| Название: | Нелинейная динамика полимерных наноструктурированных материалов |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-201 - Теория конденсированного состояния |
| Ключевые слова: | наноструктуры, полимерные нанокомпозиты, нелинейные колебания и волны, деламинация слоистых композитов |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Бельтюков,ЯМ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 17-72-20201 |
Аннотация
Проект, подаваемый на конкурс РНФ «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, находится в русле направления «Н1 Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации», и ориентирована на обеспечение перехода к передовым интеллектуальным производственным технологиям, новым материалам и способам конструирования. Проект направлен на разработку теоретических основ анализа наноструктурированных материалов на атомном и молекулярном уровне, экспериментальную проверку моделей и, в результате, создание новых высокотехнологичных полимерных нанокомпозитов с заданными физическими свойствами.
Поведение наноструктур и композитов на их основе является одним из самых востребованных разделов современной физики конденсированных сред как с точки зрения теории, так и в области приложений в промышленности. Благодаря успехам в современных инженерных разработках многие функциональные нано-, микро- и макро-композиты на основе полимерных матриц широко используются в современной электронике, космической отрасли, авиа- и автомобилестроении. Однако, часто эти разработки пока ещё не опираются на физическую картину поведения нанокомпозитов. Поэтому чрезвычайно востребованы теоретические модели описания поведения наноматериалов, обладающие предсказательной силой, и экспериментальные методы определения физических характеристик наноструктурированных материалов, ориентированные в том числе на верификацию моделей. Целью настоящего проекта является разработка нового подхода к исследованию нелинейных динамических свойств неоднородных материалов с нановключениями на основе комплекса разработанных авторами аналитических, численных и экспериментальных методов.
Проект основан на проведении комплексных физических исследований, посвященных теоретическому анализу и моделированию наноструктурированных материалов и нелинейных волновых процессов в них, задачам создания образцов композитов с заданными физическими характеристиками и физическим экспериментам по исследованию их отклика на динамическое воздействие. Будут проведены теоретические и численные исследования взаимодействия системы из миллионов и десятков миллионов атомов матрицы и нановключений на основе методов полиномиальных ядер и молекулярной динамики, что позволит в конечном итоге оценить динамические параметры наноструктурированной системы и эффективные макропараметры жесткости наноструктурированного материала, которую можно будет использовать для экспериментальной верификации моделей. Научная значимость решения проблемы описания динамики нелинейной системы «матрица+нановключения» состоит в получении данных атомарной системы, их обработки и последующей экспериментальной верификации моделей для создания прототипа прямого метода оценки влияния нановключения на эффективные макропараметры нелинейно упругого композита. На данный момент такой метод оценки в литературе неизвестен. На основе полученных данных теоретических оценок будут созданы образцы нанокомпозитов на основе полимерных матриц с нановключениями различного химического состава, форм и размеров. Эти образцы нанокомпозитов будут использованы для экспериментальной проверки построенных моделей. В качестве основного инструмента при экспериментальных исследованиях будут использованы объемные нелинейные продольные волны деформации. Как было показано нами ранее, такие волны являются чувствительными к изменению упругих характеристик материала, в первую очередь модулей упругости третьего порядка, описывающих нелинейные свойства материала. Кроме того, они перспективны для интроскопического исследования образцов, что обусловлено их аномально слабым затуханием, в том числе в наноструктурированных материалах.
В ходе реализации проекта будет разработан универсальный подход к анализу наноструктурированных материалов, обладающий предсказательной силой. Разработанная теория может быть адаптирована к описанию практически любого наноструктурированного материала. Правомерность подхода и достоверность полученных теоретических результатов будет подтверждена экспериментально. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем как для предсказания упругих свойств наноструктурированных материалов, так и для создания методов интроскопического контроля конструкционных и функциональных элементов с помощью нелинейных волн деформации. Все планируемые результаты находятся на мировом уровне развития фундаментальной физики наноматериалов и конденсированных сред. Проект будет выполняться в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург. Основные участники проекта являются специалистами в области квантовой механики, математического моделирования, вычислительных методов, лазерной физики, голографии и имеют высокую международную репутацию в областях своей компетенции. Полученные результаты будут опубликованы в ведущих научных журналах и представлены на ведущих международных конференциях.
Ожидаемые результаты
В предлагаемом проекте будет разработан комплексный подход к изучению нелинейной динамики полимерных наноструктурированных материалов, заключающийся в:
- теоретическом исследовании динамики наноструктурированных материалов при нелинейных колебаниях и распространении объемных нелинейных волн, включая исследования полимерных нанокомпозитов на атомном уровне методами квантовой механики и молекулярной динамики;
- разработке и исследовании свойств полимерных композитных материалов с нановключениями; изготовление образцов для экспериментальных исследований;
- экспериментальном исследовании объемных нелинейных волн деформации в слоистых волноводах с образцами композитов.
В рамках исследований по проекту в течение трех лет будут получены следующие основные результаты.
- Будет создана модель случайных матриц для описания влияния неафинных смещений атомов вблизи нановключений на значение упругих модулей. С помощью метода полиномиальных ядер будет получено решение задачи о распространении колебаний в наноструктурированных материалах, результаты будут применены для описания нелинейных волновых процессов в конденсированной среде на атомарном уровне.
- С помощью разработанной модификации метода молекулярной динамики будет описано влияние нановключений на упругие модули второго и третьего порядка у полимерного нанокомпозита.
- Будут изготовлены образцы полимерных композитов с нановключениями различной химической природы, формы и размеров; проведены измерения физических свойств полимерной матрицы и нановключений; исследованы физико-механические свойства композитов с различной концентрацией нановключений и определены типы и концентрации нановключений, при которых наблюдаются существенные изменения модулей упругости второго и третьего порядка блочных композитов.
- Будет разработана теория нелинейных волновых процессов, протекающих в объеме трехслойных прямоугольных стержней и пластин; решена математическая задача о распространении нелинейных волн деформации в слоистых композитах, один из слоев которых содержит нано- или микроразмерные включения; проведены численные исследования нелинейных упругих волн деформации в слоистых волноводах с локальными изменениями параметров. Будут проведены эксперименты по регистрации и исследованию эволюции нелинейных волн деформации в слоистых волноводах со слоями из разработанных образцов композитов с различными нановключениями.
- Будет проведено упрощение разработанных математических моделей и доработан метод ‘визуализации’ объемных солитонов деформации в непрозрачном (в том числе нанокомпозитном) материале на основе регистрации солитонов в прилегающих к нему прозрачных слоях из чистого полимера для практического применения.
- Будут построены асимптотические и/или численные решения задач о распространении объемных солитонов деформации в деламинированных нанокомпозитных волноводах. Будут изготовлены слоистые волноводы из нанокомпозита с областями искусственной деламинации и проведены экспериментальные исследования изменения параметров объемных солитонов деформации при вхождении в зону деламинации. На основании полученных результатов будет разработан метод определения областей деламинации различных конструкционных элементов по изменению параметров объемных солитонов деформации.
Все планируемые результаты находятся на мировом уровне развития фундаментальной физики нелинейных явлений в конденсированных средах и могут быть широко востребованы в промышленности. Результаты реализации проекта могут быть использованы в дальнейшем как для предсказания упругих свойств наноструктурированных материалов, так и для создания методов интроскопического контроля конструкционных и функциональных элементов, а также метода определения упругих модулей третьего порядка материалов, с помощью нелинейных волн деформации.
