ZrB2陶瓷烧结初期蒙特卡罗模拟

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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。
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