陶瓷烧结过程微观结构演化的蒙特卡罗模拟

论文摘要

陶瓷材料所具有的特殊性能,可以满足现代科学技术发展的需要,在航天、建筑、机械、电子等领域中得到了广泛的应用。而陶瓷的性能与微观结构密切相关,所以研究陶瓷烧结过程中的微观结构演化至关重要。传统研究陶瓷微观结构演化的方法集中在理论和试验,随着计算技术的发展,计算机模拟已经成为另一种重要的研究手段。计算机模拟方法多种多样,由于Monte Carlo方法没有迭代计算,计算量相对小,模拟时间短,在模拟陶瓷微观组织演变中得到广泛应用。本论文以经典Monte Carlo方法为基础,从晶粒生长概率、晶粒取向数的选择方法、晶粒和气孔的生长速度控制等方面,改进了Monte Carlo方法。开发了陶瓷烧结微观结构演化模拟程序,该程序可以在不同的物性参数、工艺参数及规模参数下模拟陶瓷烧结过程的微观演化,并可以获得任意时间下的晶粒形貌、晶粒尺寸,气孔率。通过该模拟程序,模拟了在不同烧结温度、烧结时间条件下陶瓷微观结构演化过程。并通对纳米α-Al2O3陶瓷在不同温度、不同时间条件下的烧结试验,比较了模拟与试验的结果。主要结论如下:1.改进后的Monte Carlo方法,能够较好模拟陶瓷烧结过程微观结构演化;模拟准确度、模拟速度得到较大的提高。2.模拟结果表明,随着模拟温度的升高以及模拟时间的延长,陶瓷的晶粒尺寸不断长大,气孔率不断降低,这与理论分析相一致。3.在单相陶瓷和双相陶瓷烧结模拟中,对模拟后的晶粒尺寸进行拟合计算,得到晶粒生长指数在1573K时分别为2.03和3.12。这与单相物质的晶粒生长指数2,二相物质的晶粒生长指数3,基本吻合。说明本论文模拟程序的模拟结果,与理论情况有着较好的一致性。4.通过与Al2O3烧结试验的比较,发现模拟与试验中的晶粒尺寸和气孔率相吻合,改进后的模拟程序模拟效果较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 传统陶瓷与先进陶瓷
• 1.1.1 传统陶瓷
• 1.1.2 先进陶瓷
• 1.1.3 先进陶瓷的分类
• 1.1.4 先进陶瓷的应用
• 1.2 陶瓷微观结构的研究
• 1.2.1 晶相对陶瓷性能的影响
• 1.2.2 气孔相对陶瓷性能的影响
• 1.2.3 陶瓷微观结构的计算机模拟
• 1.3 蒙特卡罗方法
• 1.3.1 古代的蒙特卡罗方法
• 1.3.2 现代的蒙特卡罗方法
• 1.3.3 蒙特卡罗方法的基本思想和步骤
• 1.3.4 随机数与伪随机数
• 1.4 蒙特卡罗方法在材料领域的发展和应用
• 1.4.1 凝固过程再结晶的蒙特卡罗法模拟
• 1.4.2 铸造凝固过程的蒙特卡罗法模拟
• 1.4.3 固态相变的蒙特卡罗法模拟
• 1.4.4 陶瓷烧结过程中的蒙特卡罗法模拟
• 1.5 选题的意义及研究内容
• 1.5.1 选题意义
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 模型改进及模拟系统
• 2.1 系统的初始化与离散化
• 2.1.1 网格的选择
• 2.1.2 微观组织的离散化
• 2.2 晶粒生长的跃迁概率
• 2.2.1 经典的晶粒跃迁概率
• 2.2.2 改进的晶粒跃迁概率
• 2.3 格点和晶粒取向数的选择
• 2.3.1 经典格点和晶粒取向数的选择
• 2.3.2 改进后的格点和晶粒取向数的选择
• 2.4 晶粒生长速度和气孔扩散速度的控制
• 2.5 周期性边界条件
• 2.6 改进后的完整模拟流程
• 2.7 改进后的模拟流程图
• 2.8 模拟程序开发技术
• 2.8.1 C++语言
• 2.8.2 Visual Studio
• 2.8.3 面向对象的编程
• 2.8.4 OpenGL
• 2.9 模拟系统结构
• 2.10 模拟系统类
• 2.10.1 MFC
• 2.10.2 晶粒类（Grain）
• 2.10.3 邻居类（Neighbor）
• 2.10.4 系统主要全局变量
• 2.10.5 系统初始化参数
• 2.11 模拟软件界面
• 2.12 晶粒生长模拟系统
• 第三章 单相陶瓷烧结过程模拟
• 3.1 烧结温度对晶粒尺寸的影响
• 3.2 晶粒生长指数
• 3.2.1 晶粒生长动力学
• 3.2.2 Hillert 指数
• 3.3 烧结时间对晶粒尺寸的影响
• 第四章 双相陶瓷烧结过程模拟与试验比较
• 4.1 烧结温度对陶瓷微观结构的影响
• 4.2 Hillert 指数
• 4.3 烧结时间对陶瓷微观结构的影响
• 4.4 模拟与试验的比较
• 4.4.1 试验材料
• 4.4.2 试验方法
• 4.4.3 试验结果
• 4.4.4 烧结时间的比较
• 4.4.5 烧结温度的比较
• 第五章 结论与设想
• 5.1 结论
• 5.2 设想
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文