氧化硅气凝胶粉体材料力学性能的多尺度模拟.pdfVIP

氧化硅气凝胶粉体材料力学性能的多尺度模拟 刘 强 卢子兴 杨振宇 胡子君 李俊宁 (1 北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191) (2 航天材料及工艺研究所 ，先进功能复合材料技术重点实验室，北京 100076) 文 摘 基于氧化硅气凝胶粉体材料 内部的微结构特征，建立了能反映其特征结构的多尺度力学模型，利 用分子动力学方法模拟了氧化硅气凝胶的纳米多孔结构和拉伸性能，进一步利用离散元方法模拟了粉体材料 的模压成形和多轴压缩应力一应变曲线。分子动力学模拟表明，气凝胶密度越低，其分形维数越小。此外，离 散元模拟表明，氧化硅气凝胶粉体材料的弹性模量比对应的氧化硅气凝胶弹性模量低，压缩强度比对应气凝胶 的拉伸强度高；随着围压的增加，氧化硅气凝胶粉体材料的压缩强度增加。 关键词 氧化硅气凝胶，粉体材料，多尺度，分子动力学，离散元 中图分类号：V45，TB321，O341 DOI：10．3969／j．issn．1007-2330．2014．01．005 Multi—ScaleSimulationonMechanicalPropertiesofSilicaAerogelPowder LIUQiang LUZixing YANGZhenyu HUZijun LIJunning (1 BeihangUniversity，Beijing 100191) (2 ScienceandTechnologyonAdvancedFunctionalCompositesLaboratory，AerospaceResearchInstituteof Materials＆ProcessingTechnoloyg，Beijing 200076) Abstract Basedonthemicrostructureofsilicaaerogelpowder，amulti—scalemodelrevealingtheinternallea- tureofrealmaterialisconstructed．Thenanoporoussturctureandtensilepropertiesofsilicaaerogelissimulatedusing moleculardynamic(MD)mode1．Thecompressionmoldingofsilicaaerogelpowderismodeledusingdiscreteelement method(DEM)，andthenthemuhiaxialcompressivecurveofrealmaterialiSsimulated．TheMDsimulationindicates thefractaldimensionofsilicaaerogeldecreasesasthedensityincreases．Moreover，theDEM simulationrevealsthee- lasticmodulusofsilicaaerogelpowderislargerthanthatofsilicaaerogelwhilethecompressivestrengthofsilicaaero- gelpowderislowerthanthatofsilicaaeroge1．Thecompressivestrengthofsilicaaerogelpowderincreasesastheconfi— ningstressincreases． Keywords Silicaaerogel，Powder，Multi—scale，MD，DEM 0 引言 结合利用分子动力学 (MD)模拟和离散元方法 热防护是高超声速飞行器服役过程中的关键科 (DEM)模拟技术，实现对该类材料宏观力学性能的 学问题，因而高效隔热材料的研制也就变得越来越重 多尺度模拟 。通过与实验结果的对 比，验证模拟方法 要。氧化硅气凝胶因具有多级纳米孑L结构，被公认为