CC BY
115
УДК 546.830
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОМОДУЛЬНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
С.К. Гордеев1, С.Б. Корчагина2, Д.Ю. Латышев3, Г.В. Лепеш4
12 3
, , ОАО «Центральный научно-исследовательский институт материалов» (ОАО
«ЦНИИМ»)
191014, С-Петербург, Парадная ул., д. 8 4Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Аннотация - Проведено исследование свойств высокомодульных керамических композиционных материалов, полученных за счет армирования карбидокремниевой керамики алмазными зернами. Построена реологическая модель прогнозирования модуля упругости таких материалов. На основании модального анализа выбрана конструкция изделия из высокомодульного керамического композиционного материала, обеспечивающая ее наилучшие частотные характеристики.
Ключевые слова: оптоэлектронные устройства; собственные частоты колебаний; алмаз; высокомодульные керамические композиционные материалы; плотность; модуль упругости.
АPPLICATION OF HIGH-MODULAR CERAMIC COMPOSITE MATERIALS FOR PERSPECTIVE OPTOELECTRONIC DEVICES
S.K.Gordeev, S. B. Korchagina, D.Yu. Латышев, G.V. Lepesh Central research institute of materials Оpen joint-stock Company (JSC CNIIM)
191014, St.-Petersburg, Paradnaya St., 8 St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE),
191015, St. Petersburg, Kavalergardskaya St., 7 The summary - research of properties of the high-modular ceramic composite materials received
for the account of reinforcing of silicon carbide ceramics by diamond grains Is carried out. The rheologi-cal model of forecasting of the module of elasticity of such materials is constructed. On the basis of the modal analysis the product design is chosen from the high-modular ceramic composite material, providing its best frequency characteristics.
Keywords: optoelectronic devices; own frequencies of fluctuations; diamond; high-modular ceramic composite materials; density; elasticity module.
тронные устройства, ведётся по пути уменьшения массогабаритных характеристик за счёт использования высокомодульных материалов, обладающих при этом относительно малой плотностью.
Способность материала сохранять форму детали под действием динамически изменяющихся внешних сил (вибростойкость) определяется удельной жесткостью - отношением модуля упругости материала к его плотности (Е/ Р). С увеличением этого отношения растет частота собственных колебаний /~ Е/р -вибростойкость увеличивается. Свойства некоторых материалов, отвечающих высоким требованиям вибростойкости представлены в табл.1.
Детали современных оптоэлектронных устройств относятся к наиболее точным изделиям прецизионного приборостроения. Одним из главных критериев качества такой детали является сохранение точности ее геометрической формы при гравитационных и термических воздействиях [1]. При работе изделий в условиях динамических нагрузок, важное значение для точности имеют также вибрационные свойства деталей, зависящие во многом от их жесткости и плотности материала, определяющих в конечном итоге значения собственных частот колебаний /. В настоящее время совершенствование большинства технических систем, имеющих в конструкции оптоэлек-
Из таблицы видно, что наибольшую удельную жесткость имеет бериллий, значительно превосходящий другие металлы. Наибольшей устойчивостью формы под воздействием тепловых потоков обладает кремний. Безусловным «лидером» по всем показателям является алмаз, механические и теплофизические свойств которого во много раз превышают свойства других материалов. Однако использование алмаза как конструкционного материала сегодня не представляется реальным в основном из-за особенностей его физико-химических свойств, ограничивающих изготовление из него деталей больших размеров и сложных форм.
Перспективным направлением для решения проблемы создания вибростой-ких деталей современных оптоэлектронных устройств является применение высокомодульных керамических композиционных материалов, например, полученных за счет армирования карбидокремниевой керамики алмазными зернами [3].
Таблица 1. Свойства материалов [2].
Материал Е, ГПа Р’ 3 кг/м Е/ Рg, 106м
А1 69 2700 2,7
Си 115 8900 1,3
420 19350 2,2
157 2300 6,8
Ве 280 1850 15,1
&С 400 3050 13,0
Алмаз 1100 3510 31,3
Известно [2], что карбидокремниевая керамика, получаемая методом реакционного спекания, содержит в своем составе карбид кремния и свободный (элементарный) кремний. Поэтому армирование керамик будет приводить к образованию трехфазного материала, состоящего из алмаза, карбида кремния и кремния.
На первом этапе была разработана реологическая модель прогнозирования модуля упругости [3] керамического материала алмаз - карбид кремния - кремний. Реологическая модель материала
представлена структурой в виде изолированных сфер алмаза, окруженных сферическим слоем карбида кремния Б1С. Оставшийся объем заполнен кремнием (рис.1). Такое структурное представление материала в большой степени соответствует реальной микроструктуре композита (рис. 2).
Рисунок 1. Структурное представление композита: алмаз - карбид кремния: алмаз -белый; карбид кремния - серый; кремний -черный
Рисунок 2. Микроструктура композита алмаз - карбид кремния
Выбранное структурное представление позволяет предложить реологическую модель, соответствующую, показанной на рис. 3. В этой модели учтены (с определенным уровнем допущений) параллельные и последовательные связи фаз материала, возникающие при механическом воздействии на материал. Дей-
Модуль упругости, ГПа
ствительно, условно выделенный вертикальный слой материала, включающий алмазные зерна, связанные карбидной матрицей, последовательно связан со слоем материала, состоящего из кремния, связанного карбидом кремния.
С SiC
Фі Ф2/2
L SiC J L Si J
Ф2/2 Фз
Рисунок 3. Реологическая модель композита алмаз - карбид кремния
Реологическая модель последовательно параллельных связей позволяет полить выражение для эффективного модуля упругости Е, в зависимости от объемного содержания и упругих констант, входящих в материал фаз:
{ 9 9 Л-1
(ф! + ф2/2) (ф3+ф2/2)
Е =
Фіі?1 + ц>2Е2/2 Ф3ІІ3 + ц>2Е2/2
(1)
где: Ey и ф| - модуль упругости и объ-
емное содержание алмаза, Е2а ц>2 ~ то же для карбида кремния, и фз - то же для кремния.
Рисунок 4. Расчетные значения модуля упругости композита от содержания в нем алмаза
На основании полученного соотношения (1) были рассчитаны значения модуля упругости композита с различным содержанием в нем компонентов. В расчете использовали следующие значения модулей упругости: алмаз - 1100 ГПа, карбид кремния - 400 ГПа, кремний
— 110 ГПа.
Как показали расчеты большого числа составов композитов, модуль упругости всего композита зависит, в первую очередь от содержания в нём алмаза (рис.4).
Сделанные расчеты и выводы по ним легли в основу проведенных разработок составов и методов получения материалов и измерений их упругих характеристик.
Для проведения исследований упругих свойств композитов алмаз - карбид кремния была использована динамическая методика определения модуля упругости [2]. Сущность метода заключается в определении частот собственных колеб аний обр аз цов из композиционных материалов с помощью резонансного метода и вычислении модуля упругости по соотношениям, связывающим модуль упругости и частоту собственных колебаний.
Разработанная методика была использована на композитах алмаз - карбид кремния, приведенных в таблице 2. Композиты получали в форме пластин размером 85 х 9 х 4 мм [3]. Внешний вид изготовленных образцов приведен на рис. 5.
Содержание алмаза, % об.
Рисунок 5. Образы композиционных материалов алмаз - карбид кремния с повы-
шенным содержанием алмаза, предназначенные для измерения модуля упругости
Из табл. 2 следует, что расчетные (по уравнению (1)) и экспериментальные значения модуля упругости материалов, имеющих различный компонентный состав, хорошо согласуются между собой, подтверждая тем самым возможность использования уравнения (1) для моделирования упругих свойств композитов алмаз
- карбид кремния. Заметим, что расхождение между расчетными и экспериментальными величинами находятся в диапазоне 2 - 9%, при этом экспериментальные значения несколько выше (отклонение возрастает в большую сторону с увеличением алмазной фазы). Такие отклонения расчет/эксперимент вполне допустимы.
Таблица 2. Модуль упругости (эксперимент) композиционных материалов алмаз
- карбид кремния
Как следует из таблицы, экспериментальные измерения подтверждают сделанные в ходе модельных расчетов выводы: увеличение содержания алмаза приводит к существенному повышению модуля упругости композитов. Получены композиционные материалы алмаз-карбид кремния - кремний с модулем упругости более 750 ГПа, что заметно превышает модуль упругости всех известных композиционных материалов.
Удельная жесткость композита алмаз - карбид кремния - кремний дости-
гает 23 106 м, что на 50% больше чем у бериллия и на 80% больше чем у карбидокремниевой керамики.
Таким образом, композит алмаз -карбид кремния - кремний (АКК) имеет уникальные по уровню физикомеханические свойства, что позволяет рассчитывать на создание оптоэлектронных деталей из него с недостижимым ранее уровнем гравитационной стабильности.
Следующим этапом работы проведено численное исследование вибростойкости конструкций элементов оптоэлектронных устройств, выполненных с применением разработанного материала на основе модального анализа, реализованного в пакете программ Solid Works\СоmpasWorks. Конструкция в данном пакете программ представляется трехмерной расчетной областью, по отношению к которой проведена конечноэлементная дискретизация. Механические и физические свойства расчетной области в численном эксперименте соответствовали назначенным свойствам материала АКК.
Модальный анализ представляет собой расчетное средство для определения собственных частот и форм колебаний конструкции [4]. Модальный анализ здесь рассматриваются как решение задачи о свободных незатухающих колебаний
|K|-w2|M|{U} = 0, (2)
где: |к| и |м|- матрицы жесткости и
масс системы; ю2 (квадрат собственной частоты) - собственное значение, {U} (собственные формы, не являющиеся функциями времени) -собственные формы колебаний.
При выполнении спектрального анализа программа определяет перемещения в конструкции для каждой формы колебаний. Как правило, наилучшей конструкцией, с точки зрения вибростойкости и точности для рассматриваемого случая будет та у которой, из всех возможных форм собственных колебаний
Состав, % об. Плотность, г/см2 Модуль упругости, ГПа сх 6
Алмаз О ¿75 ¿75 экспе пери- ри- мент рас- чет
42 52 6 3,28 570 580 17,7
55 39 6 3,32 645 632 19,8
60 35 5 3,34 700 670 21,3
67 28 5 3,36 770 707 23,3
68 27 5 3,37 785 715 23,7
частоты будут наибольшими. При этом нижние частоты, как правило, являются наиболее значимыми. Именно они будут определять частотные погрешности оптоэлектронных устройств, возникающие при динамическом воздействии внешних сил.
На рис. 6 приведены варианты трех исследуемых конструкций проектируемого элемента оптоэлектронного устройства.
1
2
3
Рисунок 6. Варианты форм собственных колебаний (форм. 7 - 10) трех исследуемых конструкций проектируемого элемента оптоэлектронного устройства
Таблица 3. Сопоставительный расчёт вариантов подложки из разных материалов
1 2 2 3
Материал АКК АКК SiC SiC
Расчетные параметры р, кг/см2 Е, ГПа 3,34 710 3,34 710 3,10 400 3,10 400
Результаты:
V, см3 386,1 355,1 355,1 414,9
т, кг 1,289 1,186 1,101 1,286
Момент инерции, кг/см2: Рх Ру Ре 37,847 68,016 105,732 40,326 64,423 104,382 37,428 59,794 96,882 40,326 64,423 104,382
/,Гц (максимальное перемещение, мм): форма 7 форма 8 форма 9 форма 10 1705 (2,067) 1727 (2,675) 3574 (1,888) 3853 (2,548) 1962 (2,061) 2230 (2,799) 3921 (1,631) 4305 (2,805) 1542 (2,131) 1746 (2.899) 3069 (1,693) 3379 (2.899) 1962 (2,061) 2230 (2,799) 3921 (1,631) 4305 (2,805)
Из расчетов следует, что собственные частоты зависят от свойств материала и от конструкции детали. В рассматриваемом случае наилучшие свойства будет иметь конструкция вар.3. выполненная из материала АКК.
Литература
1 Справочник технолога-оптика. Под ред. к. хим. н. М.А. Окатова, Политехника, С.-Петербург, 2004.
2 Композиционные материалы. справочник. Под ред. д. т. н., проф. Д.М. Карпиноса, Наукова думка, Киев, 1985.
3 Сверхтвёрдые материалы с керамической связкой. П.А.Витязь, А.Ф. Ильющенко, А.А. Баран, Л.В. Судник, С.Г. Барай, А.А. Шевченок, В.Н. Ковалевский, С.Г. Гордеев, 50 лет порошковой металлургии Беларуси. История, достижения, перспективы: / ред. кол.: А.Ф. Ильющенко.-Минск, 2010. 365-422.
4. Лепеш Г.В. Решение инженерных задач на ЭВМ. СПб. Изд-во: СПбГУСЭ , 2008 г. - 171 с.
1 Гордеев Сергей Константинович - доктор технических наук, начальник лаборатории ЦНИИМ, тел.: (812) 274-4639, моб. : +7 921 9980864,
2 Корчагина Светлана Борисовна - старший научный сотрудник ЦНИИМ, тел.: (812) 274-4639,
3 Латышев Денис Юрьевич - заместитель начальника лаборатории ЦНИИМ, тел.: (812) 5789162, моб.: +7921 3185738,e-mail [email protected])
4 Лепеш Григорий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения» СПбГУСЭ, тел.: (812)362-4413; E-mail: [email protected]
