【摘 要】
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微/纳米结构材料具有独特的微观结构特征和优异的力学性能,研究和表征微/纳米结构材料内部微结构特征对材料变形机制和宏观力学行为的影响,对于该类材料的应用及其在微纳米尺度
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微/纳米结构材料具有独特的微观结构特征和优异的力学性能,研究和表征微/纳米结构材料内部微结构特征对材料变形机制和宏观力学行为的影响,对于该类材料的应用及其在微纳米尺度上的进一步设计具有重要意义。为了从细、微观层次进一步探索材料的强度和破坏机理,研究材料微结构特征对宏观力学性能的影响的尺度效应规律,本文同时采用低阶应变梯度塑性理论和复合型内聚力界面模型对微/纳米结构材料的微结构特征和力学性能尺度效应进行了系统地研究。所取得的主要研究进展如下:
(一)研究了微/纳米晶多晶金属的微结构特征和变形机制,建立了具有规则晶粒形状的准三维多晶胞元计算模型。通过将低阶应变梯度塑性理论(CMSG)的有限元方法和复合型内聚力界面模型联合应用,对微/纳米多晶金属晶粒内部与晶界主导的变形模式的竞争关系,以及晶粒内部材料参数和晶界参数对微/纳米多晶金属材料总体力学行为(强度与延展性)的影响规律进行了系统地参数化表征。特别地,针对实际纳米多晶金属力学行为对各种晶界性能的依赖性,提炼出了刻画各种晶界性能的分离强度混合比和能量混合比两个重要参数并获得了其影响规律,结果表明两者均对纳米多晶金属的总体强度和延展性有重要影响。
(二)基于复合型内聚力界面模型的损伤定义,刻画了纳米多晶晶界的损伤演化;采用低阶应变梯度塑性描述了晶粒内部材料的尺度效应。系统地参数化表征了晶界性能参数对纳米多晶晶界的损伤演化及其对材料总体应力应变关系的影响规律。通过对晶界损伤演化的研究,清晰的展示了纳米多晶材料总体应力应变曲线的演变特征。
(三)作为复合型内聚力模型的一个应用特例——研究了当前普遍关注的锂离子电池电极的断裂失效问题。通过对锂离子电池的电极材料的微观结构组织特征的显微观察,结合充放电实验后的碎裂模式和数据分析,建立了二维平面应变和三维的锂离子电池电极的膜基体系模型。采用复合型内聚力界面模型研究和模拟了锂离子电池电极的碎裂与电极材料Si膜厚度的关系。结果表明,本文所建立的模型可以有效地表征锂离子电池电极的碎裂模式。
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