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爆炸粉末烧结的细观沉能机制研究

王金相  
【摘要】:爆炸粉末烧结是将炸药爆轰所产生的冲击能量以激波的形式作用于粉末,使其在瞬态、高温、高压下发生烧结的一种材料合成的新技术,是激波物理学在工程中的具体应用。作为爆炸加工领域的第三代研究对象和一种获得新型高性能材料的粉末冶金技术,爆炸粉末烧结正广泛应用于精细陶瓷、金属间化合物、金属基复合材料、纳米块体以及微晶、准晶、非晶等亚稳合金以及超硬材料的合成与烧结当中,同时也可用于高分子聚合物的激波改性当中。对爆炸粉末烧结的细观机理的研究,尤其是正确确立对爆炸烧结影响很大的粉末颗粒大小、粒度分布、颗粒形状、表面状态、微粒力学性能和热学性能对爆炸压实与结合的影响,有利于促进爆炸烧结材料向更细微的材料学领域发展并有利于促进多孔材料本构关系与状态方程的研究,为之提供更丰富的理论依据,因而具有很高的理论意义与应用价值。 论文开篇从多孔材料冲击状态方程、爆炸粉末烧结的宏观机理和细观机理三个角度入手介绍了作者对爆炸粉末烧结的机理的文献追踪,其重点放在对其细观机理的调研方面,为进一步发展爆炸粉末烧结的细观机理提供了坚实的基础。接下来,以密排球堆积模型为基础借助于实验手段和数值模拟辅助分析将爆炸粉末烧结中颗粒间的变形和沉能机制划分为微爆炸焊接、微摩擦焊接、微孔隙闭合、微冲击波耗能几种主要形式并分别对其进行了较为系统而深入的研究,论文的主要研究成果有: 1 选择具有代表性的模型材料(铜铬的混合粉末,钢、铜的纤维),进行了大量的塑性材料、塑性与脆性粉末混合物的爆炸烧结实验,以金相观察结果研究区分了其中的力学、冶金现象,为各种沉能机制的建立提供了实验依据,并通过相关理论分析了各种沉能机制存在的位置和条件。 2 以理想流体对称碰撞模型在考虑传热效应的基础上计算了由微爆炸焊接引起的颗粒界面附近的温度场和熔化层厚度,并计算分析了来流速度和碰撞角对焊接界面附近区域升温的影响。 3 针对爆炸粉末烧结过程中颗粒间的摩擦效应建立了高压楔入模型,分析了烧结过程中颗粒间摩擦力随颗粒温度的变化规律,借助于LS-DYNA有限元程序研究了冲击压力、颗粒大小、材料强度等因素对孔隙闭合时间的影响,并在此基础上用积分法对颗粒间热力


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