玻璃材料超高靜水壓壓密過(guò)程的力學(xué)機(jī)理研究

玻璃材料在高壓狀態(tài)下的變形行為是國(guó)際的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，吸引了力學(xué)界、物理界科學(xué)家的極大興趣，涉及到非線性力學(xué)、高壓物理、非晶物理、應(yīng)用物理、地球物理等學(xué)科。永久的壓密行為是超高靜水壓最基本的特征。通過(guò)分析多種玻璃材料的高壓變形行為，我們建立了一個(gè)本構(gòu)模型來(lái)反映其變形機(jī)理。模型假設(shè)是在純靜水壓狀態(tài)下，剪切力可忽略時(shí)，引入新的屈服準(zhǔn)則和流動(dòng)規(guī)律來(lái)描述其壓密行為。該過(guò)程包含三個(gè)階段，即線彈性階段，壓密過(guò)程及飽和密實(shí)階段。內(nèi)置超高凈水壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和外置凈水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)都引入到我們的模型。我們通過(guò)Abaqus和Sidolo來(lái)模擬大體積變形條件下玻璃的變形行為，并結(jié)合優(yōu)化分析，獲得了具有物理意義的參數(shù)，即臨界壓力、飽和壓密值、飽和壓密時(shí)壓力等。數(shù)值模擬結(jié)果與我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了很好的對(duì)應(yīng)。這將有助于我們理解玻璃材料超高凈水下的壓密行為，同時(shí)我們還可以預(yù)測(cè)材料本征性能的變化，比如泊松比、剪切模量、彈性模量等的改變。因此，可以通過(guò)我們的模型去分析玻璃材料在復(fù)雜環(huán)境下的變形行為。此外，我們發(fā)現(xiàn)材料致密化的過(guò)程中，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)也同時(shí)發(fā)生了變化。比如二氧化硅玻璃，它初始是正四面體金字塔結(jié)構(gòu)，隨著壓力的增加內(nèi)部五面體結(jié)構(gòu)、六面體結(jié)構(gòu)就逐步產(chǎn)生了。當(dāng)壓密飽和時(shí)，材料的四面體結(jié)構(gòu)保持了穩(wěn)定。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)不同玻璃材料內(nèi)部致密度的飽和值不一樣是源自于其初始微觀結(jié)構(gòu)不同?？傊?，我們的研究希望能幫助更多人理解更多材料在超高壓力作用的變形行為。 2100433B

玻璃壓密現(xiàn)象在凝聚態(tài)物理和固體力學(xué)方向是一個(gè)非常重要的科研問(wèn)題，但至今尚未被完全理解。近年來(lái)，Science、Physical Review Letters (PRL)等權(quán)威雜志報(bào)道了二氧化硅玻璃（Rouxel et al.， PRL 2008，Sato et al., PRL 2008, Nature Communication 2011），金屬玻璃( Zeng et al., PRL 2010，Science 2011) 等在超高壓下的變形特征和力學(xué)性能。二氧化硅玻璃在完全致密的情況下，密度可以增加達(dá)到20%，二氧化硅窗戶玻璃密度增加6-7%，而金屬玻璃的密度僅增加1-2%。由于玻璃的脆性和超高靜水壓實(shí)驗(yàn)的難度大，我們擬建立一個(gè)基于體積大變形的彈塑性本構(gòu)方程來(lái)模擬玻璃材料的高壓變形行為，理解玻璃材料的高壓壓密變形的力學(xué)機(jī)理，并進(jìn)一步闡釋其壓密特征與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。

《玻璃材料破壞過(guò)程的數(shù)值模擬與分析》利用斷裂力學(xué)的研究方法，借助于統(tǒng)計(jì)學(xué)和現(xiàn)有的數(shù)值計(jì)算方法，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)來(lái)建立數(shù)值模型，進(jìn)行了玻璃材料雙向應(yīng)力狀態(tài)下斷裂失效過(guò)程的數(shù)值模擬。研究目的即是要搞清玻璃材料在雙向應(yīng)力下的斷裂和裂紋擴(kuò)展究竟受不受平行于裂紋的應(yīng)力影響。如受到平行于裂紋的應(yīng)力影響，應(yīng)變能釋放率G、應(yīng)力強(qiáng)度因子K、J積分和裂紋張開(kāi)位移δ四個(gè)斷裂參數(shù)在單軸應(yīng)力下的等效關(guān)系在雙軸應(yīng)力下是否還成立"_blank" href="/item/脆性材料/5329116" data-lemmaid="5329116">脆性材料在雙軸應(yīng)力狀態(tài)下的裂紋擴(kuò)展由什么參數(shù)決定"sup--normal" data-sup="1" data-ctrmap=":1,"> [1]

全書(shū)共分6章，　內(nèi)容包括對(duì)玻璃材料在雙向應(yīng)力和單向應(yīng)力下裂紋驅(qū)動(dòng)力參數(shù)的關(guān)系和差異進(jìn)行了數(shù)值模擬及理論研究，得出在雙向載荷下，傳統(tǒng)的K-G-J-δ等效關(guān)系不再成立的結(jié)論。證明了其中的兩個(gè)參數(shù)G和δ與雙向應(yīng)力有關(guān)，　而另外兩個(gè)參數(shù)K和J與雙向應(yīng)力無(wú)關(guān)；裂紋張開(kāi)位移δ更適宜作為處于雙向應(yīng)力狀態(tài)下材料斷裂的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。完成了玻璃材料在單向及雙向平面應(yīng)力狀態(tài)下的阻力特性研究，并與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了較好的一致，表明了數(shù)值計(jì)算的可靠性。直接觀察和演示了玻璃材料的失效全過(guò)程及裂紋的啟裂、失穩(wěn)擴(kuò)展全過(guò)程，解決了玻璃材料在雙向應(yīng)力下的斷裂和裂紋擴(kuò)展究竟受不受平行于裂紋的應(yīng)力影響，及如何影響等問(wèn)題；進(jìn)一步研究了在雙向應(yīng)力比λ不同時(shí)，玻璃材料斷裂力學(xué)參數(shù)應(yīng)力強(qiáng)度因子Kic及裂紋張開(kāi)位移δ的變化規(guī)律，進(jìn)一步證明了雙向應(yīng)力對(duì)玻璃斷裂及裂紋擴(kuò)展的影響，也進(jìn)一步驗(yàn)證了玻璃類脆性材料在雙軸應(yīng)力下的斷裂是由裂紋張開(kāi)位移δ決定的；對(duì)單向拉伸下含不同傾斜角度裂紋玻璃材料失效情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了含不同裂紋角傾斜直通裂紋的玻璃材料試樣在單向拉伸下的復(fù)合應(yīng)力效應(yīng)。證明了在這種情況下裂紋尖端存在的三種類型應(yīng)力：KI、KII及平行應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展有不同的作用；研究了玻璃材料的慢裂紋擴(kuò)展和擴(kuò)展速度所受雙向應(yīng)力的影響，并討論這種影響的機(jī)理和作用。通過(guò)聲發(fā)射特性的數(shù)值模擬得到玻璃類脆性材料在單向及雙向應(yīng)力狀態(tài)下的亞臨界裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度一荷載步曲線，得出平行干裂紋的拉應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展有一定程度的阻礙作用，而平行于裂紋的壓應(yīng)力對(duì)裂紋有驅(qū)動(dòng)效果的結(jié)論。在上述研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用研究結(jié)果驗(yàn)證了玻璃材料在雙軸應(yīng)力下應(yīng)用應(yīng)變斷裂準(zhǔn)則的可行性。2100433B

超高壓壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍也是比較廣泛的 , 如很早就用來(lái)壓縮氫氣 、氮?dú)?。 近年來(lái)隨石 科學(xué)技 術(shù) 的不斷 發(fā)展 , 尖端技術(shù)的不 斷涌現(xiàn) , 國(guó)防 工業(yè) 的迅 速發(fā)展 , 化學(xué)工業(yè)中高速度發(fā)展起來(lái)的高分子合成工業(yè)的形成 , 特別是近年來(lái)高壓法聚乙烯的出現(xiàn)和發(fā)展 , 給超高壓壓縮機(jī)的應(yīng)用開(kāi)辟了更為廣闊的前景?，F(xiàn)代，就世界范圍看超高壓壓縮機(jī)主要應(yīng)用于高壓法聚乙烯的生產(chǎn) 。

中低壓法聚乙烯由于觸媒制造復(fù)雜 ，熔劑回收量大 ，產(chǎn) 品中含有難以完全除去的觸媒殘留雜質(zhì)。 這樣就大大影 響 了產(chǎn) 品 的 性育 。 超高壓法聚乙烯就完全可以消除上述缺陷 , 同時(shí)其技術(shù)操作比中低壓法簡(jiǎn)單 , 設(shè) 備

能 力也比較大 , 成本費(fèi)用比低壓法低40% 左右。同時(shí)從性能上看 ，高壓法聚乙烯的密度低 , 機(jī)械性能好，彈性大等等 。

綜 上所述 , 高壓法聚乙烯 是大有發(fā)展前途的。產(chǎn)長(zhǎng)產(chǎn)此種聚乙 烯所應(yīng)用的超高壓壓縮機(jī)是其整套設(shè)備中最關(guān)鍵的設(shè) 備。乙烯氣 體通過(guò) 超高 壓壓 縮機(jī)的壓縮達(dá)到所需合成壓 力而起聚合作用 ， 從而制成聚乙烯 。 由于聚 乙烯的迅速發(fā)展，極大地促進(jìn)了超高壓壓縮機(jī)的必須相應(yīng)發(fā)展 。

超高壓壓縮機(jī)（EHV compressor）是排氣壓力大于100 MPa的壓縮機(jī)。主要用于高壓法聚乙烯的生中，常作為增壓壓縮機(jī)。由于聚合反應(yīng)率只有10%-30%，超高壓壓縮機(jī)所處理的氣量比高壓壓縮機(jī)的工作壓力大3一4倍左右。超高壓壓縮機(jī)有臥式、立式等類型。由于趨向大型化，為了能抵消一部分作用在活塞的活塞力，大都設(shè)計(jì)成氣缸中心在一直線上的對(duì)置型結(jié)構(gòu)。