空心纳米柱状电极力-扩散耦合行为研究

文章以纳米尺度离子电池的电极结构为研究对象,建立可考虑表面效应的力-扩散双向耦合理论模型,对其在表面效应和外部载荷作用下的力学响应行为进行系统研究。借助建立的理论模型,研究尺寸效应、表面效应等对恒电压充电条件下空心纳米柱状电极中浓度场、应力场分布规律的影响并分析其内在机制。研究发现在该文条件下,表面效应对电极中环向和轴向应力场有压应力作用,且尺寸越小压应力作用越明显,而对径向应力场的作用则与位置有关。该研究为优化空心纳米柱状电极中的力-扩散耦合行为性能及应用拓展提供了一定的理论基础和参考依据。

富氢环境下镍钛形状记忆合金弹簧变形行为的实验和理论研究

镍钛形状记忆合金器件在某些特定服役环境下不可避免地与氢接触,导致其力学性能发生改变.实验研究方面,通过对两种构型(弹簧指数为8.5和11.7)的镍钛合金弹簧进行异位电解充氢,随后对充氢和未充氢镍钛合金弹簧进行不同幅值的拉伸-卸载实验,揭示了氢对超弹性镍钛合金弹簧变形行为的影响.结果表明,氢会显著影响弹簧的相变硬化行为,并且使马氏体相变临界力下降地更为迅速.理论研究方面,基于实验结果,在不可逆热力学框架下构建了镍钛形状记忆合金力-扩散耦合本构模型.在该本构模型中,考虑了与弹性,马氏体相变和氢致膨胀相关的应变和氢浓度场对马氏体相变的影响.通过建立的Helmholtz自由能推导出相变行为的热力学驱动力.基于质量守恒定律和Fick定律,得到氢浓度场的演化方程.为了准确地描述充氢和未充氢镍钛合金弹簧的变形行为,在建立的本构模型基础上,进一步发展了描述弹簧力-扩散耦合变形行为并考虑其扭转、弯曲变形模式的半解析模型.通过与实验结果的对比,可以发现,提出的半解析理论模型能够很好地预测富氢环境下超弹性镍钛合金弹簧的变形行为.

焊点金属间化合物生长的相场法模拟

采用相场法并结合热-力-电-扩散强耦合理论,研究了铜/锡/铜焊点金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMCs)的生长规律。其中,铜和锡交互扩散的行为是通过引入铜和锡在不同浓度(摩尔分数)下的扩散系数和有效电荷数来表征。模拟结果表明强耦合状态下的IMCs生长模拟值与实验值吻合较好,并且电流密度越大,IMCs生长越快。此外,对不同耦合状态下IMCs生长的各热力学驱动力的变化研究表明焊点在多物理场作用下,温度梯度导致的热迁移对IMCs生长的影响较小,而应变梯度导致的应力迁移对IMCs生长的影响较大,并且起促进作用。

热压工艺对SiC_(f)/Ti复合材料界面反应层生长影响的数值模拟

提出一个热-力-扩散-反应强耦合相场模型来研究热压烧结制备工艺对连续碳化硅纤维增强钛基复合材料中金属间化合物生长规律的影响。模拟结果表明,在两种不同温度下各个界面反应层(Ti_(3)SiC_(2)/Ti_(5)Si_(3)Cx/Ti_(5)Si_(3)Cx+TiC/TiC)的厚度生长与试验值吻合较好。增大外加压力能促进界面层厚度的生长,但对其中抗拉强度最低的Ti_(5)Si_(3)层的生长起显著的抑制作用,同时使各界面反应层由周向拉应力状态逐渐转变为压应力。温度的升高使断裂韧度最大的Ti_(3)SiC_(2)层厚度增大,但也使总界面层和Ti_(5)Si_(3)层的厚度增加。因此,在制备工艺上适当增加压力并选择合适的温度,得到厚度适宜的界面反应层的同时,尽可能使Ti_(5)Si_(3)层变薄和Ti_(3)SiC_(2)层变厚是提高SiCf/Ti复合材料力学性能的重要途径。