低表面能氟碳聚合物涂层真空热循环及防爬移特性研究

低表面能氟碳聚合物涂层是一种抑制空间用油脂润滑剂爬移流失的关键材料,该材料的应用可为空间油脂润滑活动机构实现长寿命、高可靠运行提供技术保障。采用水接触角测试仪、X射线荧光能谱仪、光学显微镜等对自研的氟碳聚合物涂层进行了真空热循环前后的接触角、表面能变化以及对多烷基环戊烷(MACs)润滑油防爬移特性的研究。结果表明,9Cr18不锈钢、2A12铝合金和TC4钛合金三种不同金属基体表面涂覆聚合物涂层后的表面能分别为8.797 mN/m、9.083 mN/m和9.203 mN/m;在温度−45~+90℃下,经过30天、60次真空热循环后,涂层的表面能分别为8.915 mN/m、9.209 mN/m和9.266 mN/m,仍然较低。涂层与MACs润滑油之间存在明显界面,涂层上距离润滑油200μm界面处的XPS分析未发现MACs润滑油的特征峰,表明没有润滑油爬移扩散至涂层处,低表面能氟碳聚合物涂层对MACs润滑油能够起到有效的“防爬移”作用。

SnAgCu/SnBi混装焊点的热循环可靠性研究

Sn-Bi和Sn-Ag-Cu混装焊点是利用低熔点的Sn-58Bi锡膏将高熔点的Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)的小球回流焊接在印制电路板(PCB)上,从而实现高温芯片的低温焊接工艺.文中研究了SnAgCu/SnBi混装焊点在热循环条件下的可靠性并通过有限元模拟揭示了混装焊点热循环可靠性的应变演变行为.热循环试验发现混装焊点的寿命要优于SAC305无铅焊点.有限元计算表明,结构混装焊点内SnBi钎料层的添加能够减小最大非弹性应变范围,从而提升混装焊点的热循环可靠性.

热循环下铝/钢连续驱动摩擦焊接接头应力应变分析

利用ABAQUS有限元软件,建立了一个新的连续驱动摩擦焊接头热-力耦合过程的数值模型,分析了试验过程接头温度场、应力应变分布规律,通过与实际试验结果的对比,验证模型的准确性。得出如下结论:热循环过程中,冷却及低温保温过程是热应力最大的阶段;接头颈缩形貌和产生位置与试验结果吻合较好,颈缩位置与实际试验相对误差为6%,颈缩现象的本质是铝在自由膨胀收缩时应力超过强度极限产生的塑性变形。在拉伸断口观察到解理断裂圆环,其位置、宽度与模拟结果的应变集中区域吻合度高。该模型较准确的模拟了连续驱动摩擦焊接头的热-力耦合过程,为实际生产和工艺优化提供了有力支持。

基于Lagrange-Galerkin有限元方法的焊接热循环轻量化求解

焊接热循环的干扰因素多、变化速度快、影响范围广,常需要对其进行即时预测与控制,以保证焊接质量。以焊缝中心温度分布与变化为研究对象,将其简化为一维焊接热循环瞬态热传导问题,并基于Lagrange-Galerkin有限元方法,进行算域离散与插值。开发了一种轻量化的焊接热循环求解算法,研究不同时刻下焊缝中心温度分布曲线与变化曲线的即时变化。以镍基Inconel 718合金2 mm薄板对接接头为例,进行数值模拟实例演算,结果表明计算耗时约0.41~0.72 s,满足数据与轻量化计算的要求。

典型高温地热系统水热循环及锂同位素分馏过程模拟研究

水热系统中的多场耦合相互作用对水热循环过程和地热流体化学成分具有显著的影响。本文利用COMSOL-Multiphysics建立水热化学(同位素)多场耦合数值模拟模型,通过简化模型对锂同位素分馏模拟方法进行了验证。在此基础上,基于对羊八井地热田水热循环过程的认识,建立了羊八井典型剖面水热循环多场耦合模型;再现了羊八井地热系统的水热循环过程和水岩反应过程中的锂同位素分馏过程,并且讨论了主要的参数对热能聚敛效果的影响。结果表明:较高的断裂带渗透率将加快深部断裂带附近围岩温度的下降,而较低的渗透率则无法在近地表形成一定规模的水热活动;通过地表排泄量对断裂带渗透率进行约束后,发现当断裂带与深部熔融体直接沟通时,才可在近地表形成长期存在(近150 ka)的高温地热显示;在断裂带沟通了深部熔融体且熔融体热源温度不变的前提下,熔融体的具体埋深对水热活动强烈程度的影响不大;长期的水岩活动会使断裂带内锂元素大量消耗,只有当深部熔融体为断裂系统提供持续不断的物质来源时,才能保证地热流体中长期保持较高的锂元素浓度水平;基于锂同位素分馏过程估算出参与水岩反应的岩体中锂元素质量分数为25~35 mg/kg,δ^(7) Li_(rock)为-2.0‰~0.5‰。研究成果有助于进一步认识典型高温地热系统成因机制模式。

热循环条件下BGA叠层焊点可靠性研究及参数优化

构建叠层焊点最优结构参数,提高BGA叠层焊点热循环条件下的可靠性具有重要的意义。建立有限元模型,分析叠层焊点在热循环条件下应力应变,运用田口正交法和曲面响应法,将焊点的高度、直径、间距、阵列作为实验设计的变量,关键焊点最大等效塑性应变作为优化目标。结果表明:焊点阵列对优化目标的影响权重最大,优化后的BGA叠层焊点结构参数如下,田口正交法:单层焊点高度为0.38 mm,焊点间距为0.55 mm,焊点直径为0.44 mm,焊点阵列为8×8;曲面响应法:单层焊点高度为0.387 mm,焊点间距为0.573 mm,焊点直径为0.446 mm,焊点阵列为8×8。对优化前后的寿命进行预测,优化后的叠层焊点寿命约是优化前的3.75倍。

焊接热循环计算机软件的研制和应用

成功研制出焊接热循环计算机软件.该软件以实测和经典的数学模型为基础,应用LabVIEW7.1进行编程;运用合适的编程策略,方便、快捷地绘制焊接热循环曲线,进而定量地反映与描述影响各热循环参数的主要因素及其相互关系.软件共包含7种焊接方法,每种焊接方法都以相应的数学模型为基础,各种数学模型依据自身特点应用于各个领域.该软件最多支持10道次焊接热循环模拟,操作界面简单易行.该软件凭借其稳定性、可靠性、快捷方便性,应用于国产MMS-200热力模拟实验机.

真空热循环对T700/3234复合材料疲劳性能的影响

以T700/3234复合材料和3234树脂为研究对象,对其进行了真空热循环试验,并分别测试了质损率和复合材料的疲劳性能。研究结果表明,随真空热循环次数的增加,T700/3234复合材料与3234树脂基体的质损率均呈现先迅速增加后趋于平稳的规律。真空热循环处理后的复合材料发生界面脱粘,导致复合材料的抗疲劳性能明显降低。

激光冲击金属黏结层高温热循环应力演化规律的有限元模拟

目的 探索激光冲击(LSP)对高温热循环(反复升温、保温和降温)过程中热障涂层中的热生长氧化物(TGO)表面及TGO/黏结层(BC)界面应力分布的影响规律。方法 基于真实TGO形貌,建立有限元模型,从应力演化角度分析LSP改性(LSPed)与未改性(Non-LSPed)试样危险区域的失效形式;使用拉曼光谱法(RFS)对氧化后的金属黏结层进行残余应力测试。结果 TGO应力分布随着形貌的起伏呈现相应的起伏变化。TGO表面压应力最大值出现在波峰位置,经10次热循环后LSPed试样TGO表面S11(平行于涂层表面的正应力)压应力最大值大于Non-LSPed试样,经50次热循环后LSPed试样TGO表面压应力最大值远小于Non-LSPed试样;随着热循环次数的增加,2类试样TGO/BC界面S11应力的差别变小。LSPed试样TGO表面S22(垂直于涂层表面的应力)应力随着热循环次数的增加逐渐增大,但S22拉应力小于250 MPa,应力总体偏低。TGO/BC界面S22、S12(平行于涂层表面的剪切应力)应力随循环次数的变化规律基本一致,经10次热循环后,LSPed试样的S22、S12应力均大于Non-LSPed试样;经50次热循环后,2类试样界面的S22、S12应力相差不大。结论 文中构建的TGO应力有限元仿真模型,模拟结果与测试结果吻合。LSP通过调控TGO生长速度,可以有效缓解TGO生长过程中应力的剧烈变化,大幅降低TGO表面S11和S12应力最大值,进而降低TGO表面产生垂直于表面贯穿裂纹和剪切破坏的风险,LSP对TGO表面(TGO/BC界面)应力状态的影响较小。

微燃机回热循环的参数估计与性能分析

以某微燃机循环系统试验台为对象,构建了微燃机回热循环系统模型,并基于此开展了回热循环系统的性能预测与分析。考虑到系统的关键部件性能参数未知,利用极大似然估计法,结合实验数据对其进行了估计,所得预测值和实验值的误差在3%以下,表明模型能够较为准确地预测回热循环的热力性能。然后基于建立的模型,开展了全工况的回热循环系统模拟,获得了不同环境温度下随负荷变化时微燃机功率、发电效率、排烟热量和排烟温度等的变化规律以及压气机的工作区间。所获得的微燃机关键部件信息和系统性能变化规律可为相关研究提供一定的参考。

聚吡咯共轭结构对碳纤维增强树脂基复合材料热循环稳定性能的影响

为解决碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)存在的碳纤维与基体间界面黏结性较弱和在热循环过程中因热膨胀系数不匹配而产生界面破坏的问题,通过低温聚合得到含有较多共轭结构的聚吡咯(PPy)对预处理后碳纤维(CF)进行表面改性,分别在0、30、60℃下制得碳纤维/聚吡咯复合纤维(PPy/CF),并研究了不同聚合温度下制备的CFRPs的界面结合性能、热膨胀性能和热循环稳定性能。结果表明:PPy/CF-0纤维的表面粗糙度与CF相比增加了2.09倍,这有利于树脂锚定在碳纤维表面,从而提高界面结合性能;并且PPy/CF-0纤维表面的聚吡咯层具有较完善的共轭结构,整体表现为负热膨胀系数,使得复合材料的层间剪切强度和界面剪切强度分别达到了CF的1.56倍和1.70倍;此外还使得CFRPs的热循环稳定性有了较明显的提升,经100次热循环实验后,其剪切强度仍能保持在初始数值的70%以上。

多道焊接热循环对6082-T6铝合金接头热影响区显微组织及力学性能的影响

采用ER5087铝合金焊丝在6082-T6铝合金板上进行四道双脉冲熔化极惰性气体保护堆焊,在焊接热影响区不同位置取样进行显微组织观察和力学性能测试,结合焊接温度场数值模拟研究了多道焊接热循环对热影响区不同位置显微组织及力学性能的影响。结果表明:根据试验测得的热影响区截面硬度变化和模拟得到的热影响区截面峰值温度变化规律,结合材料热处理工艺将6082-T6铝合金焊接接头热影响区按照距熔合线由远到近分为过时效区(A区)、严重过时效区(B区)和固溶区(C区)。随着焊接道次的增加,热影响区晶粒粗化,A区析出相发生β″相+β'相→β'相+U2相→β相+β'相+半溶解相→β'相+半溶解相转变;不同道次焊接后B区析出相基本呈半溶解状态,C区有序析出相完全溶解,析出大量GP区;随着焊接道次的增加,热影响区A区、B区的析出相逐渐粗化和溶解,C区的GP区数量减少。四道焊接后,热影响区整体力学性能下降,热影响区B区的软化现象最严重。热影响区软化的主要原因是析出相的演变而非晶粒的粗化。

IN718合金多道熔覆热循环特性模拟及实验验证

为了揭示激光熔覆过程的热量累积特性及规律,利用ANSYS软件对IN718高温合金多道熔覆涂层制备过程热循环进行模拟。通过构建“T”型高斯复合热源并开发ANSYS APDL程序再现激光熔覆过程,获得涂层温度分布及热循环特性。结果表明:熔覆涂层高温区域以半椭球形快速扩散,跟随“弓”字型路径产生热累积;在扫描方向上,各节点最高温度(2309.26℃→2417.15℃→2454.58℃)呈非线性缓慢升高的趋势;以“弓”型路径熔覆会在搭接折弯处显著储能,对已熔涂层造成了重复加热或重熔;在结合界面上,中间道次熔覆时涂层热源生热与热传导具有对称性,使介面温度高于金属粉末材料熔点。采用红外热像测温法对熔覆过程进行监测,监测结果与模拟结果基本吻合,为熔覆工艺优化与涂层微观组织调控提供了理论依据。

基于有限元分析的扇出型晶圆级封装组装工艺热循环仿真评价

本文对扇出型晶圆级封装(Fan out Wafer Level Package,FOWLP)组装工艺的热可靠性进行仿真评价,对关键技术及失效机理进行分析,针对某款基于该项技术的典型封装结构,建立其1/4结构有限元仿真模型,并对在典型军用温度循环条件下的热可靠性进行仿真分析。通过分析FOWLP关键结构在典型航天器用热循环条件下的应力及位移情况,确定了可能引起扇出型晶圆级封装失效的可靠性薄弱点。

热循环与晶界对铜锡镀层锡须生长影响的分子动力学模拟

随着微电子封装全面走向无铅化,且日益趋向极小化、便携化和多功能化,锡须生长严重威胁电子产品服役的可靠性和安全性。本文以铜锡双镀层的锡须生长过程为研究对象,创建有晶界和无晶界分子动力学模型,并在多物理场(热-力)耦合下进行热循环与晶界对锡须生长过程的模拟,探究外力、不同热循环次数(0、5、10次)和晶界等因素对锡须生长的影响及部分内部应力的变化规律。结果表明:在一定范围内,热循环次数增多会促进锡须生长,且在有晶界的模型中,锡须生长速率更大;锡须底部的内应力达到最大,形成应力梯度促进锡须生长;外加载荷会增大铜锡双镀层的内部应力,内部应力积累的时间也缩短1.5 ns左右,从而加快锡须生长速率。

基于简单回热循环的超临界二氧化碳离心压缩机

作为限制超临界二氧化碳发电技术发展瓶颈的关键因素,高效的循环结构形式和关键设备研究是目前亟待解决的重要课题。根据某型百千瓦级超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统设计要求,搭建循环模型与热力学计算;在热力循环设计结果基础上,开展匹配该机组用的超临界二氧化碳离心压缩机设计、三维计算和数值分析,得到超临界二氧化碳离心压缩机在不同转速下的压比-流量性能曲线。研究结果表明:超临界二氧化碳离心压缩机数值计算结果与设计要求较吻合,最小相对误差为0.003%,最大相对误差为4.056%;在叶轮尾缘处吸力面侧有小面积范围内的熵增变化,说明该区域存在流动损失,在叶轮前缘附近出现明显的低温和低压区域,特别是压力面侧,导致相变发生,对该型压缩机的长期稳定运行产生危害,需要进一步优化设计。

不同电子束流EB-PVD制备YSZ热障涂层的组织结构演变、热循环寿命与失效行为分析

采用电子束物理气相沉积技术在不同电子束流下(1.2,1.8,2.4 A)制备YSZ热障涂层,分析表征不同电子束流下YSZ涂层的相结构和显微组织形貌变化,并对热障涂层进行了1150℃热循环寿命测试,同时通过微观组织结构演变对涂层失效行为进行分析。结果表明:不同电子束流下YSZ涂层均具有非平衡四方相结构,随着电子束流的增加,涂层柱状晶尖端结构逐渐由三角状向金字塔状再向山脊状演变,柱状晶由纤细结构转变为粗大结构,枝晶减少,排列有序性增加,由于YSZ涂层柱状晶纳米孔结构的存在使得热导率略微降低。1.8 A制备的YSZ涂层具有895周次的最优异热循环寿命,约为1.2 A下制备YSZ涂层的2倍,2.4 A下制备YSZ涂层的1.3倍,获得了低电子束流制备的纤细柱状晶结构优先烧结失效、高电子束流制备的粗大柱状晶优先热生长氧化(TGO)层应力累积失效的不同组织结构失效行为,1.8 A制备的柱状晶结构可平衡两种失效行为,有效延长YSZ热障涂层热循环寿命。

n型电池组件热循环应力模拟以及优化

针对n型TOPCon组件的抗热循环应力性能,结合热循环测试与数值模拟,分析出抗热循环应力性能的影响因素。得益于对称的结构,双玻组件的主栅热循环应力明显小于单玻组件,在热循环测试后双玻组件未发生功率衰减与EL发黑。而单玻组件的正面主栅热循环应力大于背面,因此热循环应力失效发生在电池正面。基于分析结果,对TOPCon电池的电极图形进行优化,将正面主栅线宽度从36μm增加到48μm,单玻组件在热循环测试后的功率衰减与EL发黑情况得到有效改善,抗热循环应力性能提高。

等离子喷涂硅酸盐搪瓷涂层及其热循环行为研究

[目的]硅酸盐搪瓷涂层在冷热循环过程中的失效行为很少受到关注。[方法]采用喷雾造粒与烧结相结合的方式制备了多组分硅酸盐团聚烧结喷涂粉末材料,随后采用大气等离子喷涂技术在12CrMoV合金钢表面制备了SiO_(2)-Al_(2)O_(3)-Na_(2)CO_(3)-CaO基硅酸盐搪瓷涂层,研究了该涂层的微观组织和在700℃下的水淬热震循环行为。[结果]硅酸盐团聚烧结喷涂粉末材料呈球形,粒径分布在20~60μm之间。等离子喷涂硅酸盐涂层呈明显的堆叠层状铺展沉积,表面较为粗糙,其内部虽然存在一定数量的闭孔,但整体较为致密,除了含有一定数量的非晶相,还有SiO_(2)、Al_(2)SiO_(5)和Ca_(2)MgSi_(2)O_(7)晶相。该涂层在700℃水淬热震循环145次后发生部分脆性剥落。[结论]热震循环过程中发生的金属基体氧化、晶相分解,以及冷热交变循环等因素产生的热应力可能是导致涂层失效的原因。

超高温热循环作用下水泥环完整性及界面力学性能衰退规律

稠油热采井因周期性蒸汽吞吐,造成井筒内的温度波动及持续变化、循环加卸载引发的水泥环完整性问题将威胁到井筒的完整性,导致井口抬升等安全问题频发。为了弄清超高温热循环作用下水泥环完整性失效机理、界面胶结衰退规律,避免蒸汽吞吐过程中套管-水泥环界面胶结失效,提出了超高温热循环环境下水泥环胶结强度评价方法,自主研发了集浇筑、养护、加热及测试一体化的水泥环胶结强度特色测试装置,并对“生产套管-水泥环-技术套管”组合体在超高温热循环作用下的界面完整性和力学完整性进行了测试及评价,获得了水泥环在3种不同温度(常温↗150℃↘常温,常温↗200℃↘常温,常温↗250℃↘常温)热循环作用下的完整性及界面力学性能实验结果。研究结果表明:高温热循环作用对水泥环力学及界面力学完整性具有显著的负面影响;随着温度和热循环次数的增大,水泥环界面力学性能显著降低。150℃热循环7次、200℃热循环5次以及250℃热循环1次后,套管与水泥环界面脱离;150℃热循环13次、200℃热循环9次以及250℃热循环7次后,水泥环界面剪切力、化学胶结力、摩擦力以及剪切胶结强度均降低为0,水泥环界面力学性能丧失。水泥环本体失效均以拉伸破坏为主,包括径向裂纹和周向裂纹;径向开裂,周向裂纹以及界面脱离使得水泥环完整性(本位完整性、密封完整性以及力学完整性)失效,水泥环产生连通的微裂缝、微环隙,造成水泥环变形、损伤、泄露,套管成为自由段,引发严重的环空带压、井口抬升等安全问题。