冷冻铸造微观结构演化建模

adem201700343

珍珠母和骨骼等生物结构材料拥有优异的机械性能,这是因为该类材料从自然界演化而成的微观结构。所有模仿大自然的仿真设计、组装原理、以及制造方法中,冷冻铸造法是一种新颖且非常有潜力的制造方法,该方法能够控制并产生特定微结构的仿生材料。

冷冻铸造法利用溶剂的凝固行为形成可控制的多孔陶瓷、金属或聚合物微结构。透过冷冻胶体悬浮液,冰晶体在浆料一侧沿着温度梯度凝固结冻。当悬浮颗粒在浆液中生长时,冰晶能够重新分配悬浮颗粒,有效地形成所需的多孔微结构。

文章发展了一套冷冻胶体悬浮液的相场法模型。在胶体颗粒可以由浓度场表示的假设下,此模型含括了质量守恒条件、吉布斯-汤姆逊条件及颗粒分离现象。同时,此相场法模型使我们能够在结冻凝固过程中追踪不断变化的界面,并预测冷冻铸造法中常见的树枝状和层状微观结构。

文章的模拟结果不仅与实验测量一致,而且能够探索不同制程变量对微观结构演化形态的影响。未来期待能与microCT所量测的3D冰晶成长做进一步比对,发展更有效的冷冻铸造法,设计与制造下世代仿生结构材料。

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