衝擊載荷下納米多孔銅材料的力學行為研究

《衝擊載荷下納米多孔銅材料的力學行為研究》是依託武漢大學，由雷燕擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：衝擊載荷下納米多孔銅材料的力學行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：雷燕
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

納米多孔材料是一種兼具納米功能和多孔結構雙重屬性的新型功能材料，探知其動態力學行為，尤其是衝擊載荷下的力學回響,對了解材料性能並開拓其套用前景有著重要意義。項目擬通過測試納米多孔金屬銅材料的準靜態壓縮和動態力學回響，分析其在Hopkinson壓桿、跌落測試及水射流沖蝕下的力學行為。並藉助建立納米尺度下的經受不同衝擊載荷的多孔材料動態分子動力學仿真模型，探討該類材料作為高效功能材料套用的可能性和優勢。揭示特徵尺寸、微結構形態、應變率等因素與力學行為的內在聯繫，考察其損傷演化及破壞機理，改進仿真模型，完善納米多孔材料的動態力學回響分析體系,摸索高壓水射流工藝參數對納米多孔金屬力學狀態的影響規律，以期為工業套用提供有價值的參考和建議。

結題摘要

納米多孔材料兼具納米材料和多孔結構雙重屬性，展現出許多新穎的物理、化學及力學性能，其巨大套用前景已得到共識。拓撲特徵，特別是孔隙大小以及孔隙分布的均勻性是決定納米多孔材料體現優異性能的關鍵因素。納米多孔金因其易合成、穩定、代表性強，而成為研究者們關注的重點對象。但隨著研究不斷深入，技術逐步成熟，本項目選擇更貼近工程實際套用、經濟性更高的銅介質，作為納米多孔材料的元素組成，即納米多孔銅。項目採用放電等離子無壓燒結納米銅、Al-Cu合金放電等離子燒結緻密材料去合金化和常規冶煉Al-Cu合金塊體材料去合金化三種技術路線來製備納米多孔銅。系統研究了燒結過程與去合金化各工藝參數對納米多孔銅成分、微結構及性能的影響規律與內在聯繫，最佳化了實驗方案並獲得最佳工藝參數。 國內外針對納米多孔金屬力學性能方面的研究已有報導，而鮮有所聞的是多孔金屬動態力學特性方面的工作。通過實驗製備的納米多孔金屬，很難測量其局部微觀力學性能和原位觀察局部材料變形行為。基於大量實驗和理論分析數據為基礎，數值模擬的研究方法能夠更生動地表征納米多孔材料力學性能。本項目工作主要通過有限差分法數值求解Cahn-Hilliard 方程獲得具有典型去合金法製備的、棱徑約5 nm 的單晶納米多孔銅模型，將模型套用於分子動力學軟體進行單向拉伸行為數值模擬，將材料的力學性能，例如楊氏模量，抗拉強度等參數提取並和經典Gibson 標度律進行比較，分析單晶納米多孔銅受力變形機理，為後續納米多晶多孔銅動態力學行為仿真模擬研究提供了借鑑。