. Современные технологии получения и переработки полимерных и композиционных материалов: учебное пособие. Тамбов: Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. 179 с.Galygin V.E., Baronin G.S., Tarov V.P., Zavrazhin D.O. Modern Technologies for the Production and Processing of Polymer and Composite Materials. Tambov, TSTU, 2012, 179 p. (in Russian)Xoдункoв В.П., Зapичняк Ю.П. Способ создания металлокoмпoзитa c предсказуемой теплопроводностью. Пaтент RU2739728С1. Бюл. 2020. № 1.Khodunkov V.P., Zarichnyak Yu.P. Method of metal composite creation with predicted heat conductivity. Patent RU2739728С1, 2020. (in Russian)Павлов С.П., Макарова В.М., Злобина И.В., Бекренев Н.В. Предпосылки регулирования теплопроводности полимерных композиционных материалов на основе моделирования тепловых потоков и аддитивных технологий // Современные наукоемкие технологии. 2018. № 12-2. С. 337–342.Pavlov S.P., Makarova V.M., Zlobina I.V., Bekrenev N.V. Preconditions of regulation of thermal conductivity of polymer composites based on modeling of heat flow and additive technologies. Modern High Technologies, 2018, no. 12-2, pp. 337–342. (in Russian)Бочкарева С.А., Гришаева Н.Ю., Люкшин Б.А., Реутов А.И., Люкшин П.А. Способ получения состава композиционного полимерного материала с заданными свойствами. Патент RU2668915C2. Бюл. 2018. № 28.Bochkareva S.A., Grishaeva N.Yu., Lyukshin B.A., Reutov A.I., Lyukshin P.A. Method for producing composition of composite polymer material with prescribed properties. Patent RU2668915C2, 2018. (in Russian)Абузин Ю.А., Наймушин А.И., Гончаров И.Е., Кочетов В.Н. Способ получения композиционного материала. Патент RU2392090C2. Бюл. 2010. № 17.Abuzin J.A., Najmushin A.I., Goncharov I.E., Kochetov V.N. Method of composite material obtainment. Patent RU2392090C2, 2010. (in Russian)Xoдункoв В.П., Зapичняк Ю.П. Способ создания двухкомпонентного композита c заданной теплопроводностью. Пaтент RU2748669C1. Бюл. 2021. № 16.Khodunkov V.P., Zarichnyak Yu.P. Method for creating twocomponent composite with given thermal conductivity. Patent RU2748669C1, 2021. (in Russian)Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974. 264 с.Dulnev G.N., Zarichniak Iu.P. Thermal Conductivity of Mixtures and Composite Materials. Leningrad, Jenergija Publ., 1974, 264 p. (in Russian)Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность многокомпонентных смесей // Инженерно-физический журнал. 1967. Т. 12. № 4. С. 419.Dulnev G.N., Zarichniak Iu.P. Thermal Conductivity of Multicomponent Mixtures. Inzhenerno-fizicheskij zhurnal, 1967, vol. 12, no. 4, pp. 419. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.