堇青石基玻璃陶瓷晶粒的取向对应力分布影响的有限元模拟

论文摘要

MgO-Al2O3-SiO2系堇青石基玻璃陶瓷是一种强度高、化学稳定性好、硬度高和电绝缘性好的新型无机材料,广泛应用于电力电子、航天、航空工业等领域。与金属一样,堇青石基玻璃陶瓷的介观体系具有晶体结构,所不同的是除了微晶区域之外,它还存在以玻璃相为主的晶界以及微量气孔掺杂等。研究表明,晶相的组成、晶粒的尺寸和数量、晶界的形成对陶瓷材料的性能有重要的影响,但已有研究结论通常是假定宏观材料为各向同性体而得出的;事实上,堇青石属于正交晶系,具有正交各向异性性质,不能简单近似为各向同性体,其微晶取向也能够直接影响材料的力学性质,目前通过实验的方法直接观察研究这一影响过程受到许多现实条件的限制,可喜的是有限元数值模拟技术的发展为此研究提供了一有效手段。本文有针对性的选取了本实验室制备的堇青石基玻璃陶瓷样品扫描电镜图片的40余个晶粒以及晶界组成（尺度约在10微米）的微域,并转化为二维有限元模型,模拟计算晶粒尺寸以及晶界对应力和热应力分布带来的影响,并通过赋予每个晶粒不同的局部坐标系即不同的晶轴方向（材料晶粒的实际取向可由EBSD等实验方法测得）,研究了在外载荷下,堇青石微晶的弹性刚度系数和热膨胀系数的各向异性对应力分布和热应力分布产生的影响,借以得出与韧性的对应关系。计算表明,影响堇青石基玻璃陶瓷应力分布和热应力分布的主要因素是晶粒的形貌和晶界的性质之间的差异,堇青石晶粒的取向对于产生的应力、热应力分布以及最大应力值有一定的影响,但是易形成裂纹源的介观结构位置基本不受晶粒取向的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 陶瓷材料
• 1.2 玻璃陶瓷
• 1.3 课题的研究目的和理论意义
• 2 研究方法
• 2.1 计算材料学的发展
• 2.2 有限单元法数值模拟
• 2.3 本文采用的有限元模拟软件介绍
• 2.4 本文研究思路
• 3 基于堇青石介观结构的有限元模型
• 3.1 材料的介观结构
• 3.2 晶体的方向
• 3.3 各向异性晶体弹性性能
• 3.4 各向异性晶体热膨胀
• 3.5 堇青石基玻璃陶瓷介观结构有限元模型建模过程
• 4 堇青石晶粒取向对应力以及热应力分布的影响
• 4.1 堇青石晶粒取向对应力分布的影响
• 4.2 堇青石晶粒取向对热应力分布的影响
• 4.3 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 攻读研究生期间发表的论文
• 参考文献
• 附录