多尺度模拟计算方法在超高温高熵陶瓷材料中的应用进展

超高温高熵陶瓷材料以难熔金属碳化物、硼化物、氮化物等为组元,具有较高的硬度、高温强度以及良好的热稳定性,已成为超高温陶瓷领域研究的热点方向之一。与传统材料相比,超高温高熵陶瓷涉及复杂成分空间、多个尺度维度、极端多场耦合服役环境,采用传统经验试错法开发超高温高熵陶瓷效率过低,故而需要改变材料研究范式,依靠多尺度模拟计算方法提高超高温高熵陶瓷研发与应用效率。本文首先简要介绍了具有代表性的多尺度材料计算方法,进而综述了多尺度材料计算方法在超高温高熵陶瓷研究中的典型应用成果,最后对多尺度材料计算方法在超高温高熵陶瓷研究中的前景进行了展望。     

Non-isothermal creep age forming of Al-Cu-Li alloy: Experiment and modelling

Non-isothermal Creep Age Forming (CAF), including loading, heating, holding, cooling and springback stages, is an advanced forming technique for manufacturing high performance large integral panels at short production period and low cost. However, the creep deformation and aging precipitation during heating stage is often neglected in experiments and modeling, leading to low forming precision. To achieve shape forming and property tailoring simultaneously, a deep understanding of the non-isothermal creep aging behavior and the establishment of predictive models are urgently required. A new five-stage creep feature of Al-Cu-Li alloy during the non-isothermal creep aging is observed. The microstructural interactions between the dislocations, solute atoms, Guinier Preston zones (GP zones) and T₁ precipitates are found to dominate the five-stage creep aging behavior. The physical-based model considering temperature evolution history is established to describe the five-stage creep feature. The springback and yield strength of non-isothermal creep age formed plates with different thicknesses are predicted and compared by non-isothermal CAF experiments and corresponding simulations. The CAF experiments show that the springback and yield strength of the non-isothermal creep age formed plate are 62.1% and 506 MPa, respectively. Simulation results are in good agreement with experimental results. The proposed model broadens the application of traditional CAF models that mainly focus on isothermal conditions.     

基于多尺度的空间锂离子蓄电池单体电-热耦合模型

针对高比能兼顾高功率的锂离子电池,高电极载量、高压实、低电导等特性会显著增加电池大倍率放电的产热和内部温差,传统的热试验方法无法获取电池内部温度分布。将传统热试验与仿真相结合,以能量功率兼顾型空间锂离子蓄电池单体为研究对象,建立了一维电化学与三维热双向耦合模型,获取了电池在绝热环境下不同倍率放电的电压、温度和发热功率变化,仿真结果与实验值吻合度高,分析得到单体电池大倍率放电的本征热安全区间为0～75%放电深度(DOD)。同时,计算发现随着放电倍率的增加,放电结束时电池温度最高区域由电芯内部中心位置逐渐变成正极极柱,最大温差逐渐增大,3 C时达到0.82℃。假设增加底面恒温散热,3 C放电结束的最大温差高达11.18℃。本文建立的模型不仅适用于空间锂离子蓄电池单体的研发,还适用于电池组的热仿真设计。     

Integration of nanoindentation and finite element method for interpretable tensile properties:A cross-scale calculation method of uneven joints

Nanoindentation testing and its Reverse Analysis Method(RAM) show great potential in understanding the tensile properties of metallic alloys with various microstructures. Nevertheless,the tensile properties of heterogeneous materials such as nickel-based superalloy welded joints have not been well interpreted by combining the microstructures and nanoindentation results, due to their diverse and complex microscopic zones, which throws shade on the properties of separated zones in the material. He...     

高稳定一体化星敏支架机热协同设计及试验验证

随着空间技术的发展，对卫星姿态测量精度的要求越来越高。星敏支架作为星敏感器与卫星之间的主要连接结构，其热稳定性直接影响星敏感器的测量精度与有效载荷的成像质量。因此，保证星敏支架的热稳定性成为卫星结构研究的重点。基于高体份铝基碳化硅新材料，利用其低膨胀、高导热性等特点，设计了一种适用于多头星敏感器安装的仪器支架，通过外加温控罩和精密温控等措施，对一体化星敏支架进行等温化控制，实现了星敏支架的热稳定性设计，并通过数值仿真和试验验证了设计方案的有效性。     

激光熔化沉积15-5PH沉淀硬化不锈钢组织及拉伸性能

利用激光熔化沉积技术制备15-5PH沉淀硬化不锈钢板,利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子探针(EPMA)技术,对沉积态组织进行分析,测试沉积态组织的室温拉伸性能。结果表明:激光熔化沉积15-5PH不锈钢沉积态组织由沿沉积增高方向贯穿多层外延生长的柱状晶组成,柱状晶内包含多个细长整齐排列的胞状树枝晶,枝晶内为马氏体组织,枝晶间为铁素体;沉积态组织中弥散分布大量细小的NbC析出相,尺寸12～20 nm;15-5PH不锈钢沉积态组织具有良好的力学性能,纵向抗拉强度和延伸率分别为1 128.5 MPa和14.0%,横向抗拉强度和延伸率分别为1 101 MPa和12.25%。     

机场道面浅层高早强快速修补砂浆的性能研究

在满足繁忙机场不停航施工要求下,制备出道面浅层高早强快速修补砂浆对保障飞机准点运行及安全起降具有重要意义。采用自制的特种胶凝材料,通过优选砂胶比、水胶比及外加剂复配等技术制备出高早强快速修补砂浆,研究该修补砂浆的力学性能、黏结性能与耐久性能。结果表明:高早强快速修补砂浆2h抗压、抗折强度分别为32.5MPa和4.8MPa,且2h和28d黏结强度可分别达到其抗折强度的75%和84%;与C40混凝土相比,该修补砂浆早期具有微膨胀性,可补偿收缩,减小与旧混凝土间变形差异,120d收缩率降低了60.5%,3d耐磨性可达到C40混凝土28d的耐磨性,且具有优良的抗渗性与抗冲击性。     

不同温度下丁羟包覆层的横向弛豫时间与拉伸性能的相关性

为了研究不同温度下丁羟包覆层的横向弛豫时间与拉伸性能的相关性,开展了核磁共振和拉伸应力-应变性能测定试验。单因素方差分析表明温度对横向弛豫时间有显著影响;试验温度从30℃升到90℃,横向弛豫时间呈线性增大;90℃升到130℃,横向弛豫时间先减小后增大。30～90℃,升温使包覆层的拉伸强度下降,断裂伸长率升高;在100℃较90℃强度得到了提高,断裂伸长率稍有降低;在100～130℃时,受复杂化学反应和分子热运动共同影响,断裂伸长率迅速增加,强度降低。断裂伸长率、拉伸强度均与横向弛豫时间存在较好的相关性,利用该关系可以预测丁羟包覆层在不同横向弛豫时间下的拉伸性能。     

复合材料面板阻燃抗菌防霉性能

采用热熔法制备抗菌防霉预浸料,并对其力学性能、燃烧产物、阻燃性能以及抗菌防霉性能进行了系统的评价。结果表明:复合材料面板的燃烧产物中CO、HF、HCl、NOx、SO2、HCN等6种毒性气体含量均远远低于标准;阻燃性能优异,无火焰穿透,无熔融物滴落,且平均自熄时间大都为0 s;防霉性能均为0级;抗菌性能随着抗菌防霉剂含量的增大而增强,其中当抗菌防霉剂含量≥2%性能随着抗菌防霉剂的添加呈下降趋势,为了兼顾力学性能与抗菌性能,创新设计不同抗菌防霉剂分布而保持平均含量不变的复合材料面板,对比抗菌性能结果发现将抗菌防霉剂含量高的预浸料分布在表面时得到的复合材料面板拥有最优异的抗菌性能,成功实现结构生物安全一体化。     

三维编织复合材料宏细观多尺度传热分析

近年来三维编织复合材料在航空、航天等领域得到了广泛应用,而热传导性能是其重要的物理性能之一。根据三维四向编织复合材料细观单胞模型,建立其热传导性能的宏细观多尺度模型,包括等效热传导系数的均匀化模型和温度场分布的多尺度模型;基于宏细观多尺度有限元算法,计算三维四向编织复合材料的等效热传导系数,并与实验结果进行对比;在此基础上,研究编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律,并确定材料内部的温度场分布。结果表明:等效热传导系数与实验值吻合较好,细观单胞模型能较为真实地反映三维四向编织复合材料的结构构形,宏细观多尺度方法能有效预测三维编织复合材料的热传导性能,并且能有效捕捉材料内部的局部振荡效应。