Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 498, № 1, стр. 11-16
ОБОБЩЕННОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ МАКСВЕЛЛА ГАРНЕТТА ДЛЯ ТЕКСТУРИРОВАННЫХ МАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ С ВКЛЮЧЕНИЯМИ В ОБОЛОЧКЕ
Академик РАН В. И. Колесников 1, *, И. В. Лавров 2, В. В. Бардушкин 2, А. П. Сычев 1, 3, **, В. Б. Яковлев 2, 4
1 Ростовский государственный университет
путей сообщения
Ростов-на-Дону, Россия
2 Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”
Москва, Россия
3 Федеральный исследовательский центр
Южный научный центр Российской академии наук
Ростов-на-Дону, Россия
4 Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук
Москва, Россия
* E-mail: kvi@rgups.ru
** E-mail: alekc_sap@mail.ru
Поступила в редакцию 30.03.2021
После доработки 30.03.2021
Принята к публикации 07.04.2021
Аннотация
Предложено обобщение приближения Максвелла Гарнетта для текстурированного матричного композита, состоящего из эллипсоидальных включений с оболочкой. С помощью указанного обобщенного приближения получено выражение для тензора эффективной диэлектрической проницаемости рассматриваемой среды. Показано, что в случае матричного композита со сферическими включениями в оболочке данное выражение совпадает с формулой, полученной в обобщенном приближении эффективного поля с выбором матрицы в качестве среды сравнения.
Приближение Максвелла Гарнетта (МГ) [1] широко используется для вычисления эффективных электрофизических характеристик неоднородных сред матричного типа, в том числе для прогнозирования их оптических свойств [2–4]. В [5] было установлено, что в случае, когда металлические частицы в материале изолированы друг от друга диэлектрической прослойкой (матрицей), оптические свойства пленки из такого материала качественно хорошо прогнозируются с помощью приближения МГ и его обобщений. Первоначально приближение МГ было получено Дж.К. Максвеллом Гарнеттом [1] для объяснения оптических свойств стекла с мельчайшими металлическими частицами сферической формы. В дальнейшем были получены обобщения формулы МГ для различных вариантов структуры матричных композитов с однородными включениями эллипсоидальной формы [2, 3, 6, 7]. Ключевым моментом этих обобщений являлся выбор среднего поля в матрице в качестве действующего [8]. Имеются также обобщения МГ на частные варианты сред с неоднородными включениями: со сферическими включениями с однослойной [9, 10] или многослойной [11] оболочкой, с непрерывной радиальной зависимостью диэлектрической проницаемости [11]. Тем не менее, учитывая большой практический интерес к композитам с неоднородными включениями [12, 13], имеется необходимость обобщений приближения МГ для указанных сред, позволяющих учитывать такие особенности структуры среды, как несферическая форма включений, вероятностное распределение их ориентаций и форм, а также наличие нескольких видов включений.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЕЕ РЕШЕНИЕ В ОБОБЩЕННОМ ПРИБЛИЖЕНИИ МАКСВЕЛЛА ГАРНЕТТА
Рассмотрим образец объемом V статистически однородного композита, состоящего из однородной изотропной матрицы с погруженными в нее неоднородными включениями общим количеством N, каждое из которых представляет собой однородное анизотропное эллипсоидальное ядро с однородной анизотропной оболочкой, внешняя граница которой так же, как и внутренняя, является эллипсоидальной. Диэлектрические проницаемости матрицы, оболочки и ядра k-го включения обозначим εm, ${\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}}$ и ${\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}}$, $k = 1,2$, ..., N. Полуоси внешней $S_{1}^{{(k)}}$ и внутренней $S_{2}^{{(k)}}$ границ оболочки k-го включения обозначим $a_{{11}}^{{(k)}}$, $a_{{12}}^{{(k)}}$, $a_{{13}}^{{(k)}}$ и $a_{{21}}^{{(k)}}$, $a_{{22}}^{{(k)}}$, $a_{{23}}^{{(k)}}$ соответственно, объемную долю ядра в нем – ${{{v}}_{k}}$, объем всего k-го включения – ${{V}_{k}}$, объемную долю всех включений в образце – f. Очевидно, что
Пусть к границе $S$ данного образца приложено постоянное электрическое поле напряженностью ${{{\mathbf{E}}}_{0}}$. Тензор ${\mathbf{\varepsilon }}{\text{*}}$ эффективных диэлектрических характеристик образца данного композита связывает средние по объему образца векторы электрической индукции и напряженности электрического поля:
Для $\left\langle {\mathbf{E}} \right\rangle $ при отсутствии в нем двойных поляризационных слоев можно написать выражение
(1)
$\begin{gathered} \left\langle {\mathbf{E}} \right\rangle = (1 - f)\langle {{{\mathbf{E}}}^{{(m)}}}\rangle + f{{({{V}_{{inc}}})}^{{ - 1}}} \times \\ \times \;\sum\limits_{k = 1}^N {{{V}_{k}}} ((1 - {{{v}}_{k}})\langle {\mathbf{E}}_{1}^{{(k)}}\rangle + {{{v}}_{k}}\langle {\mathbf{E}}_{2}^{{(k)}}\rangle ), \\ \end{gathered} $(2)
$\begin{gathered} \left\langle {\mathbf{P}} \right\rangle = (1 - f)\left\langle {{{{\mathbf{P}}}^{{(m)}}}} \right\rangle + f{{({{V}_{{inc}}})}^{{ - 1}}} \times \\ \times \;\sum\limits_{k = 1}^N {{{V}_{k}}} ((1 - {{{v}}_{k}})\left\langle {{\mathbf{P}}_{1}^{{(k)}}} \right\rangle + {{{v}}_{k}}\left\langle {{\mathbf{P}}_{2}^{{(k)}}} \right\rangle ). \\ \end{gathered} $Векторы поляризации и напряженности электрического поля в матрице, в оболочке и ядре k-го включения связаны материальными уравнениями
(3)
$\begin{gathered} {{{\mathbf{P}}}^{{(m)}}}({\mathbf{x}}) = {{\chi }_{m}}{{{\mathbf{E}}}^{{(m)}}}({\mathbf{x}}),\quad {\mathbf{P}}_{1}^{{(k)}}({\mathbf{x}}) = {\mathbf{\chi }}_{1}^{{(k)}}{\mathbf{E}}_{1}^{{(k)}}({\mathbf{x}}), \\ {\mathbf{P}}_{2}^{{(k)}}({\mathbf{x}}) = {\mathbf{\chi }}_{2}^{{(k)}}{\mathbf{E}}_{2}^{{(k)}}({\mathbf{x}}), \\ \end{gathered} $(4)
$\left\langle {\mathbf{P}} \right\rangle = {\mathbf{\chi }}{\text{*}}\left\langle {\mathbf{E}} \right\rangle ,$Подставляя (3), (4), (1) в (2) и упрощая, получим уравнение
(6)
$\begin{gathered} (1 - f)({\mathbf{\chi }}{\text{*}} - {{\chi }_{m}}{\mathbf{I}})\left\langle {{{{\mathbf{E}}}^{{(m)}}}} \right\rangle = \\ \; = \frac{f}{{{{V}_{{inc}}}}}\sum\limits_{k = 1}^N {{{V}_{k}}} \left( {(1 - {{{v}}_{k}})({\mathbf{\chi }}_{1}^{{(k)}} - {\mathbf{\chi }}{\text{*}})\left\langle {{\mathbf{E}}_{1}^{{(k)}}} \right\rangle + } \right. \\ \left. { + \;{{{v}}_{k}}({\mathbf{\chi }}_{2}^{{(k)}} - {\mathbf{\chi }}{\text{*}})\left\langle {{\mathbf{E}}_{2}^{{(k)}}} \right\rangle } \right). \\ \end{gathered} $Следуя [8], определим обобщение приближения МГ на матричный композит с включениями в оболочке как приближение, при котором средние значения напряженности электрического поля в оболочке и ядре конкретного включения с номером k связаны со средней напряженностью поля в матрице так же, как и в таком же уединенном включении в бесконечной матрице с однородным приложенным полем, т.е.
(7)
$\left\langle {{\mathbf{E}}_{1}^{{(k)}}} \right\rangle = {\mathbf{\lambda }}_{1}^{{(k)}}\left\langle {{{{\mathbf{E}}}^{{(m)}}}} \right\rangle ,\quad \left\langle {{\mathbf{E}}_{2}^{{(k)}}} \right\rangle = {\mathbf{\lambda }}_{2}^{{(k)}}\left\langle {{{{\mathbf{E}}}^{{(m)}}}} \right\rangle ,$Подставляя (7) в (6) и выражая ${\mathbf{\chi }}{\text{*}}$ из (5) через ${\mathbf{\varepsilon }}{\text{*}}$, получим
(8)
$\begin{gathered} (1 - f)({\mathbf{\varepsilon }}{\text{*}} - {{\varepsilon }_{m}}{\mathbf{I}})\left\langle {{{{\mathbf{E}}}^{{(m)}}}} \right\rangle = \\ = \;\sum\limits_{k = 1}^N {{{w}_{k}}} ((1 - {{{v}}_{k}})({\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}} - {\mathbf{\varepsilon }}{\text{*}}){\mathbf{\lambda }}_{1}^{{(k)}} + \\ + \;{{{v}}_{k}}({\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}} - {\mathbf{\varepsilon }}{\text{*}}){\mathbf{\lambda }}_{2}^{{(k)}})\left\langle {{{{\mathbf{E}}}^{{(m)}}}} \right\rangle , \\ \end{gathered} $(9)
$\begin{gathered} {\mathbf{\varepsilon }}{\text{*}}\, = \,\left[ {(1\, - \,f){{\varepsilon }_{m}}{\mathbf{I}}\, + \,\sum\limits_{k = 1}^N {{{w}_{k}}} ((1\, - \,{{{v}}_{k}}){\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}}{\mathbf{\lambda }}_{1}^{{(k)}}\, + \,{{{v}}_{k}}{\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}}{\mathbf{\lambda }}_{2}^{{(k)}})} \right] \times \\ \times \;{{\left[ {(1 - f){\mathbf{I}} + \sum\limits_{k = 1}^N {{{w}_{k}}} ((1 - {{{v}}_{k}}){\mathbf{\lambda }}_{1}^{{(k)}} + {{{v}}_{k}}{\mathbf{\lambda }}_{2}^{{(k)}})} \right]}^{{ - 1}}}. \\ \end{gathered} $Введем обозначения:
(10)
$\begin{gathered} {\mathbf{\lambda }}_{{}}^{{(k)}} = (1 - {{{v}}_{k}}){\mathbf{\lambda }}_{1}^{{(k)}} + {{{v}}_{k}}{\mathbf{\lambda }}_{2}^{{(k)}}, \\ \kappa _{{}}^{{(k)}} = (1 - {{{v}}_{k}}){\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}}{\mathbf{\lambda }}_{1}^{{(k)}} + {{{v}}_{k}}{\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}}{\mathbf{\lambda }}_{2}^{{(k)}}, \\ k = 1,2, \ldots ,N. \\ \end{gathered} $Вводя средние значения тензоров ${\mathbf{\lambda }}_{{}}^{{(k)}}$ и $\kappa _{{}}^{{(k)}}$ по всем включениям
(11)
$\left\langle {\mathbf{\lambda }} \right\rangle = \frac{1}{f}\sum\limits_{k = 1}^N {{{w}_{k}}} {{{\mathbf{\lambda }}}^{{(k)}}},\quad \left\langle \kappa \right\rangle = \frac{1}{f}\sum\limits_{k = 1}^N {{{w}_{k}}} {{\kappa }^{{(k)}}},$(12)
${\mathbf{\varepsilon }}* = \left[ {(1 - f){{\varepsilon }_{m}}{\mathbf{I}} + f\left\langle \kappa \right\rangle } \right]{{\left[ {(1 - f){\mathbf{I}} + f\left\langle {\mathbf{\lambda }} \right\rangle } \right]}^{{ - 1}}},$ВЫЧИСЛЕНИЕ ТЕНЗОРОВ, СВЯЗЫВАЮЩИХ СРЕДНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ
Пусть уединенное k-е включение погружено в бесконечную матрицу с приложенным однородным электрическим полем напряженностью ${{{\mathbf{E}}}_{0}}$. Аналогично предположениям, принятым в [14], будем считать, что внутренняя $S_{2}^{{(k)}}$ и внешняя $S_{1}^{{(k)}}$ границы оболочки становятся софокусными эллипсоидами после линейного неортогонального преобразования
устраняющего анизотропию диэлектрических свойств оболочки k-го включения. Здесь r = = ${{({{x}^{1}}\,{{x}^{2}}\,{{x}^{3}})}^{{\text{т}}}}$, ${\mathbf{r}}_{k}^{'} = {{(x_{k}^{{1{\text{'}}}}\;x_{k}^{{2{\text{'}}}}\;x_{k}^{{3{\text{'}}}})}^{{\text{т}}}}$ – векторы-столбцы координат текущей точки в исходной системе координат ${{x}^{1}}{{x}^{2}}{{x}^{3}}$ и системе $x_{k}^{{1{\text{'}}}}x_{k}^{{2{\text{'}}}}x_{k}^{{3{\text{'}}}}$, полученной из нее преобразованием (13). Связь матрицы преобразования (13) с тензором диэлектрической проницаемости оболочки включения имеет вид [14](14)
${\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}} = {{{\mathbf{T}}}_{k}}{{\left( {{{{\mathbf{T}}}_{k}}} \right)}^{{\text{т}}}}.$При преобразовании (13) поверхности-эллипсоиды $S_{1}^{{(k)}}$, $S_{2}^{{(k)}}$ трансформируются соответственно в софокусные поверхности-эллипсоиды $S_{1}^{{'(k)}}$, $S_{2}^{{'(k)}}$, полуоси которых обозначим как $a_{{11{\text{'}}}}^{{(k)}}$, $a_{{12{\text{'}}}}^{{(k)}}$, $a_{{13{\text{'}}}}^{{(k)}}$ и $a_{{21{\text{'}}}}^{{(k)}}$, $a_{{22{\text{'}}}}^{{(k)}}$, $a_{{23{\text{'}}}}^{{(k)}}$. Условие (14) определяет преобразование (13) с точностью до поворота, поэтому можно считать, что оси системы $x_{k}^{{1{\text{'}}}}x_{k}^{{2{\text{'}}}}x_{k}^{{3{\text{'}}}}$ направлены вдоль геометрических осей поверхностей-эллипсоидов $S_{1}^{{'(k)}}$, $S_{2}^{{'(k)}}$.
В данных условиях электрическое поле в ядре включения – однородное с напряженностью [14]
где(16)
$\begin{gathered} {\mathbf{\lambda }}_{{20}}^{{(k)}} = [({\mathbf{I}} + {{({{\varepsilon }_{m}})}^{{ - 1}}}{\mathbf{L}}_{1}^{{(k)}}({\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}} - {{\varepsilon }_{m}}{\mathbf{I}})) \times \\ \times \;({\mathbf{I}} + ({\mathbf{L}}_{{2,0}}^{{'(k)}} - {{{v}}_{k}}{\mathbf{L}}_{{1,0}}^{{'(k)}})({\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}} - {\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}})) + \\ + \;{{{v}}_{k}}{{({{\varepsilon }_{m}})}^{{ - 1}}}{\mathbf{L}}_{1}^{{(k)}}({\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}} - {\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}}){{]}^{{ - 1}}}; \\ \end{gathered} $(17)
$\begin{gathered} L_{{1i}}^{{(k)}} = \frac{{a_{{11}}^{{(k)}}a_{{12}}^{{(k)}}a_{{13}}^{{(k)}}}}{2}\int\limits_0^{ + \infty } {\frac{{du}}{{[u + {{{(a_{{1i}}^{{(k)}})}}^{2}}]R_{1}^{{(k)}}(u)}}} , \\ i = 1,2,3; \\ \end{gathered} $Из (15) вытекает, что средняя по объему напряженность поля в ядре равна
(18)
$\left\langle {{\mathbf{E}}_{2}^{{(k)}}} \right\rangle = {\mathbf{\lambda }}_{{20}}^{{(k)}}{{{\mathbf{E}}}_{0}}.$Найдем среднюю по объему напряженность электрического поля в оболочке включения. Потенциал электрического поля в оболочке имеет выражение [14]
(19)
$\begin{gathered} \varphi _{1}^{{(k)}} = (({\mathbf{\beta }}_{1}^{{(k)}} + {\mathbf{N}}_{0}^{{'(k)}}(\xi {\text{'}}){\mathbf{\alpha }}_{1}^{{(k)}}){{{\mathbf{E}}}_{0}},{\mathbf{r}}), \\ {\mathbf{r}} \in V_{1}^{{(k)}},\quad 0 \leqslant \xi {\text{'}} \leqslant t{\text{'}}, \\ \end{gathered} $(20)
$\begin{gathered} {\mathbf{\alpha }}_{1}^{{(k)}} = ({\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{\,(k)}} - {\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}}){\mathbf{\lambda }}_{{20}}^{{(k)}}, \\ {\mathbf{\beta }}_{1}^{{(k)}} = - ({\mathbf{I}} + {\mathbf{L}}_{{2,0}}^{{'(k)}}({\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}} - {\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{\,(k)}})){\mathbf{\lambda }}_{{20}}^{{(k)}}, \\ \end{gathered} $Для средней напряженности поля в оболочке имеем
(21)
$\begin{gathered} \left\langle {{\mathbf{E}}_{1}^{{(k)}}} \right\rangle = {{(V_{1}^{{(k)}})}^{{ - 1}}}\iiint\limits_{V_{1}^{{(k)}}} {{\mathbf{E}}_{1}^{{(k)}}dV} = \\ = \;{{(V_{1}^{{(k)}})}^{{ - 1}}}\iiint\limits_{V_{1}^{{(k)}}} {( - \nabla \varphi _{1}^{{(k)}})dV}. \\ \end{gathered} $Поскольку в системе координат ${{x}^{1}}{{x}^{2}}{{x}^{3}}$ тензоры квадратичных форм поверхностей-эллипсоидов $S_{1}^{{(k)}}$ и $S_{2}^{{(k)}}$, ограничивающих объем $V_{1}^{{(k)}}$, вообще говоря, не диагональны, целесообразно в (21) перейти в систему $x_{k}^{{1'}}x_{k}^{{2'}}x_{k}^{{3'}}$, сделав замену (13). Учтя правило преобразования градиента [14], а также то, что якобиан преобразования (13) ${\text{det}}{\mathbf{T}}_{k}^{{}}$ = = const, получим
где $\nabla {\text{'}}\varphi _{1}^{{(k)}}$ – градиент потенциала в оболочке в системе координат $x_{k}^{{1'}}x_{k}^{{2'}}x_{k}^{{3'}}$, $V_{1}^{{'(k)}}$ – образ области $V_{1}^{{(k)}}$ при преобразовании (13). Переходя в (22) от объемного интеграла к поверхностным, получим(23)
$\begin{gathered} \left\langle {{\mathbf{E}}_{1}^{{(k)}}} \right\rangle = {{(V_{1}^{{(k)}})}^{{ - 1}}}{{({\mathbf{T}}_{k}^{{ - 1}})}^{{\text{т}}}}\det {\mathbf{T}}_{k}^{{}} \times \\ \times \;\left[ { - \mathop{{\int\!\!\!\!\!\int}\mkern-21mu \bigcirc}\limits_{S_{1}^{{'(k)}}} {\varphi _{1}^{{(k)}}{\mathbf{n}}_{1}^{'}} dS\,{\text{'}} + \mathop{{\int\!\!\!\!\!\int}\mkern-21mu \bigcirc}\limits_{S_{2}^{{'(k)}}} {\varphi _{1}^{{(k)}}{\mathbf{n}}_{2}^{'}} dS\,{\text{'}}} \right], \\ \end{gathered} $На поверхности $S_{2}^{{'(k)}}$ имеем $\xi {\text{'}} = 0$, ${\mathbf{N}}_{0}^{{'(k)}}(0)$ = ${\mathbf{L}}_{{2,0}}^{{'(k)}}$ [14], поэтому $\varphi _{1}^{{(k)}}$ на $S_{2}^{{'(k)}}$ имеет вид
(24)
${{\left. {\varphi _{1}^{{(k)}}} \right|}_{{S_{2}^{{'(k)}}}}} = ({{({\mathbf{T}}_{k}^{{}})}^{{\text{т}}}}({\mathbf{\beta }}_{1}^{{(k)}} + {\mathbf{L}}_{{2,0}}^{{'(k)}}{\mathbf{\alpha }}_{1}^{{(k)}}){{{\mathbf{E}}}_{0}},{{\left. {{\mathbf{r}}{\text{'}}} \right|}_{{S_{2}^{{'(k)}}}}}).$Аналогично на поверхности $S_{1}^{{'(k)}}$ имеем $\xi {\text{'}} = t{\text{'}}$, ${\mathbf{N}}_{0}^{{'(k)}}(t{\text{'}}) = {{{v}}_{k}}{\mathbf{L}}_{{1,0}}^{{'(k)}}$, поэтому
(25)
${{\left. {\varphi _{1}^{{(k)}}} \right|}_{{S_{1}^{{'(k)}}}}} = ({{({\mathbf{T}}_{k}^{{}})}^{{\text{т}}}}({\mathbf{\beta }}_{1}^{{(k)}} + {{{v}}_{k}}{\mathbf{L}}_{{1,0}}^{{'(k)}}{\mathbf{\alpha }}_{1}^{{(k)}}){{{\mathbf{E}}}_{0}},{{\left. {{\mathbf{r}}{\text{'}}} \right|}_{{S_{1}^{{'(k)}}}}}).$Подставим (25) в интеграл по поверхности $S_{1}^{{'(k)}}$ в (23):
Вычисляя поверхностный интеграл, получим
Таким образом,
(26)
$\begin{gathered} \mathop{{\int\!\!\!\!\!\int}\mkern-21mu \bigcirc}\limits_{S_{1}^{{'(k)}}} {\varphi _{1}^{{(k)}}{\mathbf{n}}_{1}^{'}} dS\,{\text{'}} = \frac{{4\pi }}{3}a_{{11'}}^{{(k)}}a_{{12'}}^{{(k)}}a_{{13'}}^{{(k)}} \times \\ \times \;{{({\mathbf{T}}_{k}^{{}})}^{{\text{т}}}}({\mathbf{\beta }}_{1}^{{(k)}} + {{{v}}_{k}}{\mathbf{L}}_{{1,0}}^{{'(k)}}{\mathbf{\alpha }}_{1}^{{(k)}}){{{\mathbf{E}}}_{0}}. \\ \end{gathered} $Аналогично с учетом (24) для интеграла по поверхности $S_{2}^{{'(k)}}$ имеем
(27)
$\begin{gathered} \mathop{{\int\!\!\!\!\!\int}\mkern-21mu \bigcirc}\limits_{S_{2}^{{'(k)}}} {\varphi _{1}^{{(k)}}{\mathbf{n}}_{2}^{'}} dS\,{\text{'}} = \\ = \;\frac{{4\pi }}{3}a_{{21'}}^{{(k)}}a_{{22'}}^{{(k)}}a_{{23'}}^{{(k)}}{{({\mathbf{T}}_{k}^{{}})}^{{\text{т}}}}({\mathbf{\beta }}_{1}^{{(k)}} + {\mathbf{L}}_{{2,0}}^{{'(k)}}{\mathbf{\alpha }}_{1}^{{(k)}}){{{\mathbf{E}}}_{0}}. \\ \end{gathered} $Подставляя (26), (27) в (23), получим
(28)
$\langle {\mathbf{E}}_{1}^{{(k)}}\rangle \, = \,{{(V_{1}^{{(k)}})}^{{ - 1}}}[ - V_{1}^{{(k)}}{\mathbf{\beta }}_{1}^{{(k)}}\, + \,V_{2}^{{(k)}}({\mathbf{L}}_{{2,0}}^{{'(k)}}\, - \,{\mathbf{L}}_{{1,0}}^{{'(k)}}){\mathbf{\alpha }}_{1}^{{(k)}}]{{{\mathbf{E}}}_{0}},$С учетом (20) перепишем (28) в виде
(29)
$\begin{gathered} \left\langle {{\mathbf{E}}_{1}^{{(k)}}} \right\rangle = \frac{1}{{1 - {{{v}}_{k}}}}((1 - {{{v}}_{k}}){\mathbf{I}} + \\ + \,({\mathbf{L}}_{{2,0}}^{{'(k)}} - {{{v}}_{k}}{\mathbf{L}}_{{1,0}}^{{'(k)}})({\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}} - {\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}})){\mathbf{\lambda }}_{{20}}^{{(k)}}{{{\mathbf{E}}}_{0}}. \\ \end{gathered} $Поскольку средняя напряженность поля в матрице при наличии в ней единственного включения равна ${{{\mathbf{E}}}_{0}}$, из (29) следует вид тензора ${\mathbf{\lambda }}_{1}^{{(k)}}$:
(30)
$\begin{gathered} {\mathbf{\lambda }}_{1}^{{(k)}} = \frac{1}{{1 - {{{v}}_{k}}}}((1 - {{{v}}_{k}}){\mathbf{I}} + \\ + \,({\mathbf{L}}_{{2,0}}^{{'(k)}} - {{{v}}_{k}}{\mathbf{L}}_{{1,0}}^{{'(k)}})({\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}} - {\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}})){\mathbf{\lambda }}_{{20}}^{{(k)}}, \\ \end{gathered} $Таким образом, обобщенным приближением МГ для матричного композита с эллипсоидальными включениями с эллипсоидальной оболочкой можно считать формулу (12), где используемые в нем тензорные величины определяются выражениями (10), (11), (30), (31).
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОБОБЩЕННОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ МАКСВЕЛЛА ГАРНЕТТА
1. Непосредственно проверяется, что в предельных случаях композита с однородными включениями, т.е. при отсутствии ядра либо оболочки у всех включений, либо при совпадающих материальных характеристиках ядер и оболочек, результат по формулам (12), (10), (11), (30), (31) совпадает с результатом, полученным в [7] для композита с однородными эллипсоидальными включениями.
2. Рассмотрим случай, когда оболочки всех включений изотропные, т.е. ${\mathbf{\varepsilon }}_{1}^{{(k)}} = \varepsilon _{1}^{{(k)}}{\mathbf{I}}$, и главные оси тензоров ${\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}}$ всех включений совпадают с осями их ядер. Тогда $S_{2}^{{(k)}}$ и $S_{1}^{{(k)}}$ – софокусные эллипсоиды, их оси совпадают с главными осями тензора ${\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}}$. В этом случае [14]
(32)
$\begin{gathered} {\mathbf{\lambda }}_{1}^{{(k)}} = \frac{1}{{1 - {{{v}}_{k}}}}((1 - {{{v}}_{k}}){\mathbf{I}} + {{(\varepsilon _{1}^{{(k)}})}^{{ - 1}}}) \times \\ \times \;({\mathbf{L}}_{2}^{{(k)}} - {{{v}}_{k}}{\mathbf{L}}_{1}^{{(k)}})({\mathbf{\varepsilon }}_{2}^{{(k)}} - \varepsilon _{1}^{{(k)}}{\mathbf{I}})){\mathbf{\lambda }}_{{20}}^{{(k)}}, \\ \end{gathered} $Если все включения имеют одинаковую форму, материальные свойства и ориентацию, то номер включения в (32) можно опустить, а операцию усреднения в (12) снять. Тогда
3. Рассмотрим композит с одинаковыми включениями с шарообразным анизотропным ядром в сферической изотропной оболочке. В этом случае
(33)
$\begin{gathered} {\mathbf{\varepsilon }}* = {{\varepsilon }_{m}}\left[ {(1 - f){\mathbf{I}}\, + \,3f{{\varepsilon }_{1}}\left\langle {\left[ {(2{{\varepsilon }_{1}}{\mathbf{I}} + {{{\mathbf{\varepsilon }}}_{2}}) + 2{v}({{{\mathbf{\varepsilon }}}_{2}} - {{\varepsilon }_{1}}{\mathbf{I}})} \right]} \right.} \right. \times \\ \times \;{{\left[ {(2{{\varepsilon }_{m}}\, + \,{{\varepsilon }_{1}})(2{{\varepsilon }_{1}}{\mathbf{I}} + {{{\mathbf{\varepsilon }}}_{2}}) + 2{v}({{\varepsilon }_{1}} - {{\varepsilon }_{m}})({{{\mathbf{\varepsilon }}}_{2}} - {{\varepsilon }_{1}}{\mathbf{I}})} \right]}^{{ - 1}}}\rangle ] \times \\ \times \;[(1 - f){\mathbf{I}} + 3{{\varepsilon }_{m}}f\langle ((2{{\varepsilon }_{1}}{\mathbf{I}} + {{{\mathbf{\varepsilon }}}_{2}}) - {v}({{{\mathbf{\varepsilon }}}_{2}} - {{\varepsilon }_{1}}{\mathbf{I}}))_{{}}^{{}} \times \\ \times \;{{\left[ {(2{{\varepsilon }_{m}}\, + \,{{\varepsilon }_{1}})(2{{\varepsilon }_{1}}{\mathbf{I}} + {{{\mathbf{\varepsilon }}}_{2}})\, + \,2{v}({{\varepsilon }_{1}} - {{\varepsilon }_{m}})({{{\mathbf{\varepsilon }}}_{2}} - {{\varepsilon }_{1}}{\mathbf{I}})} \right]}^{{ - 1}}}\rangle {{]}^{{ - 1}}}. \\ \end{gathered} $Усреднение в (33) производится по всем ориентациям кристаллографических осей ядер включений, которое может быть проведено, как в [7], с использованием теории представлений группы вращений. Заметим, что (33) формально может быть получена как частный случай обобщенного приближения эффективного поля для данного композита, если в качестве среды сравнения взять матрицу ([15, формула (33)]).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основным результатом настоящей работы являются формулы (12), (10), (11), (30), (31), в совокупности представляющие обобщенное приближение Максвелла Гарнетта для вычисления эффективных диэлектрических характеристик матричного композита с эллипсоидальными включениями с оболочкой. Данное приближение позволяет естественным образом учитывать такие структурные особенности композита, как наличие нескольких видов включений, а также вероятностные распределения их форм и ориентаций.
Список литературы
Maxwell Garnett J.C. // Phil. Trans. R. Soc. London. 1904. V. 203. P. 385–420.
Bragg W.L., Pippard A.B. // Acta Cryst. 1953. V. 6. № 11–12. P. 865–867.
Levy O., Stroud D. // Phys. Rev. B. 1997. V. 56. № 13. P. 8035–8046.
Ораевский А.Н., Проценко И.Е. // Квантовая электроника. 2001. Т. 31. № 3. С. 252–256.
Gittleman J.I., Abeles B. // Phys. Rev. B. 1977. V. 15. № 6. P. 3273–3275.
Fricke H. // Phys. Rev. 1924. V. 24. P. 575–587.
Лавров И.В. // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2009. № 1. С. 52–58.
Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.
Kerner E.H. // Proc. Phys. Soc. B. 1956. V. 69. P. 802–807.
Апресян Л.А., Власов Д.В., Задорин Д.А., Красовский В.И. // ЖТФ. 2017. Т. 87. Вып. 1. С. 10–17. https://doi.org/10.21883/JTF.2017.01.44011.1841
Sihvola A. Electromagnetic Mixing Formulas and Applications. London: The Institution of Electrical Engineers, 1999. 296 p.
Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. // Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 3. С. 29–46. https://doi.org/10.7463/rdopt.0316.0846170
Bowler N. // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2006. V. 13. № 4. P. 703–711.
Лавров И.В., Яковлев В.Б. // ЖТФ. 2017. Т. 87. Вып. 7. С. 963–972. https://doi.org/10.21883/JTF.2017.07.44663.1964
Колесников В.И., Бардушкин В.В., Лавров И.В., Сычев А.П., Яковлев В.Б. // ДАН. 2017. Т. 476. № 3. С. 280–284. https://doi.org/10.7868/S0869565217270081
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки