МОДЕЛИ В ФИЗИКЕ И ТЕХНОЛОГИИ

Методы моделирования композитов, армированных углеродными нанотрубками: обзор и перспективы

У. И. Янковская^ab, М. Д. Старостенков^c, Н. Н. Медведев^d, П. В. Захаров<sup>a

a</sup> ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29
^b ФГБОУ ВО Алтайский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации, Россия, 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, д. 40
^c Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, Россия, 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, д. 46
^d Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», Россия, 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, д. 27

Аннотация: Изучение структурной характеристики композитов и наноструктур имеет фундаментальное значение в материаловедении. Теоретическое и численное моделирование и симуляция механических свойств наноструктур является основным инструментом, позволяющим проводить комплексные исследования, которые сложно проводить только экспериментально. Одним из примеров наноструктур, рассматриваемых в данной работе, являются углеродные нанотрубки (УНТ), которые обладают хорошими тепловыми и электрическими свойствами, а также низкой плотностью и высоким модулем Юнга, что делает их наиболее подходящим армирующим элементом для композитов, для потенциального применения в аэрокосмической, автомобильной, металлургической и биомедицинской промышленности. В данном обзоре мы рассмотрели методы моделирования, механические свойства и применение композитов с металлической матрицей, армированных УНТ. Также рассмотрены некоторые методы моделирования, применимые при исследованиях композитов с полимерными и металлическими матрицами. Рассмотрены такие методы, как метод градиентного спуска, метод Монте-Карло, методы молекулярной статики и молекулярной динамики. Было показано, что молекулярно-динамическое моделирование отлично подходит для создания различных систем композиционных материалов и изучения свойств композитов с металлической матрицей, армированных углеродными наноматериалами, в различных условиях. В данной работе кратко представлены наиболее часто используемые потенциалы, описывающие взаимодействие систем моделирования композитов. Правильный выбор потенциалов взаимодействия частей композитов напрямую влияет на описание изучаемого явления. Детализирована и обсуждена зависимость механических свойств композитов от объемной доли, диаметра, ориентации и количества УНТ. Показано, что объемная доля углеродных нанотрубок имеет существенное влияние на предел прочности и модуль Юнга. Диаметр УНТ оказывает большее значение на предел прочности, нежели на модуль упругости. Также приведен в пример работы, в которых изучается влияние длины УНТ на механические свойства композитов. В заключении нами предложены перспективы направления развития молекулярно-динамического моделирования в отношении композитов с металлической матрицей, армированных углеродными наноматериалами.

Ключевые слова: метод молекулярной динамики, моделирование, механические свойства, углеродная нанотрубка, армирование, композиты с металлической матрицей

УДК: 519.876, 538.913, 539.8

Поступила в редакцию: 15.05.2024
Исправленный вариант: 11.07.2024
Принята в печать: 29.08.2024

DOI: 10.20537/2076-7633-2024-16-5-1143-1162