Details
| Title | Моделирование напряженного состояния структур por-Si - H[2]O в окрестности точки фазового перехода воды = Simulation of the stressed state of por-Si - H[2]O structures in the vicinity of the phase transition point of wate // Известия высших учебных заведений. Электроника. – 2025. – Т. 30, № 2. — С. 127-139 |
|---|---|
| Creators | Бардушкин А. В. ; Яковлев В. Б. |
| Imprint | 2025 |
| Collection | Общая коллекция |
| Subjects | Физика ; Термодинамика твердых тел ; Техника ; Сопротивление материалов ; мезопористые материалы ; пористый кремний ; напряженное состояние структур (физика) ; компьютерное моделирование ; точка фазового перехода воды ; концентрация напряжений (физика) ; концентрация деформаций ; mesoporous materials ; porous silicon ; stress state of structures (physics) ; computer simulation ; water phase transition point ; stress concentration (physics) ; strain concentration |
| UDC | 536.42 ; 539.3/.6 |
| LBC | 22.375 ; 30.121 |
| Document type | Article, report |
| Language | Russian |
| DOI | 10.24151/1561-5405-2025-30-2-127-139 |
| Rights | Доступ по паролю из сети Интернет (чтение) |
| Record key | RU\SPSTU\edoc\77078 |
| Record create date | 10/13/2025 |
Влагонасыщенные мезопористые материалы характеризуются значительным понижением температуры плавления/замерзания адсорбированных в наноразмерных порах жидкостей, что обусловлено эффектом пространственного ограничения. Данный эффект при низких температурах существенно влияет на работоспособность разрабатываемых на их основе электрохимических устройств. В работе рассмотрена задача прогнозирования напряженного состояния водонасыщенных мезопористых материалов на основе кремния в окрестности точки кристаллизации воды. Построена теоретическая модель, учитывающая структуру исследуемого композита, в частности ориентацию пор в пространстве материала и наличие естественного оксидного слоя на поверхностях пор в кремниевой матрице, а также физико-механические характеристики и объемные доли его компонентов. Показано, что разработанная модель позволяет оценить стойкость к механическому разрушению водонасыщенных мезопористых структур por-Si - H[2]O при термоциклировании в окрестности точки фазового перехода лед - вода. Проведены численные модельные расчеты напряжений, возникающих в матрице кремния при кристаллизации воды. Исследованы зависимости указанных напряжений от изменений объемной доли воды, адсорбированной в пористых кремниевых мембранах, и значений безразмерного структурного параметра - отношения толщины слоя диоксида кремния к радиусу поры. Моделирование показало, что увеличение как объемной доли воды, так и безразмерного структурного параметра приводит к росту значений напряжений в кремниевой матрице. С помощью численных расчетов установлено, что замерзание воды в порах при последовательных циклах охлаждение - нагрев не должно оказывать разрушающего воздействия на рассматриваемые водонасыщенные мезопористые структуры. Полученный вывод не противоречит имеющимся экспериментальным данным.
Water-saturated mesoporous materials are characterized by considerable depression of melting/freezing point of liquids absorbed in nanopores, which is due to three-dimensional confinement effect. This effect in water-saturated mesoporous materials at low temperatures strongly influences the operational integrity of electrochemical devices under development. In this work, the problem of predicting the stress state of water-saturated mesoporous silicon-based materials in the vicinity of the water crystallization point is considered. A theoretical model has been constructed with account for the structure of the composite under study (in particular, the orientation of pores in the space of the material and the presence of a natural oxide layer on the surfaces of pores in the silicon matrix), as well as the physical and mechanical characteristics and volume fractions of its components. It was demonstrated that the developed model makes it possible to evaluate the resistance against mechanical destruction of the water-saturated mesoporous por-Si - H[2]O structures during thermal cycling in the vicinity of the ice-water phase transition point. Numerical model calculations of stresses arising in the silicon matrix during water crystallization were carried out. The dependences of these stresses on changes in the volume fraction of water adsorbed in porous silicon membranes and the values of a dimensionless structural parameter (the ratio of the silicon dioxide layer thickness to the pore radius) were studied. The simulation demonstrated that an increase in both the volume fraction of water and the dimensionless structural parameter leads to a rise in stress values in the silicon matrix. It has been established using numerical calculations that the freezing of water in the pores during successive cooling-heating cycles should not have a destructive effect on the water-saturated mesoporous structures. The conclusion drawn is consistent with experimental data.
Access count: 50
Last 30 days: 14
