[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

说明书

本发明公开了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，通过第一性原理和实验的方法得到烧结过程中所需材料物性参数，考虑晶粒、颗粒和气孔三相相互作用，构建含第二相颗粒多晶多相烧结体系的自由能函数，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得到总自由能函数并进行变分，同时考虑烧结过程中晶粒的刚体运动，建立修正的演化方程，采用显示Euler法和有限差分法求解，实现对含第二相颗粒的多晶多相烧结致密化过程、晶界与颗粒或气孔相互作用的精准模拟。通过本发明，解决了以往相场模型缺少致密化与第二相颗粒同时作用的问题；扩展了相场模型的适用范围，提出一种多晶多相体系陶瓷型核燃料烧结的新思路。

技术领域

本发明涉及计算材料学领域。具体而言，本发明涉及一种用于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。

背景技术

相场模型基于扩散界面模型，可以有效地追踪烧结过程中的复杂界面的演变过程，进而高效地揭示其烧结微观组织演变，近年来逐渐被大量应用于烧结过程的分析和研究。随着烧结技术不断进步，烧结过程逐渐变的更加复杂，除了固相与气相的相互作用，还存在引入第二相颗粒作为催化剂或不可避免夹杂第二相颗粒的作用机制。然而，以往的相场模型只考虑了两相相互作用，并没有同时考虑气孔与第二相颗粒对晶界的相互作用以及对烧结过程中晶粒长大的影响。以往的相场模型也并未考虑烧结过程气孔收缩致密化的作用，导致无法保证烧结模拟过程的精准性。目前，在多晶多相体系陶瓷型核燃料烧结过程缺少适用性较好的模型。

现有技术方法，主要解决如下技术问题：

相场模型中系统自由能函数包含局部能量密度函数与界面梯度能函数，界面梯度能由特定公式积分得到，因此，局部能量密度函数的构造对于烧结相场模拟至关重要。在相场模型一直以来的实践中，存在由晶粒长大模型发展而来的气孔与晶界相互作用的局部能量密度函数，也存在第二相颗粒与晶界相互作用的局部能量密度函数，但都没有同时考虑局部能量密度函数中晶粒、颗粒、气孔三相相互作用。然而，烧结是一个复杂多相的过程，现有的模型无法对复杂多相体系烧结过程作较准确的描述。

以往烧结相场模拟的扩散机制主要以表面扩散机制开展，然而以表面扩散主导的相场模型并不能适用模拟烧结后期的致密化过程，烧结致密化的机理有待进一步揭示。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出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，用于解决或至少部分解决相场模型在含第二相颗粒条件下模拟气孔收缩致密化的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于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，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；