[發(fā)明專利]一種碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程的數(shù)值模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710368606.4
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號(hào): CN107315853B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃健;黃政仁;陳忠明;劉巖
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F111/10;G06F119/18
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;姚佳雯

本發(fā)明提供了一種碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：（1）建立碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程的熱粘彈性本構(gòu)模型；（2）建立有限元分析模型；（3）定義燒結(jié)蠕變本構(gòu)方程；（4）進(jìn)行瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合非線性仿真分析，獲得碳化硅陶瓷產(chǎn)品上的溫度場分布以及致密化收縮量；（5）通過與實(shí)時(shí)觀測爐測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證所述熱粘彈性本構(gòu)模型及有限元分析模型的正確性。本發(fā)明解決了目前碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程中無法實(shí)時(shí)測量陶瓷產(chǎn)品上的變形及溫度分布狀態(tài)，并且針對(duì)不同尺寸及結(jié)構(gòu)形式的碳化硅陶瓷產(chǎn)品不能準(zhǔn)確制定有針對(duì)性的燒結(jié)工藝參數(shù)和工藝措施的技術(shù)問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及陶瓷材料燒結(jié)制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程的數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)

燒結(jié)是陶瓷制備過程中一個(gè)及其重要的工藝環(huán)節(jié)，燒結(jié)工藝的優(yōu)劣直接影響陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量和最終性能。在碳化硅陶瓷產(chǎn)品常壓固相燒結(jié)致密化過程中，零件收縮率較大是影響陶瓷制品質(zhì)量的主要原因。雖然針對(duì)碳化硅陶瓷的常壓固相燒結(jié)已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但由于燒結(jié)過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，在高溫?zé)Y(jié)過程中不可能實(shí)時(shí)檢測產(chǎn)品上的溫度分布及變形狀態(tài)等參數(shù)。同時(shí)，針對(duì)不同尺寸和結(jié)構(gòu)形式的碳化硅陶瓷產(chǎn)品，其燒結(jié)參數(shù)也需進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化，必要時(shí)需采取一些有針對(duì)性的工藝措施來保證良好的燒結(jié)質(zhì)量。但傳統(tǒng)的燒結(jié)方案制定方法只能憑借以往的試驗(yàn)結(jié)果，以及其他產(chǎn)品燒結(jié)經(jīng)驗(yàn)來制定燒結(jié)工藝，無法對(duì)不同尺寸及結(jié)構(gòu)形式的碳化硅陶瓷產(chǎn)品制定出有針對(duì)性的、專屬的燒結(jié)工藝。一旦工藝制定不合理，產(chǎn)品存在燒結(jié)質(zhì)量缺陷，只能在燒結(jié)完成后才能發(fā)現(xiàn)，然后再實(shí)施改進(jìn)措施，重新再進(jìn)行燒結(jié)。這就必然導(dǎo)致了研制周期長，生產(chǎn)成本高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力等諸多問題。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述，本發(fā)明為了解決目前碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程中無法實(shí)時(shí)測量陶瓷產(chǎn)品上的變形及溫度分布狀態(tài)，并且針對(duì)不同尺寸及結(jié)構(gòu)形式的碳化硅陶瓷產(chǎn)品不能準(zhǔn)確制定有針對(duì)性的燒結(jié)工藝參數(shù)和工藝措施的技術(shù)問題，提供了一種碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程的數(shù)值模擬方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

(1)建立碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程的熱粘彈性本構(gòu)模型；

(2)建立有限元分析模型；

(3)定義燒結(jié)蠕變本構(gòu)方程；

(4)進(jìn)行瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合非線性仿真分析，獲得碳化硅陶瓷產(chǎn)品上的溫度場分布以及致密化收縮量；

(5)通過與實(shí)時(shí)觀測爐測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證所述熱粘彈性本構(gòu)模型及有限元分析模型的正確性。

根據(jù)本發(fā)明，提出了適用于模擬碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程的熱粘彈性本構(gòu)模型，利用有限元熱結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模擬方法獲得碳化硅陶瓷產(chǎn)品在常壓固相燒結(jié)過程中的實(shí)時(shí)溫度分布及致密化收縮量的詳細(xì)信息，直接對(duì)產(chǎn)品燒結(jié)過程中的狀態(tài)變化進(jìn)行判定。并通過與實(shí)時(shí)觀測爐測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了熱粘彈性本構(gòu)模型及有限元分析模型的正確性。從而在燒結(jié)前實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)質(zhì)量預(yù)判及工藝參數(shù)優(yōu)化，以保證最終獲得滿足質(zhì)量要求的碳化硅陶瓷燒結(jié)產(chǎn)品。與傳統(tǒng)方法相比，具有工程實(shí)用性強(qiáng)、成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)選地，本發(fā)明中，所述步驟(1)包括：

利用燒結(jié)的唯象模型結(jié)合碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)致密化過程中表現(xiàn)出的粘彈性特性，對(duì)于三軸應(yīng)力狀態(tài)下并存在熱變形的情況，同時(shí)考慮彈性應(yīng)變率、熱應(yīng)變率、和蠕變應(yīng)變率，建立描述碳化硅陶瓷常壓固相燒結(jié)過程的熱粘彈性本構(gòu)模型為：

將公式(1)轉(zhuǎn)換為胡克定律的速率形式為：

其中D為彈性剛度矩陣，為彈性應(yīng)變率，為總應(yīng)變率，為熱應(yīng)變率，為蠕變應(yīng)變率；

熱應(yīng)變率的表達(dá)式如下：