ZrB2陶瓷烧结初期蒙特卡罗模拟

论文摘要

陶瓷烧结模拟的研究工作多数停留在对方法本身的探讨,诸如模型以及算法等,而与实际具体材料紧密结合的工作较少,本文以ZrB2陶瓷为具体研究对象,通过计算机模拟,采用蒙特卡罗Q态Potts模型对二维双球ZrB2颗粒烧结初期进行了模拟研究,模拟中考虑了扩散烧结理论中的表面扩散机制和晶界扩散机制。烧结是在高温下进行的,所以模拟中所需要的参数应取在高温时的值。为了获得较高温度时ZrB2颗粒的表面能,以作为进行蒙特卡罗模拟输入的参数,本文首先采用余氏理论,在其基本假设前提下,结合间距差（BLD）法计算单键能,获得了ZrB2较高温时的表面能,不同晶面由于断键情况不同表面能不同,但在较高温度下其差别不大,平均表面能为2.42J/m2。本文在进行蒙特卡罗模拟时,对具体算法进行了改进,优化了随机选点的质量,提高了选择到有效点的效率。本文还对步长的统计方法进行了改进,使所模拟系统可以在普通计算机上较快的向稳定态演化。在ZrB2颗粒烧结初期模拟中,两等大颗粒情况下考虑了不同温度参数对烧结颈颈长比、颗粒中心距的影响。随着温度的升高颈长比逐渐增大但是在较高温度时变小,颗粒中心距的变化情况也具有相似规律。获得的颗粒间线性收缩率基本上为6%。本文也考虑了不同判断依据和不同近邻数的影响,发现考虑更多近邻促使颗粒中心距在相同步数下快速减小,但是500步时,所耗机时增加了20%。对于三等大颗粒模拟,除表面扩散和晶界扩散机制外,引入蒸发冷凝机制来克服二维模拟的缺陷,在演化过程中发现颗粒间形成的孔隙圆化并逐渐变小。本文还进行了ZrB2陶瓷烧结实验,对ZrB2烧结初期的组织形貌进行观察,可以看到随着烧结温度的升高,颗粒之间连接的界面长度变长。测量了线性收缩情况和烧结颈的颈长比,并与模拟结果进行了比较,发现实验数据与模拟结果趋势基本相同,只是在数值上略有偏差,模拟结果能够很好的反映实际烧结初期情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 2 基陶瓷综述'>1.1 ZrB₂基陶瓷综述
• 2 陶瓷基本性质'>1.1.1 ZrB₂陶瓷基本性质
• 2 陶瓷基复合材料的制备方法'>1.1.2 ZrB₂陶瓷基复合材料的制备方法
• 1.2 粉末烧结理论
• 1.2.1 烧结初期的传质机制
• 1.2.2 烧结初期的模拟研究现状
• 1.3 蒙特卡罗模拟方法概述
• 1.3.1 基本思想及建立步骤
• 1.3.2 蒙特卡罗积分与误差估计
• 1.3.3 蒙特卡罗方法的应用
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 模型建立与研究方法
• 2.1 Monte Carlo Potts 模型建立
• 2.1.1 模型建立
• 2.1.2 蒙特卡罗Metropolis 算法
• 2.1.3 Potts模型的算法描述
• 2.1.4 Potts模型改进
• 2.2 实验研究方法
• 2.2.1 样品制备
• 2.2.2 实验表征方法
• 2.3 本章小结
• 2表面能计算'>第3章 ZrB₂表面能计算
• 3.1 余氏理论基本假设
• 3.1.1 关于不连续状态杂化的假定
• 3.1.2 关于键的假定
• 3.2 间距差（BLD）法
• 3.3 EET单键能计算方法
• 2 表面能计算结果分析'>3.4 ZrB₂表面能计算结果分析
• 3.5 本章小结
• 2陶瓷烧结初期Monte Carlo 模拟'>第4章 ZrB₂陶瓷烧结初期Monte Carlo 模拟
• 4.1 两等大颗粒间的颈长模拟
• 4.1.1 温度参数对模拟结果的影响
• 4.1.2 不同判断依据的模拟结果
• 4.1.3 近邻对模拟结果的影响
• 4.2 两不等大颗粒间的颈长模拟
• 4.3 三等大颗粒的颈长模拟
• 4.4 本章小结
• 2陶瓷烧结实验研究'>第5章 ZrB₂陶瓷烧结实验研究
• 5.1 组织分析
• 5.1.1 原料分析
• 5.1.2 微观组织分析
• 5.2 颗粒收缩
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢