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烧结制备的产品广泛应用于航空航天、电子、汽车、能源、材料、生物医学等领域。烧结也是制备陶瓷材料的唯一手段。烧结材料成型后,可以通过后处理进一步提高烧结材料力学性能,例如表面处理;也可以通过结构设计,提高低强度材料的应用寿命,例如层状结构;但提高烧结材料力学性能最根本的方法是理解烧结材料的形成过程、提高烧结技术、改善烧结工艺,在材料制备过程中提高烧结材料的力学性能。然而烧结不仅涉及大量颗粒间的相互作用,也是一个非常复杂的、涉及多方面影响因素的高温过程,通过实时在位的实验研究,目前还存在相当的困难。为了从根本上揭示材料烧结形成过程的多个影响因素,本论文选择了离散元数值模拟方法,通过数值实验,选择铜颗粒系统作为研究对象,开展高温烧结过程的模拟研究。主要研究内容及研究成果包括:
颗粒团形成的影响因素:首先提出了一种刻画烧结过程中系统聚团程度参数,即“相邻颗粒间距离方差”,进一步考虑初始颗粒尺寸、颗粒问切向粘度、初始体积分数、烧结温度和初始颗粒分布等因素对系统聚团度的影响。研究发现系统中的颗粒越小、颗粒半径分布越宽、颗粒间切向粘度越小、烧结温度越高,系统的聚团程度越高。
颗粒团对烧结过程的影响:在颗粒制备和系统压实过程中也会产生颗粒团。本文首先数值制备了不同尺寸和形状的颗粒团,进而研究了初始系统中颗粒团体积分数、尺寸、形状、分布、初始配位数等因素对烧结的影响,研究发现随着颗粒团体积分数的增大,系统致密化降低。在颗粒团体积分数一定的情况下,颗粒团越小,致密化程度越低。颗粒团形状和分布对系统整体致密化没有明显影响。颗粒团平均配位数越小,对致密化的抑制越大。本文还讨论了这些因素对微结构演化的影响。颗粒团重排会促进系统致密化。
惰性夹杂颗粒对烧结过程的影响:实际烧结系统中常含有夹杂颗粒,本文研究了含夹杂颗粒的颗粒系统烧结过程,发现夹杂阻断了基体颗粒间的联系、扰乱了基体颗粒的速度场,最终抑制了系统致密化。进一步讨论了夹杂颗粒体积分数和存在形式对系统微结构演化以及致密化的影响,发现与分散的夹杂颗粒相比,夹杂颗粒团对致密化的抑制作用更大。
烧结系统的力网络和接触网络:烧结系统中,大量颗粒接触承载着颗粒间的作用力,形成复杂力网络。本文应用复杂网络方法研究了烧结颗粒系统的接触网络和力网络特征以及对烧结过程的影响。发现较大的接触多边形网络中容易产生孔洞,而较小的接触多边形网络中的孔洞会逐渐收缩直至消失。平均聚集系数和平均最短距离能够较好地刻画系统的致密化程度。详细讨论了烧结颗粒系统中力网络的特征,发现在烧结一段时间后,颗粒间法向接触力在系统中分布变得很不均匀,高作用力区域在系统中的位置不断变化。在复杂力网络中观察到环状力链比其他力链更稳定。该部分工作为运用复杂网络分析烧结颗粒系统内部力学行为提供了新的方法和思路。