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层状陶瓷材料多晶微结构模拟与力学响应

刘运芳  
【摘要】:由于层状陶瓷复合材料具有独特的叠层结构,研究者能从宏观结构的角度对其进行层内和层间设计,从而制备综合性能优异的新型陶瓷材料。层状陶瓷材料微观多晶结构和宏观多层结构共同决定了材料的性能。然而,在目前的数值模拟研究中,大部分仅对陶瓷块材多晶微结构进行模拟,缺乏从原子尺度、多晶微结构尺度和层状结构对层状陶瓷的“结构-力学响应”关系开展数值模拟,也尚无相关计算软件。本文针对层状陶瓷基复合材料,从材料的微观多晶和宏观多层结构出发,综合采用第一性原理、蒙特卡罗方法和有限元数值计算方法,分析具有多晶微结构的层状陶瓷材料的力学响应,发展层状结构陶瓷材料参数化设计软件,为制备新型层状陶瓷基复合材料提供指导依据。主要研究内容与结果如下:(1)采用蒙特卡罗方法模拟了多晶微结构演变,并采用有限元数值方法对多晶微结构进行了力学响应分析。研究结果表明:多晶微结构的平均晶粒随着模拟时间的增大而增大,平均应力大小与平均晶粒大小符合Hall-Petch关系。(2)在单层多晶结构的基础上,采用蒙特卡罗方法模拟层状材料多晶微结构演变,并进行了有限元力学响应分析,重点研究了层数,层厚比,模量比等材料参数对层状结构材料力学响应的影响规律。研究结果表明:(a)对于三层材料,当层厚比变化时,材料硬(软)层所占比例随之变化,相应微结构模型的平均应力也发生变化。当内外层模量比大于2时,平均应力随着内层材料厚度增大而增大,当模量比小于1时,平均应力随着内层材料的厚度增大而减小。(b)对于强晶界材料,不论材料的叠层顺序是外层为硬层还是为软层,材料平均应力均随着晶粒长大而减小。对于外层为硬层时,材料的平均应力随着材料层数增多而减小,而对于外层为软层时,材料平均应力随着材料层数增多而增大。(c)对于均匀材料,平均应力与模量比呈线性增长关系;对于非均匀材料,平均应力与模量比呈非线性增长关系。(3)计算了层状结构陶瓷复合材料的残余应力及表观断裂韧性,并研究了材料层数、层厚比、烧结温度以及模量比等参数对层状陶瓷材料残余应力及表观断裂韧性的影响规律。研究结果表明:(a)当奇偶层层厚比等于1时,随着层数增多,单层越薄,受压层应力增大,受拉层应力减小。当裂纹尖端处于外层受压层时,表观断裂韧性随材料层数的增多而增大。当内外层总厚度比等于1时,拉压层的应力大小相等,且不随层数的变化而改变。当层数增多时,在压/拉层界面处的表观断裂韧性降低,但在拉/压层界面处的表观断裂韧性增大。(b)当奇偶层层厚比增大时,压应力大小降低,而拉应力大小增大。当裂纹尖端处于受压层,表观断裂韧性随层厚比的增大而增大。(c)烧结温度越高,在压/拉界面处的表观断裂韧性越大,在拉/压界面处的表观断裂韧性越小,但二者变化幅度均不大,说明烧结温度影响较小。(d)在压/拉界面处,模量比越大,表观断裂韧性越小,而在拉/压界面处,模量比越大,表观断裂韧性也越大。(4)采用面向对象程序设计,在OMTDesk软件平台下开发了交互式图形用户界面软件PCLab(Partical Cloud Laboratory),软件集成MC和FEM模块,可进行多层多晶微结构演变模拟与力学响应分析,能快速有效的研究层状材料结构的力学性能等多物理场问题。(5)提出了综合第一性原理、蒙特卡罗及有限元模拟的层状结构复合材料宏微观设计思路,并从原子尺度、多晶微结构尺度和层状结构对所设计的HfC/BN、Zr B2/BN和SiC/BN三种层状材料的“结构-力学响应”关系进行了数值模拟,研究结果表明:相同多晶结构及晶粒界面效果作用下HfC/BN的承载能力最强,ZrB2/BN次之,SiC/BN最低;不同的多晶结构或不同的晶粒效果作用下,三种材料具有相同或相近的力学响应。


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