基于界面相模型的耐火材料损伤演化的表征方法

微损伤是造成耐火材料宏观非线性力学行为的主要原因,研究耐火材料损伤演化的表征方法对其服役过程的仿真具有重要意义。为此,利用细观力学方法,采用界面相模型,通过改变界面相的物理参数来等效模拟微观损伤对耐火材料宏观性能的影响。利用该方法,从MgO-C质耐火材料力学试验出发,采用数值拟合的方法得出应变与界面参数的关系;结合耐火材料的损伤机理,建立材料宏观损伤与界面参数之间的数学关系。在此基础上,对MgO-C质耐火材料的拉压非线性行为进行了模拟,研究结果表明该方法可以很好地模拟耐火材料的非线性行为。

预测纳米纤维复合材料有效弹性性能的界面模型和界面相模型

基于广义自洽法,同时采用Gurtin-Murdoch界面模型和界面相模型研究了纳米纤维复合材料的有效弹性性能,获得了两种模型下有效体积模量的封闭解析解和计算有效面内剪切模量数值解的全部公式.基于界面模型的解答,讨论了有效体积模量和有效面内剪切模量的界面效应.证明了界面模型的解答可由界面相模型的解答退化得到,其中有效体积模量可以实现解析退化,有效面内剪切模量则可以数值退化.以含纳米孔洞的金属铝为例,比较了两种模型计算结果的差异.结果表明,当纳米孔洞半径较小时,两个模型的结果存在很大差异,而当半径较大时两个模型的结果差别不大.

基于界面相模型的耐火材料非线性力学行为模拟

耐火材料力学行为的非线性源自于其细观结构的变形和损伤。从细观力学入手,采用不完美界面颗粒填充复合材料的界面相模型,结合材料的损伤机理,通过逐步改变界面相的弹性模量和体积分数等物理参数来等效模拟材料在承载过程中的非线性力学行为。在镁碳质耐火材料的实验基础上,对材料在不同承载形式下的损伤演化过程进行模拟,利用数值计算的方法得出材料应力与应变的关系。研究结果表明,运用此方法对镁碳质耐火材料非线性力学行为的模拟结果与实验结果能较好地吻合。

固体推进剂黏弹性参数的确定及细观损伤演化

固体推进剂力学模型参数的准确性对其宏观力学响应预测具有重要的意义,为解耦标定固体推进剂非线性黏弹性模型参数,提出一种基于台阶应力松弛试验的模型参数确定方法。通过台阶应力松弛平衡响应确定固体推进剂弹性部分参数,通过小变形下的应力松弛确定无量纲松弛模量,分析一种固体推进剂力学响应。研究结果表明:固体推进剂在台阶应力松弛及单轴拉伸条件下的力学性能预测结果与试验结果吻合,验证了所提方法的有效性;由于平衡响应包含损伤,采用该方法标定的参数可用于预测含损伤固体推进剂力学响应。在此基础上,提出一种基于推进剂模型参数标定等效黏合剂力学参数的方法,并通过引入基于黏弹性脱湿准则的相界面模型建立代表性体积单元计算模型,实现在宽应变(~100%)范围内推进剂脱湿损伤分析,为推进剂宏观力学性能预测及细观损伤演化分析提供了支撑。

金属增材制造的相场模拟现状及展望

金属增材制造涉及传热与传质、相变、晶粒生长、熔体流动等多个复杂物理过程,实现其微结构演变的定量模拟难度大。相场法采用序参量描述气/液/固相、晶粒形状/取向等复杂微结构,且能直接引入描述各物理过程的场变量(如浓度、温度、熔体流速等),在金属增材制造过程微结构模拟方面显示出巨大优势。本文简要介绍了相场法的发展和分类,归纳了不同相场模型的特点,详细综述了不同相场模型在金属增材制造凝固过程中微结构演化模拟的研究进展,重点探讨了不同相场模型在金属增材制造领域应用的优势与局限性。最后,展望了相场法在金属增材制造领域的应用前景,并指出其发展方向。

相场法模拟应力时效过程中共格有序第二相的析出和粗化

采用双场耦合条件下的宏观相场法,实现了模拟外加应力下无序基体中共格有序第二相的析出和粗化。结果发现,在外加应力下,第二相颗粒将发生定向粗化,形成筏状组织,成筏的方向取决于外加应力的性质、点阵错配的正负以及两相的弹性模量差。沉淀体积分数越大,颗粒合并和反相畴界对沉淀形貌的影响越显著,导致许多颗粒呈现不规则形貌。颗粒的对齐有两种机制,一是链条外颗粒的溶解,一是颗粒的迁移。在粗化过程中,多颗粒体系首先通过前1种机制形成链条,然后通过第2种机制使链条进一步对齐。

预测纳米纤维复合材料有效性能的界面相模型

基于广义自洽法和平均场理论,推导了包含界面相的纤维复合材料有效反平面剪切模量的封闭解析解.作为界面相模型,该解答被用于研究纳米复合材料的有效反平面剪切模量.在界面相模型中令界面相剪切模量为界面模型中界面剪切模量与界面相厚度之比,当界面相厚度趋于零时,界面相模型的解答可解析退化为界面模型的解答.数值计算时,取界面相厚度充分小即可在任意精度下由界面相模型得到界面模型的结果.以含纳米孔洞的金属铝为例,比较了界面相模型和界面模型计算结果的差异.结果表明,孔洞半径越小、孔洞体积分数越大,两个模型结果差异越显著.

陶瓷颗粒烧结致密化过程中微气孔的扩散与演化

用扩散界面相场模型研究陶瓷烧结过程中五球模型内部的气孔扩散与演化过程。采用一组随时间和空间连续变化的取向场变量和浓度场变量来表征烧结过程微结构特征,用Ginzburg-Laudau动力学方程和Cahn-Hilliard动力学方程分别描述取向场变量和浓度场变量随时间的演化。结果表明,陶瓷烧结过程中,颗粒间的气孔通过晶界向较大的气孔扩散聚集,颗粒内部的气孔则通过晶粒基体内部向颗粒间的空隙和颗粒外部空间扩散。陶瓷颗粒的气孔通过晶界或基体扩散到晶粒外部空间的过程,就是陶瓷坯体烧结的致密化过程。

水解法制备TiO_2纳米粉的脱水方法研究

在冰水浴中用水解法制备了TiO2纳米粉,冲洗、过滤后将同一样品分为两部分,一部分直接干燥;另一部分用酒精置换一段时间后再干燥;煅烧之后用X-射线衍射（XRD））和扫描电镜（SEM）对粉体进行表征。通过对比,发现不同的后续处理方法所得到的粉体X-射线谱线及形貌等均有较大的差别,并应用晶体生长的界面相模型对这现象进行了分析与讨论。

基于界面层模型的双周期纳米夹杂复合材料反平面问题研究

利用复变函数方法并结合双准周期Riemann边值问题理论,获得了含双周期分布非均匀相(夹杂/界面层)的复合材料在远场均匀反平面应力下弹性场的全场解答.该解答可用于对纳米夹杂复合材料的应力进行分析,结合平均场理论也用于预测纳米夹杂复合材料的有效性能.计算结果表明:当夹杂尺度在纳米量级时,应力和有效反平面剪切模量具有明显的尺度依赖性,并且随着夹杂尺寸的增加,趋近于不考虑界面效应时的结果;界面层厚度和性能对应力和有效反平面剪切模量明显变化时所对应的夹杂尺度范围和趋近于无界面效应结果的快慢有显著影响;当界面厚度足够薄时,界面层模型可用于模拟零厚度界面情况.