[发明专利]一种碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的数值模拟方法有效

专利信息
申请号: 201710368606.4 申请日: 2017-05-23
公开(公告)号: CN107315853B 公开(公告)日: 2020-08-14
发明(设计)人: 黄健;黄政仁;陈忠明;刘岩 申请(专利权)人: 中国科学院上海硅酸盐研究所
主分类号: G06F30/23 分类号: G06F30/23;G06F111/10;G06F119/18
代理公司: 上海瀚桥专利代理事务所(普通合伙) 31261 代理人: 曹芳玲;姚佳雯
地址: 200050 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 碳化硅 陶瓷 常压 烧结 过程 数值 模拟 方法
【说明书】:

发明提供了一种碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的数值模拟方法,包括以下步骤:(1)建立碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的热粘弹性本构模型;(2)建立有限元分析模型;(3)定义烧结蠕变本构方程;(4)进行瞬态热结构耦合非线性仿真分析,获得碳化硅陶瓷产品上的温度场分布以及致密化收缩量;(5)通过与实时观测炉测得的试验数据对比,验证所述热粘弹性本构模型及有限元分析模型的正确性。本发明解决了目前碳化硅陶瓷常压固相烧结过程中无法实时测量陶瓷产品上的变形及温度分布状态,并且针对不同尺寸及结构形式的碳化硅陶瓷产品不能准确制定有针对性的烧结工艺参数和工艺措施的技术问题。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料烧结制备技术领域,具体涉及一种碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的数值模拟方法。

背景技术

烧结是陶瓷制备过程中一个及其重要的工艺环节,烧结工艺的优劣直接影响陶瓷产品的质量和最终性能。在碳化硅陶瓷产品常压固相烧结致密化过程中,零件收缩率较大是影响陶瓷制品质量的主要原因。虽然针对碳化硅陶瓷的常压固相烧结已经进行了大量的实验研究,但由于烧结过程是一个非常复杂的过程,在高温烧结过程中不可能实时检测产品上的温度分布及变形状态等参数。同时,针对不同尺寸和结构形式的碳化硅陶瓷产品,其烧结参数也需进行相应的调整优化,必要时需采取一些有针对性的工艺措施来保证良好的烧结质量。但传统的烧结方案制定方法只能凭借以往的试验结果,以及其他产品烧结经验来制定烧结工艺,无法对不同尺寸及结构形式的碳化硅陶瓷产品制定出有针对性的、专属的烧结工艺。一旦工艺制定不合理,产品存在烧结质量缺陷,只能在烧结完成后才能发现,然后再实施改进措施,重新再进行烧结。这就必然导致了研制周期长,生产成本高,费时费力等诸多问题。

发明内容

鉴于以上所述,本发明为了解决目前碳化硅陶瓷常压固相烧结过程中无法实时测量陶瓷产品上的变形及温度分布状态,并且针对不同尺寸及结构形式的碳化硅陶瓷产品不能准确制定有针对性的烧结工艺参数和工艺措施的技术问题,提供了一种碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的数值模拟方法。

为解决上述技术问题,本发明的一种碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的数值模拟方法,包括以下步骤:

(1)建立碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的热粘弹性本构模型;

(2)建立有限元分析模型;

(3)定义烧结蠕变本构方程;

(4)进行瞬态热结构耦合非线性仿真分析,获得碳化硅陶瓷产品上的温度场分布以及致密化收缩量;

(5)通过与实时观测炉测得的试验数据对比,验证所述热粘弹性本构模型及有限元分析模型的正确性。

根据本发明,提出了适用于模拟碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的热粘弹性本构模型,利用有限元热结构耦合数值模拟方法获得碳化硅陶瓷产品在常压固相烧结过程中的实时温度分布及致密化收缩量的详细信息,直接对产品烧结过程中的状态变化进行判定。并通过与实时观测炉测得的试验数据对比,验证了热粘弹性本构模型及有限元分析模型的正确性。从而在烧结前实现了烧结质量预判及工艺参数优化,以保证最终获得满足质量要求的碳化硅陶瓷烧结产品。与传统方法相比,具有工程实用性强、成本低、效率高的优点。

优选地,本发明中,所述步骤(1)包括:

利用烧结的唯象模型结合碳化硅陶瓷常压固相烧结致密化过程中表现出的粘弹性特性,对于三轴应力状态下并存在热变形的情况,同时考虑弹性应变率、热应变率、和蠕变应变率,建立描述碳化硅陶瓷常压固相烧结过程的热粘弹性本构模型为:

将公式(1)转换为胡克定律的速率形式为:

其中D为弹性刚度矩阵,为弹性应变率,为总应变率,为热应变率,为蠕变应变率;

热应变率的表达式如下:

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