НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o200.pdf (1057.55Кб)

УДК 537.311.4

Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

С начала 20 века и до настоящего времени предпринимаются усилия по разработке модели электропроводности контактов. Особенную актуальность задача контактной электропроводности приобретает с развитием микро- и нанотехнологий. Проводить заимствование из более глубоко проработанных моделей контактной теплопроводности на основе аналогии между тепло- и электропроводностью часто не возможно из-за ряда принципиальных различий. При разработанных на сегодняшний день в той или иной мере 3D-моделях деформирования шероховатых тел 3D-модели электропроводности через контактирующие шероховатые тела нет. В статье предложена пространственная модель электрического контакта шероховатых тел, позволяющая вычислять величину электрической контактной проводимости в зависимости от давления. Представительными элементами тел являются параллелепипеды с детерминированной шероховатостью на контактирующих поверхностях. С использованием конечно-элементного программного комплекса ANSYS вначале решается нелинейная упругопластическая задача деформирования шероховатой поверхности под действием внешнего давления, а затем на той же сетке конечных элементов задача электростатики. В качестве материала контактирующих тел использован алюминий АД1 со свойствами, учитывающими наклеп поверхности. Численная модель построена в рамках механики сплошной среды и наноразмерные эффекты не учитываются. Электрическая контактная проводимость рассчитывалась на основе представления об электрическом сопротивлении модели как сумме электрических сопротивлений контактирующих тел и самого контакта. Принималось, что воздух в зазоре между телами отсутствует. Расчетом получена зависимость электрической контактной проводимости от давления, а также распределения электрического напряжения и плотности тока в контактирующих телах. Определено, что режим многопятенного контактирования, адекватный реальной шероховатости, достигается при давлениях более 3МПа, в то время как результаты при одном пятне контакта подходят лишь для моделирования искусственной структурированной шероховатости.

1. Czaplewski D.A., Patrizi G.A., Kraus G.M., Wendt J.R., Nordquist C.D., Wolfley S.L., Baker M.S., de Boer M.P. A nanomechanical switch for integration with CMOS logic // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2009. Vol.19, no. 8. P. 1-12. DOI: 10.1088/0960-1317/19/8/085003
2. Gundrum D.C., Cahill D.G., Averback R.S. Thermal conductance of metal-metal interfaces // Physical Review B. 2005.Vol. 72, no. 24. Art no. 245426. DOI:10.1103/PhysRevB.72.245426
3. Carrete J., Gallego L.J., Varela L.M. Surface roughness and thermal conductivity of semiconductor nanowires: Going below the Casimir limit // Physical Review B. 2011.Vol. 84, no. 24. Art no. 075403. DOI: 10.1103/PhysRevB.84.075403
4. Maxwell J.C. A treatise on electricity and magnetism. Vol. 1. Oxford: Clarendon press, 1873. 453 p.
5. Pennec F. Modelisation du contact metal ‐ metal: Application aux microcommutateurs MEMS RF. PhD Thèse. Université de Toulouse, 2009. 190 p.
6. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М .: Металлургия , 1978. 392 с .
7. Bidwell S. On the Electrical Resistance of Carbon Contacts // Proceedings of the Royal Society of London. 1883. Vol. 35. P. 1-18. DOI: 10.1098/rspl.1883.0001
8. Bowden F.P., Tabor D. The area of contact between stationary and between moving surfaces // Proceedings of Royal Society. A. 1939. Vol. 169. P. 391-413.
9. Holm R. Electric Contacts: Theory and Applications. New York: Springer-Verlag, 1967. 486 p.
10. Holm R. Contact resistance especially at carbon contact // Zeitschrift für Technische Physik. 1922. Vol. 3, no. 9. P. 290-294; no. 1. P. 320-327; no. 11. P. 349-357.
11. Norberg G., Dejanovic S., Hesselbom H. Contact resistance of thin metal film contacts // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2006. Vol. 29, no. 2. P. 371-378. DOI: 10.1109/TCAPT.2006.875891
12. Greenwood J.A. Constriction resistance and the real area of contact // British Journal of Applied Physics. 1966. Vol. 17, no.12. P. 1621-1632. DOI: 10.1088/0508-3443/17/12/310
13. Holm R. Uber metallische Kontaktwiderstiinde [Characteristics of contact resistance] // Wissenschaftliche Veröffentlichungen aus den Siemens-Werken. 1929. Vol. 7, no. 2. P. 217-258.
14. Wexler G. The size effect and the non-local Boltzmann transport equation in orifice and disk geometry // Proceedings of Physical Society. 1966. Vol. 89, no. 4. P. 927-941. DOI: 10.1088/0370-1328/89/4/316
15. Sharvin Y.V. A Possible Method for Studying Fermi Surfaces // Soviet Physics - Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETP). 1965. Vol. 21, no. 3. P. 655-656.
16. Mikrajuddin A., Shi F., Kim H., Okuyama K. Size ‐ dependant electrical constriction resistance for contacts of arbitrary size: from Sharvin to Holm limits // Materials Science in Semiconductor Processing. 1999. Vol . 2, is . 4. P . 321 ‐ 327 .
17. Сычев М.П., Мурашов М.В. Моделирование контактного сопротивления // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2011. Спец. вып. Информационные технологии и компьютерные системы. С. 12-18.
18. Мурашов М.В., Корнев Ю.В. Исследование упругопластического поведения элемента шероховатости // Журнал технической физики. 2014. № 3. С . 75-81.
19. The Electrical Engineering Handbook / ed. by W.-K. Chen. Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2004. 1208 p.