氧在熔融SiO2中扩散的分子动力学模拟

在高温干燥的氧气环境中,SiC材料将氧化生成SiO₂氧化膜,影响材料性能。SiO₂在SiC上的生长由氧气通过氧化物的扩散控制。由于温度条件限制,传统实验方法很难测定氧气在高温氧化物中的扩散。本文采用分子动力学研究不同温度下氧在熔融SiO₂中的扩散行为。基于Morse、L-J等势函数及其参数,模拟了高温下的无定形SiO₂结构,计算获得了氧在950、1 100、1 200、1 300及1 400 ℃温度下的均方位移曲线及扩散系数,分析了温度对气体扩散的影响作用,拟合了温度相关的Arrhenius公式。研究结果可为SiC基及其复合材料的氧化行为研究提供参考。     

苎麻纤维增强酚醛树脂基复合材料的湿热性能研究

通过模压工艺制备了苎麻纤维织物增强酚醛树脂基复合材料层合板,研究了模压层合板在不同湿热环境下的水吸收与扩散及力学性能。研究表明:在20℃,40℃和60℃三种温度下,相对湿度的上升使层合板瞬时吸湿速率增大很明显,而在50%相对湿度下,温度对层合板的饱和吸水率的影响不大。当吸湿份数在0.5以下时,层合板在50%的相对湿度和20℃,40℃和60℃三种温度下,水扩散系数分别为2.16×10-6cm2/s,2.94×10-6cm2/s和6.61×10-6cm2/s。层合板的力学性能随吸水率的增加而下降。通过扫描电子显微镜(SEM)观察,层合板力学性能下降的主要原因是水分破坏了纤维和树脂的界面,同时进入纤维的空隙中,影响了复合材料中的应力传递,使复合材料力学性能下降。     

热冲击环境下涂层/基底界面的微观形貌及元素扩散规律研究

针对热障涂层在高温环境中长期服役的需求,研究热障涂层在热冲击环境下涂层/基底界面形貌演变及元素扩散规律。通过自主搭建的石英灯加热平台对热障涂层进行热冲击试验。利用SEM和EDS对热冲击后涂层/基底界面的微观形貌及元素分布进行分析,利用Boltzmann-Matano扩散模型计算了涂层/基底界面Al元素的扩散系数。结果表明,沉积态的热障涂层中黏结层（BC）主要由β和γ相组成,并且在涂层/基底界面已经出现扩散区;随着热冲击试验的进行,Al元素快速消耗致使BC层和基底间Al元素浓度梯度转变,Al元素开始向外扩散,部分拓扑密堆（TCP）相中富集的难熔元素可以重新固溶到基底中,最终各元素在界面区的分布逐渐均匀;Al元素的扩散系数在热冲击试验开始前为正值,到600次热冲击循环后为负值,且扩散系数的最大值均出现在涂层/基底界面处,距离界面越大,扩散系数就越低。     

MPT方法中的纳米粒子识别技术

多粒子追踪（MPT）是测量粒子布朗运动的一种方法。在200nm粒子扩散系数实验测量中,对MPT方法中的粒子识别和粒子匹配两个重要环节提出改进：在粒子识别时,通过调节灰度阈值并检测光斑面积的改变,可有效分别真实粒子和光晕引起的＂伪粒子＂;在粒子匹配中,将手动追踪和程序追踪得到的粒子单步位移用矢量法表示,可直观显示不同追踪方法的粒子匹配效果。实验结果表明,在MPT方法中增加上述措施后,手动追踪和程序追踪获得的实验扩散系数之间的偏差由8%~13%减小为2%~8%,说明基于阈值敏感性的＂伪粒子＂剔除方法合理、有效。     

HTPB推进剂中增塑剂扩散系数计算

针对丁羟推进剂/衬层界面增塑剂的迁移问题,研究增塑剂的扩散特性。采用分子动力学方法模拟增塑剂在丁羟粘合剂体系中的运动,再通过爱因斯坦关系式求得扩散系数;采用对衬层加厚的粘接试件进行加速老化实验方法,再通过费克第二定律计算得到增塑剂的扩散系数;考察不同环境温度和不同增塑剂含量条件下癸二酸二辛酯的扩散系数的变化。分析认为,增塑剂在丁羟粘合体系高分子链段运动产生的间隙中,以"跳跃"方式发生空间位置迁移。结果表明,扩散系数模拟值和实验值基本一致,数量级为10-12m2/s;温度升高,增塑剂运动活性加强,有效活动空间增大,扩散系数增大;粘合体系与增塑剂的共容限量使得增塑剂含量大于3%时,模拟得到的扩散系数依次略有下降。分子动力学方法计算增塑剂扩散系数更具优势。     

建筑物绕流流场与大气污染扩散研究

无论点源或面源都位于建筑物(群)中,被它释放出的污染物的稀释扩散主要受建筑物(群)的绕流流场支配。根据(流场、风洞)实验确立建筑物(群)附近的污染浓度公式及其周围污染源排放的污染物的扩散规律是可行的。     

定位于材料基因组计划的镍基高温合金互扩散系数矩阵的高通量测定

寻找新一代镍基单晶高温合金中Re的替代元素以实现少Re甚至无Re化是当前高温合金领域的研究热点。从扩散系数角度出发寻找具有与Re相当或者更低扩散系数的元素是有效的研究策略之一。在多元合金中,互扩散系数矩阵可全面表征任一合金元素的扩散能力。因此,精确测定不同合金元素在镍基高温合金γ和γ'相中随成分和温度变化的互扩散系数矩阵是当务之急。首先,概述当前镍基高温合金互扩散系数矩阵测定的现状,以及用于多元合金互扩散系数测定的传统Matano-Kirkaldy方法和新型数值回归方法。由于传统Matano-Kirkaldy方法效率低,文献中鲜有镍基高温合金三元及更高组元体系互扩散系数矩阵的报道。本研究小组最近基于Fick第二定律和原子移动性概念发展起来的新型数值回归方法,可用于任意组元合金精准互扩散系数矩阵的高通量测定。随后以Ni-Al-Ta三元合金γ相为例详细阐述新型数值回归法用于合金互扩散系数矩阵高通量测定以及测定结果的可靠性验证过程。之后,简述本研究小组关于镍基高温合金γ和γ'相互扩散系数矩阵测定的最新进展。目前已经完成了核心三元合金体系Ni-Al-X(X=Rh,Ta,W,Re,Os和Ir)γ及γ'相互扩散系数矩阵的高通量测定,并对结果可靠性进行了细致的验证。通过对比不同元素在镍基高温合金中的互扩散系数,初步提出新一代镍基高温合金中Re的可能替代元素及合金成分设计的关键。最后,指出镍基高温合金互扩散系数矩阵测定的下一步工作和互扩散系数矩阵高通量测定的发展方向。     

磁层高能粒子运动的Fokker Planck方程位置项扩散系数研究

利用准线性理论计算了磁层高能粒子运动的Fokker Planck方程在可观测相空间的位置项扩散系数，并与绝热不变量径向扩散系数进行对比分析.研究发现:位置项扩散系数随径向距离呈现R6的比例关系快速增大.相同径向距离条件下，由于空间位置项z分量的作用，高纬度地区的位置项扩散系数小于低纬度地区.通过与径向扩散系数对比发现，两者具有相同的量级，但两者的相对大小需要根据具体的扰动形态进行分析.此研究对使用测试粒子模拟磁层高能粒子运动，尤其是根据引导中心理论，利用蒙特卡洛方法求解磁层高能粒子运动的Fokker Planck方程，建立磁层空间高能粒子运动的精细化模型具有重要意义.      

MPT方法中的纳米粒子识别技术

多粒子追踪(MPT)是测量粒子布朗运动的一种方法.在200nm粒子扩散系数实验测量中,对MPT方法中的粒子识别和粒子匹配两个重要环节提出改进:在粒子识别时,通过调节灰度阈值并检测光斑面积的改变,可有效分别真实粒子和光晕引起的"伪粒子";在粒子匹配中,将手动追踪和程序追踪得到的粒子单步位移用矢量法表示,可直观显示不同追踪方法的粒子匹配效果.实验结果表明,在MPT方法中增加上述措施后,手动追踪和程序追踪获得的实验扩散系数之间的偏差由8%~13%减小为2%~8%,说明基于阈值敏感性的"伪粒子"剔除方法合理、有效.     

利用TDS研究二次硬化钢中氢的扩散行为

利用升温脱氢分析装置(TDS)和慢速拉伸试验方法(SSRT)研究了一种二次硬化钢中氢的扩散行为及其对塑性的影响。结果表明,由于二次硬化实验钢中存在大量细小碳化物,氢的扩散系数约为3.42×10-8cm2.s-1,明显低于通常淬火回火马氏体钢。TDS分析发现,实验钢中存在两个氢逸出峰,激活能分别为20.2kJ.mol-1和24.6kJ.mol-1,由晶界、位错等弱氢陷阱引起。拉伸试样的断面收缩率随氢质量分数的增加先线性下降,氢质量分数每增加1×10-4%断面收缩率下降约12%;当氢质量分数达到5×10-4%时,断面收缩率低于10%,断口呈沿晶状。