相對密度
關注創建者：南風CAE 創建時間：2020-10-23
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基于MSC.marc的粉末冷壓縮與熱等靜壓成形
粉末壓制工藝過程通常會采用MSC.Marc軟件進行分析，采用粉末體本構方程----Shima-Oyane屈服函數----分析粉末金屬流動規律和相對密度分布規律。粉末體塑性理論的中心是屈服準則，必須考慮粉末體在變形時的體積變化，流動應力，靜水壓力對粉末體屈服強度的影響。Shima-Oyane模型基于等效應力和等效應變增量關系的屈服準則，表達式為：
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simufact.forming研究的方法主要有三種：
1）從鑄造軟件（如procast）中讀取鑄造分析結果，結果中有一些孔洞、氣孔等缺陷的結果，在simufact中進行分析；
2）相對密度法：在simufact中通過定義相對密度，有間隙、孔洞的地方相對密度較小，孔洞間隙較少的地方相對密度較大，這樣對過成形后，相對密度分布，從而分析成形過程中孔洞、間隙等閉合情況；
3）簡化幾何模型，將幾何模型上劃分一些空洞，定義不同形狀，來進行直接的成形分析；
本文主要講述后兩種方法：
相對密度法：
建模過程與其它成形分析建模過程類似，不同之處在于為工件定義相對密度分布：內部相對密度0.8外部相對密度0.99，成線性分布；
初始相對密度分布：
成形后相對密度分布：
另外一種方法既是實際建出空洞模型，看成形過程孔洞的閉合情況，可以隨意建一些孔洞的形狀，這里建了三個孔洞，僅用于示例：（可以采用對稱模型，也可以采用全模型）
成形后孔洞形狀：
.
空洞閉合過程中，即發生網格的折疊重合，FE方法不容易收斂，建議使用有限體積法（FV)
展開 Simufact Additive針對金屬粘合劑噴射成形工藝，開發出了專業模塊，用于分析燒結后的變形、應力、相對密度等的分析，通過變形補償優化結構變形，很好解決該成形工藝的成形缺陷。
該模塊下的GUI視圖已經被簡化，保留了必要的操作命令和工具窗口；
燒結過程將作為第一階段，始終存在與過程選擇窗口；
燒結過程需要用戶輸入熱循環信息、初始相對密度、重力矢量方向；
粘合劑噴射成形模塊的仿真并不要求使用體素網格單元，該仿真依托于四面體網格或六面體網格，同時用戶可使用Simufact Additive的網格劃分工具進行四面體網格劃分，同樣，用戶也可將外部分網的四面體或六面體有限元網格導入到軟件中進行仿真。
該模塊內置了反變形迭代優化選項，通過大尺度收縮法對變形進行預測后，可再進行相應的反變形，從而得到理想的幾何形狀，該功能的使用方式與粉床熔融模塊的反變形優化功能相同。
通過設置變形目標，軟件自動迭代求解，最終可以將優化后的結構導出。
新增三項后處理結果，更有利于粘合劑噴射成形仿真后處理
相對密度（Relative density）
晶粒尺寸（Grain size）
燒結應力（Sinter stress）
相對密度結果
展開 收斂容差采用相對位移，設為0.1。
圖4 三維網格模型
⑵模擬結果分析。為了清晰直觀的查看TA15鈦合金熱等靜壓的成形過程，采用切片的方式對模擬結果進行分析；由于該零件為近似回轉體軸對稱結構，取其中一個切片的模擬過程進行分析。
1)相對密度變化情況。在熱等靜壓過程中，其不同時間段的相對密度變化情況如圖5所示。
圖5 相對密度變化情況
熱等靜壓3000s時，溫度和壓力均未達到設定的最大值，此時，局部密度已經開始發生變化，零件外形也隨著包套發生了一定的形變；6000s時，已達到熱等靜壓保溫保壓狀態，并持續了40min，可見此時零件大多位置的相對密度達到了0.98，而下方的兩個凸出部位相對密度僅為0.85；從10000s至14400s過程中，零件形狀持續發生改變，相對密度逐漸增加；結束時，零件整體相對密度基本達到0.98，局部位置的相對密度也在0.90以上，說明在這些局部位置不易致密，在后期模具設計和熱等靜壓工藝參數選取上需注意考慮。通過后期實際熱等靜壓工藝過程試驗可知，在那些局部不易致密的位置幾乎能獲得全致密，說明該包套結構經3h熱等靜壓處理后完全能獲得幾乎全致密零件，保證零件具有良好的力學性能。
2)相對位移變化情況。軸承座熱等靜壓過程中，其不同時間的相對位移變化情況如圖6、圖7所示。
展開 這次研究的電路基板材料是以微米Al2O3 和CaZrO3 為主要原料，采用硅碳棒電阻爐燒結制備而成，進而探究其相對密度、介電常數以及介電損耗性能。
相對密度分析
上圖是添加不同量微米Al2O3 和納米CaZrO3粉后對氧化鋁陶瓷集成電路基板材料相對密度的影響。由圖可知隨著溫度的升高，其基板材料的相對密度隨著升高，溫度達到1100 ℃達到最大值。當微米Al2O3 的添加量為60 wt%，納米ZrO2 的添加量為10 wt% 時，氧化鋁陶瓷集成電路基板材料的相對密度相對其它配方最大，此時樣品較致密，有利于氧化鋁陶瓷集成電路基板材料力學性能的提高
介電常數分析
上圖是基板材料的介電常數隨燒結溫度變化曲線。可看出隨著溫度升高，其介電常數隨之升高。當溫度達到1100 ℃時，介電常數達到最大值。當微米Al2O3 添加量從50 wt% 變化至65 wt%，納米CaZrO3 添加量從20 wt% 變化至5 wt% 時，氧化鋁集成電路基板材料的介電常數呈先增加后減少的趨勢。當微米Al2O3 含量為60 wt%，納米CaZrO3 含量為10 wt% 的時候，所制備的樣品性能最佳。這是因為影響介電常數的因素是多方面的，只要涉及配方組成中化學組成，當堿金屬離子氧化物的含量越多，其介電常數越大。另外，溫度升高過程中各離子和偶極子的熱運動會隨著加強，最終導致介電常數增加。
介質損耗分析
上圖是基板材料的介質損耗隨燒結溫度變化曲線。可得到隨著溫度的升高，介質損耗逐漸下降。
展開 圖四、分子動力學模擬
(a) 在電解液不含氧時，電解液離子相對密度的空間分布曲線；
(b) 在電解液含氧濃度為12mmol/cm3時，電解液離子相對密度的空間分布曲線；
(c) 充電條件下（+0.0083e/Ni-atom），在電解液含氧濃度為12mmol/cm3時，電解液離子相對密度的空間分布曲線；
(d) 在電解液不同含氧密度下，氫氧根離子相對密度在吸附層的變化曲線；
(e) 在不同充電條件下，氫氧根離子相對密度在吸附層的變化曲線。
【小結】
該項工作受到了國家重點研發計劃、國家杰出青年基金等項目的資助。在該工作中，研究人員通過原位伏安特性測試和分子動力學模擬，深刻揭示了電解液中含氧濃度對OER動力學過程的影響。測試表明，通過降低電解液的含氧濃度，實現了塔菲爾斜率20%的大幅度下降和相對于可逆氫電極1.344V的低起始電壓。此研究結果可以為催化系統設計提供有效的指導，同時，原位伏安特性測試技術為界面反應的本征監測提供了新思路。
文獻鏈接: Oxygen evolution reaction dynamics monitored by an individual nanosheet-based electronic circuit .
(Nature Communications 8, Article number: 645 (2017) doi: 10.1038/s41467-017-00778-z)
本文由麥立強教授課題組供稿，材料人新能源組Jane915126整理編輯。
內容來源：材料牛
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氮化硼在電子工程，冶金及激光技術中的應用11個月前
微溶于熱酸，不溶于冷水，相對密度2.29。壓縮強度為170MPa。在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃，而在非活性還原氣氛下可達2800℃，但在常溫下潤滑性能較差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更優。對于六方氮化硼：摩擦系數很低、高溫穩定性很好、耐熱震性很好、強度很高、導熱系數很高、膨脹系數較低、電阻率很大、耐腐蝕、可透微波或透紅外線。
一、氮化硼在電子工程應用
1.
面網格推薦尺寸如下：
? 內腔主要流域：10-15 mm
? 芯包流域：0.2-0.4 mm
? 出口管段流域：10-15 mm
圖2 迷宮式調節閥的面網格
體網格類型選擇多面體和邊界層的混合網格，邊界層的厚度由所需的Y+值確定，合適的Y+值要依據雷諾數及壁面處理方式來確定，在邊界層設置中，使用Y+計算器，輸入相對速度、密度、動力粘度和所需Y+值進行估算，就能獲得邊界層的第一層層高
所需的輸入參數包括：
?粘接完成后的生胚幾何模型
?根據需要調整支撐器結構并選擇類型（可變形或陶瓷）
?燒結曲線，如升溫速率、溫度和保持時間
?初始相對密度
?摩擦系數
?相關材料特性，如粘度、表面能或收縮率、晶粒尺寸（如果未包含在庫中）
在ExOne，工程師可以基于MBJ的仿真結果可靠地交付各種金屬的最終零件，其密度高達97%以上，第一次制造時的尺寸精度為1-2.5%
3.能夠在一定程度上緩解局地的用電緊張狀況
但是，分布式光伏發電的能量密度相對較低，每平方米分布式光伏發電系統的功率僅約100瓦，再加上適合安裝光伏組件的建筑屋頂面積有限，不能從根本上解決用電緊張問題。
4.可以發電用電并存
大型地面電站發電是升壓接入輸電網，僅作為發電電站而運行；而分布式光伏發電是接入配電網，發電用電并存，且要求盡可能地就地消納。
仿真計算還需設置材料密度、相對介電常數、恒壓熱容以及導熱系數等參數，為了計算結果的準確性，以上參數均從相關資料以現有實驗數據中獲得，如圖3所示。
圖2. 計算模型
圖3. 材料參數設置
3 物理場邊界條件
電場和熱場仿真需要設置相應的邊界條件，其中電場需要設置高壓和接地邊界，熱場設置環境溫度和散熱邊界，電場和熱場之間的耦合關系為電磁熱。
三、能夠在一定程度上緩解局地的用電緊張狀況
但是，分布式光伏發電的能量密度相對較低，每平方米分布式光伏發電系統的功率僅約100瓦，再加上適合安裝光伏組件的建筑屋頂面積有限，不能從根本上解決用電緊張問題。
四、可以發電用電并存
大型地面電站發電是升壓接入輸電網，僅作為發電電站而運行；而分布式光伏發電是接入配電網，發電用電并存，且要求盡可能地就地消納。
另一方面，較低的熔膠溫度，將影響氣體在輸出及塑化的過程中，不易與熔膠進行混合，因此所得之氣泡密度相對較低。由數據顯示，黏度因子與氣泡密度在熔膠溫度的變化中，呈現正相關性。在抗彎測試之強度比較中，氣泡密度增加，抵抗彎曲的能力下降，所以在較高的熔膠溫度設定下，其抗彎強度有下降之趨勢。
3 優化分析
3.1 拓撲優化分析
按照上述拓撲優化的技術路線采用Optistruct軟件，對壓縮機支架進行優化，優化出壓縮機支架上有限元網格上每個單元的最佳相對密度分布。工程上，常采用0.3的相對密度閾值，即相對密度小于0.3的單元密度屬于冗余，予以去除，最終優化結果如下圖6所示：
壓縮機支架中間部位的單元密度小于0.3，對于壓縮機一階模態的提升貢獻偏小，予以去除。
本文以其相對密度為設計變量，體積和柔度為響應變量，以體積為約束，柔度最小為目標尋找材料的最佳分布，其數學模型如公式（1）所示；然后，建立輪轂的各個工況。當所有步驟檢查完畢無誤后，運行Optistruct，開始優化。經過多次迭代計算，分別得到7、8、9個輪輻的輪轂材料分布模型，如圖8~10所示。
研究發現 1400 ℃氮化 2 h 后， 兩種助劑體系都完全氮化, 但經過高溫重燒結后，Eu2O3-MgO-Y2O3 助劑體系會抑制致密化，而 ZrO2-MgO-Y2O3 助劑體系經過 1835 ℃無壓燒結 4 h 后促進了致密化，相對密度達99.5%，熱導率達66.5 W·m-1K-1，表明同時使用氮化催化劑和燒結助劑可以低成本制備 Si3N4 陶瓷。
