基于纳米压痕试验及有限元模拟研究沸石分子筛的蠕变性能

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沸石分子筛作为催化剂和吸附剂在化工、农业、轻工业、环境等各领域中的应用变得越来越广泛。在制作和使用的过程中,沸石分子筛时时刻刻受到力的作用,从而会导致晶体结构的改变或破坏,影响了其作为催化剂和吸附剂的使用效果。因此为了更有效的利用沸石分子筛,系统地研究它们的力学性能具有极其重要的意义。 沸石分子筛单晶体的尺寸在微米量级,利用传统的试验装置无法测得其力学性能。利用现有的研究成果,树学锋等人对沸石分子筛SOD、FER、ANA单晶体进行了纳米压痕测试,得到了三种沸石分子筛的弹性性能,并基于双线性材料模型假定,利用ANSYS有限元软件对沸石分子筛单晶体的纳米压痕试验进行了数值模拟,得到了三种沸石分子筛的双线性本构关系。本文以他们的工作为基础研究上述三种沸石分子筛的蠕变性能。 对稳态阶段的蠕变曲线采用威特曼-多恩(Weertman-Dorn)方程进行描述,求得了三种沸石分子筛的蠕变应力指数。考虑到ANSYS有限元软件可以结合材料的双线性模型模拟蠕变,因此基于材料的隐式二期蠕变模型假定,用ANSYS有限元程序模拟了三种沸石分子筛单晶体纳米压痕试验的过程。通过对三种沸石分子筛蠕变本构方程的常系数项C不断的调整,模拟结果与试验结果取得了较好的吻合,从而确定了三种沸石分子筛的蠕变本构方程。 为了考察影响纳米压入测试的因素,本文以方沸石ANA为例,考察了压头尖端半径、摩擦、压深对其纳米压痕试验模拟结果的影响。通过模拟表明:压头尖端半径小于等于150nm时对模拟结果无影响;摩擦对加、卸载后的应力分布有很大的影响;压深对硬度无影响。
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