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华南理工姚小虎教授团队研究成果助力碳化硅的动高压响应实验和模拟研究

时间:2021-01-04单位:土木与交通学院浏览量:20

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  12月31日,华南理工大学土木与交通学院姚小虎教授研究组在固体力学顶级期刊International Journal of Plasticity 在线发表论文“Rate dependence and anisotropy of SiC response to ramp and wave-free quasi-isentropic compression”。该研究工作基于大规模分子动力学模拟研究了斜波\准等熵压缩下碳化硅的材料响应,揭示并分析了碳化硅弹性、塑性和相变的各向异性和应变率影响规律,该工作为碳化硅的动高压响应实验和模拟研究提供了新的有益参考。

  陶瓷材料在国防军事和航空航天领域有重要应用,在装备向轻量化和高性能的发展中扮演重要的角色。碳化硅凭借低密度、高比强度、耐高温等优异的物理力学性质,在武器装甲、涂层和发动机涡轮叶片以及摩擦和电子器件中极具应用前景。其应用中存在高温高压和高应变率乃至强辐射等复杂恶劣条件,对极端条件下的物理和力学特性的研究受到重要关注。不同加载条件与微结构下纳米陶瓷的变形与破坏仍是当前基础科学的热点问题之一。

 图1 (a)斜波加载下[001]SiC的变形孪晶和相变演化,(b)在等效缩比下的各斜波粒子速度波剖面。

  针对高压下碳化硅的材料响应研究,尽管已知常温下立方晶体碳化硅在约100GPa左右时可发生闪锌矿结构向岩盐结构的转变。然而以往的实验缺乏有效的动态原位探测技术,不能对材料动态变形的动力学过程实时诊断,最近国际上利用先进的原位探测技术观察到激光冲击下立方碳化硅的高低压两相共存的现象,并指出相变的完成需在200GPa以上的高压条件。尽管如此,实验仍然无法有效地提供实时原位的完整相变动力学过程。

图2 不同应变率准等熵加载下[001]、[110]和[111]SiC晶向的纵向应力、剪应力和温度曲线

  超大规模的分子动力学模拟在揭示原子结构变化和微纳米尺度变形等方面具有独特优势,尤其适用极端加载下材料的动态物理力学问题的研究。基于此,该工作成功模拟研究了斜波/准等熵压缩下碳化硅晶体动高压材料响应,解释了碳化硅弹塑性转变和变形孪晶的晶向依赖性,获得了不同晶向加载和高宽应变率下碳化硅的应力应变和温度曲线,进一步采用多种后处理分析技术从原子尺度揭示了高压相变动力学过程受晶向和应变率的影响规律,并在微纳观尺度发现了与最新实验相符的高宽压力范围内不同相共存的现象,并对国际上最新实验结果做出重要补充,为后续的实验和模拟提供了新的参考。该工作也为极端服役条件下碳化硅物理力学性质的研究和相关材料与结构的设计提供理论指导。

图3 准等熵压缩下[001]SiC的变形演化。(a)应力和温度曲线,(b)晶格原子空间转角演化,(c)原子配位数演化。

  近年来,姚小虎教授课题组围绕极端加载下碳化硅的变形、损伤和破坏行为和机理开展研究,以李旺辉博士为主要负责人,相关研究成果已持续在固体力学和材料顶级期刊发表,在该研究领域产生了积极影响。

  此次发表的论文第一作者是李旺辉博士,通讯作者为姚小虎教授和李旺辉博士。华南理工大学作为第一研究单位也是唯一通讯单位,其他合作者包括华南理工张晓晴教授、美国加州大学圣地哥分校Eric Hahn博士、南加州大学Paulo Branicio助理教授和洛斯阿拉莫斯国家实验室Biao Feng博士和Tim German研究员。该系列研究工作受到国家自然科学基金杰出青年基金、面上项目基金、青年项目基金的支持和博士后创新人才支持计划项目等的支持。(图文/土木与交通学院)

  

附:作者与团队介绍

  华南理工大学姚小虎教授研究团队秉承“立足国家战略需求,聚焦前沿,开放包容“的研究思想,与国内外多家单位机构交流合作。国际上,与美国阿拉莫斯国家重点实验室、加州大学圣芭芭拉分校、普渡大学、南加州大学、德州农工大学联合开展多项研究工作,相关研究成果已在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《International Journal of Plasticity》、《Acta Materialia》、《Carbon》、《International Journal of Impact Engineering》等固体力学和材料领域顶级期刊上发表多篇论文。研究领域主要涉及非晶合金、高熵合金、碳化硅陶瓷、航空透明材料、聚合物软材料、碳纤维复合材料等在强动载下的变形、损伤和破坏机理。

  李旺辉,博士后助理研究员,2018年获华南理工大学固体力学博士学位,2019年入选人社部“博士后创新人才支持计划”。现主持国家自然科学基金青年项目,中央高校基本科研业务费-面上项目以及横向项目等。

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102923

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