压敏陶瓷材料压制过程的离散元模拟和实验研究

论文摘要

压敏陶瓷材料作为一种应用广泛的功能陶瓷,在人们的日常生活中起着非常重要的作用。压敏陶瓷材料性能的优劣不仅受材料本身的影响,而且受成型工艺条件的影响,由于成型工艺条件变化因素较多,采用实验的方法来进行工艺优化研究需要消耗大量的资源。本文提出使用数值模拟的办法来进行压敏陶瓷材料成型的研究,进行了不同工艺条件下压敏陶瓷粉体材料成型过程的离散元模拟以及实验研究,讨论了成型工艺对成型后坯体力学性能的影响因素,为成型实验提供一定的理论依据。本文各章节的主要研究工作如下:第一章总结了压敏陶瓷材料的特点及应用,阐述了陶瓷成型技术以及机理。通过文献调研,讨论了国内外关于陶瓷粉体材料成型工艺研究现状,以及使用模拟的方法进行成型的研究现状。提出使用离散元法来进行粉体材料成型的研究的优点,以及本文的研究意义;第二章介绍了离散元法的发展及相关理论,选择了适合于陶瓷粉体材料成型研究的离散元模型。介绍了基于离散元法的PFC软件相关理论,以及它的计算方法和假设;第三章引入相似性原理,建立起基于相似性原理的离散元模型,得到模型与原型之间参数的比值关系。对所建立的离散元模型进行参数的校核,详细的介绍了校核的方法和过程,最后得到ZnO和Bi2O3微观参数;第四章研究了不同的压制环境、压制方式以及不同尺寸模具情况下,压敏陶瓷材料成型的离散元模拟与实验研究。探讨了重力对成型后坯体的力学性能的影响,从机理上分析重力与微重力环境中成型坯体力学性能不同的因素,同时结合重力环境中的成型实验,验证模拟的正确性;单双向加压情况下,成型坯体的力学性能不同,从微观的情况下分析产生这种差别的原因,使用实验的方法进行单双向加压成型,得到压敏陶瓷片的压敏性能不同;选用不同尺寸的模具进行模压成型的模拟,得到成型坯体的力学性能有较大差别,分析了导致这种现象产生的原因。最后,对本文的研究工作进行了总结与展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 压敏陶瓷材料的主要用途和基本性质
• 1.3 陶瓷压制成型工艺
• 1.3.1 陶瓷材料压制方法
• 1.3.2 陶瓷材料压制机理
• 1.3.3 陶瓷材料压制成型工艺的国内外研究现状
• 1.3.4 粉体压制成型工艺计算机模拟的国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容和意义
• 第2章 离散元法及粉体材料的离散元模型
• 2.1 离散元法简介
• 2.1.1 离散单元法的基本理论
• 2.1.2 离散元力学模型以及基本定律
• 2.1.3 离散单元法计算循环
• 2.2 颗粒离散元法及PFC2D/PFC3D 软件
• 2.2.1 PFC2D/3D 软件
• 2.2.2 FC2D/PFC3D 的基本假设和接触本构关系
• 2.3 粉体材料的离散元模型
• 2.3.1 线弹性模型的基本假设
• 2.3.2 线弹性模型的参数和性能
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于相似性原理的粉体材料离散元模型的建立
• 3.1 结构缩尺模型的相似性原理
• 3.1.1 相似的概念及相似比
• 3.1.2 相似理论基本定理及体系
• 3.1.3 相似准则的导出方法
• 3.1.4 相似性原理在本缩尺模型中的应用
• 3.2 基于相似准则材料参数的校核
• 3.2.1 模型参数校核的方法和过程
• 3.2.2 参数校核过程中使用的实验仪器及实验过程
• 2O₃ 粉体材料离散元模型参数的校核'>3.2.3 Bi₂O₃粉体材料离散元模型参数的校核
• 3.2.4 ZnO 粉体材料离散元模型参数的校核
• 3.3 本章小结
• 第4章 几种工艺条件下压敏陶瓷材料压制成型的研究
• 4.1 不同环境条件对压敏材料压制成型影响的研究
• 4.1.1 微重力环境下压敏材料压制成型过程的离散元模拟
• 4.1.2 重力环境下压敏材料压制成型过程的离散元模拟
• 4.1.3 重力环境下压敏材料压制成型实验
• 4.1.4 重力对粉体材料成型过程影响机理分析
• 4.2 加压方式对压敏材料压制成型影响的研究
• 4.2.1 单向加压时压敏材料压制成型过程的离散元模拟
• 4.2.2 双向加压时压敏材料压制成型过程的离散元模拟
• 4.2.3 单双向加压条件下压敏粉体材料压制成型实验
• 4.2.4 加压方式对粉体材料成型过程影响的机理分析
• 4.3 压敏陶瓷材料在不同尺寸模具中压制成型的离散元模拟
• 4.3.1 不同尺寸模具中压敏陶瓷材料成型离散元模型的建立
• 4.3.2 不同尺寸模具中压敏陶瓷材料成型离散元模拟的结果及其分析
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录攻读硕士期间所发表的论文