[发明专利]复杂多相体系陶瓷型核燃料的致密化烧结过程的模拟方法

权利要求书

1.一种复杂多相体系陶瓷型核燃料的致密化烧结过程的模拟方法，其特征在于，包括：

S1：通过第一性原理与实验的方法获取需要的材料物性参数，其中材料物性参数包括材料晶界能、表面能、晶界扩散率、表面扩散率和晶格扩散率；

S2：根据步骤S1获取的材料物性参数，考虑晶粒、颗粒和气孔三相共存相互作用，采用相场变量进行多相耦合，构建含第二相颗粒多晶多相烧结体系的总自由能函数，总自由能函数包括局部自由能密度函数与界面梯度自由能；推导一维无限半双晶体系与一维无限半单晶体系的系统自由能，通过相场变量平衡解的方法确定材料物性参数与自由能参数的关系式；再根据质量守恒，建立浓度场演化Cahn-Hilliard方程、取向场演化Allen-Cahn方程描述晶粒、第二相颗粒与气孔的相互作用；

S3：根据步骤S2构建的一组演化方程，考虑多晶多相烧结过程中晶粒平移旋转的刚体运动，引入描述粒子刚体运动的平流通量项，得到修正的演化方程，修正的演化方程与步骤S2构建的总自由能函数形成了多晶多相相场模型；烧结过程中，描述粒子刚体运动的平流通量项由平移和转动两部分组成；为了便于计算机模拟计算，对多晶多相相场模型的变量和常数进行无量纲化；

S4：将步骤S1中获取的材料物性参数代入步骤S2所确定的材料物性参数与自由能参数的关系式中得到总自由能函数表达式，将步骤S1中获取的材料物性参数代入步骤S3所修正的演化方程中得到演化方程表达式，输入模拟采用的边界条件、进行网格划分；根据多晶多相烧结体系模拟所需的微观结构随机生成紧密的单峰分布、双峰分布的初始化微观组织；通过演化方程考虑烧结过程中表面扩散、晶界扩散、晶格扩散，以及过饱和空位被晶界和自由表面吸收过程，使用显式Euler法和有限差分法对步骤S3中修正的演化方程进行求解；

S5：将步骤S4中修正的演化方程的求解结果进行可视化处理，获得多晶多相烧结过程中晶粒、气孔、颗粒微观组织的演化图像；根据可视化的微观组织结构，跟踪内部气孔收缩度的时间演变来监控烧结动力学过程；统计烧结颈的形成增长尺寸、平衡态时晶界二面角、气孔的尺寸、晶粒等效半径、界面曲率；

S6：根据步骤S5的演化图像，观察分析烧结模拟过程中气孔随晶界移动、颗粒随晶界移动的演变，探究烧结过程中晶界与气孔、晶界与第二相颗粒的相互作用规律；根据步骤S5的统计结果，计算气孔收缩度随时间的演化，探究烧结致密化气孔收缩的规律。