Calculation of the Stress-Strain State of a Polymer Composite in a Direct Electric Current Field

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In electrically conductive composites placed in an electric field, heat is released and nonuniform temperature fields are formed. This circumstance, in turn, induces strains and stresses in such composites. The article solves a sequence of unrelated boundary value problems: electrical conductivity in a field of direct electric current, thermal conductivity, thermoelasticity. It is shown that when an electric current flows in copper-graphite and copper-filled polymer composites, displacements, deformations, and stresses occur even in the case when the components of the composite do not have a piezoelectric effect.

About the authors

P. A. Lyukshin

Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: petrljuk@ispms.tsc.ru
Tomsk, 634055 Russia

B. A. Lyukshin

Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics; National Research Tomsk State University

Email: lba2008@yandex.ru
Tomsk, 634055 Russia; Tomsk, 634050 Russia; Tomsk, 634050 Russia

S. V. Panin

Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; National Research Tomsk State University

Email: svp@ispms.tsc.ru
Tomsk, 634055 Russia; Tomsk, 634050 Russia

S. A. Bochkareva

Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Author for correspondence.
Email: bochkarevas@ispms.ru
Tomsk, 634055 Russia; Tomsk, 634050 Russia

References

  1. Skelhorn D. Particulate fillers in elastomers. In: Rothon RN (ed) Particulate-filled polymer composites. 2nd ed. Shrewsbury, UK: Rapra Tec. Lim., 2003. 324 p.
  2. Hohenberger W. Fillers and reinforcements/coupling agents // Plastics Additives Handbook. 5th ed. Ed. by H. Zweifel, R. D. Maier, M. Schiller. Munich: Carl Fanser Verlag, 2001. P. 919–966.
  3. Masenelli-Varlot K., Chazeau L., Gauthier C., Bogner A., Cavaillé J.Y. The relationship between the electrical and mechanical properties of polymer–nanotube nanocomposites and their microstructure // Compos. Sci. Technol. 2009. V. 69. P. 1533–1539. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.01.035
  4. Hassan H.H., Nasr G.M. and El-Waily M.A. Electrical and mechanical properties of aluminum-loaded NBR composites // J. Elastomers Plastics. 2013. V. 45. P. 121–141. https://doi.org/10.1177/0095244312462160
  5. Grazioli D., Zadin V., Brandell D., Simone A. Electrochemical-mechanical modeling of solid polymer electrolytes: Stress development and non-uniform electric current density in trench geometry microbatteries // Electrochimica Acta. 2019. V. 296. P. 1142–1162. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.07.146
  6. Talin A.A., Ruzmetov D., Kolmakov A., McKelvey K., Ware N., Gabaly F. El, Dunn B., White H.S. Fabrication, testing, and simulation of all-solid-state three-dimensional Li-Ion batteries // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. V. 8. P. 32385–32391. https://doi.org/10.1021/acsami.6b12244
  7. Wang X.-S., Tang H.-P., Li X.-D., Hua X. Investigations on the mechanical properties of conducting polymer coating-substrate structures and their influencing factors. Review // Int. J. Mol. Sci. 2009. V. 10. P. 5257–5284. https://doi.org/10.3390/ijms10125257
  8. Namsheer K., Rout C.S. Conducting polymers: a comprehensive review on recent advances in synthesis, properties and applications // RSC Adv. 2021. V. 11. P. 5659–5697. https://doi.org/10.1039/d0ra07800j
  9. Kim N., Lienemann S., Petsagkourakis I., Mengistie D.A., Kee S., Ederth T., Gueskine V., Leclère P., Lazzaroni R., Crispin X., Tybrandt K. Elastic conducting polymer composites in thermoelectric modules // Nat. Commun. 2020. V. 11 (1). № 1424. P. 1–10. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15135-w
  10. Melling D., Jager E.W.H. Conducting polymers as EAPs: characterization methods and metrics // Electromechanically Active Polymers. Polymers and Polymeric. Composites: A Reference Series. Springer, 2016. P. 319–351. https://doi.org/10.1007/978-3-319-31530-0_14
  11. Mohd Radzuan N.A., Sulong A.B., Sahari J. A review of high-temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) system // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. V. 42 (14). № 6. P. 9262–9273. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.03.045
  12. Plesse C., Vidal F., Randriamahazaka H., Teyssié D., Chevrot C. Synthesis and characterization of conducting interpenetrating polymer networks for new actuators // Polymer. 2005. V. 46. P. 7771–7778. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2005.03.103
  13. Fu P., Liu H., Chu X. An efficient multiscale computational formulation for geometric nonlinear analysis of heterogeneous piezoelectric composite // Compos. Struct. 2017. 167. P. 191–206. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.02.005
  14. Yaghmaie R., Ghosh S. Computational modeling of finite deformation piezoelectric material behavior coupling transient electrical and mechanical fields // J. Computat. Phys. 2018. V. 373. P. 148–170. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.06.070
  15. Koh S.J.A., Zhou T., Li J., Zhao X., Hong W., Zhu J., Suo Z. Mechanisms of large actuation strain in dielectric elastomers // J. Polym. Sci. Part B. Polym. Phys. 2011. V. 49. P. 504–515.
  16. Mota A., Zimmerman J.A. A variational, finite-deformation constitutive model for piezoelectric materials // Int. J. Numer. Methods Eng. 2011. V. 85 (6). P. 752–767.
  17. Атабеков Г.И., Купалян С.Д., Тимофеев А.Б. и др. Теоретические основы электротехники: Учебник для студентов втузов. В 3-х частях. М.: Энергия, 1979. Ч. 2, 3. 432 с.
  18. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Л.: Энергия, 1975. Т. 2. 407 с.
  19. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справочная книга. Л.: Энергия, 1974. 246 с.
  20. Segerlind L. Applied Finite Element Analysis. N.Y.: John Willey & Sons, 1976. = Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392 с.
  21. Neto E.A.S., Peri’c D., Owen D.R.J. Computational methods for plasticity theory and applications. John Wiley & Sons Ltd., 2008. 816 p.
  22. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Zhu J.Z. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals, 7th Ed. Butterworth-Heinemann, 2013. 752 p.
  23. Гришаева Н.Ю., Люкшин П.А., Люкшин Б.А., Панин С.В., Бочкарева С.А., Реутов Ю.А., Матолыгина Н.Ю. Модификация теплофизических характеристик полимеров введением микронаполнителей // Мех. композиц. матер. констр. 2016. Т. 22. № 3. С. 342–361.
  24. Bochkareva S.A., Grishaeva N.Yu., Lyukshin B.A., Lyukshin P.A., Matolygina N.Yu., Panin S.V., Reutov Yu.A. A unified approach to determining the effective physicomechanical characteristics of filled polymer composites based on variational principles // Mech. Compos. Mater. 2019. V. 54. № 6. P. 775–788. https://doi.org/10.1007/s11029-019-9782-8

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (1MB)
3.

Download (1MB)
4.

Download (723KB)
5.

Download (1MB)
6.

Download (1MB)
7.

Download (30KB)

Copyright (c) 2023 П.А. Люкшин, Б.А. Люкшин, С.В. Панин, С.А. Бочкарева

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».