不同运动方式KDP单晶生长流动与物质输运数值分析

针对两种不同运动方式下的KDP单晶生长,进行了流动与物质输运模拟。分析和比较了不同运动方式下,晶面附近溶液流动及晶面过饱和度分布特征。研究了晶体尺寸对晶面过饱和度场的影响。结果表明:二维运动法中,晶面遭受的水动力学条件较为复杂,使得其过饱和度分布不如转晶法规则;二维运动法锥面过饱和度明显高于转晶法;单位周期内,转晶法晶面平均过饱和度存在较大波动,而二维运动法过饱和度随时间变化较小;总体上看,小尺寸晶体时,二维运动法晶面过饱和度梯度小于转晶法;大尺寸晶体时,二维运动法晶面过饱和度梯度大于转晶法。     

二维平移法小尺寸KDP单晶生长溶液流动与传质模拟

二维平移法是一种新型的晶体生长方法.在该方法中,晶体不再作正反转运动,而是沿着特定轨迹作周期性的平移运动.本工作对二维平移法小尺寸磷酸二氢钾(KDP)单晶生长过程进行了数值模拟研究,获得了不同平移速度、不同平移距离以及不同迎流角度下晶体附近溶液流动与晶面过饱和度分布.结果表明:增加平移速度,晶面过饱和度随之增加,但流场结构并无明显变化;增大平移距离,晶面的过饱和度反而降低,标准差则有逐渐增大的趋势,这不利于提高过饱和度均匀性;不同迎流角度下,柱面的过饱和度分布差异较大,对流的不对称性也更加明显,当迎流角度为45°时,对晶体生长更有利.此外,台阶推移结果表明,不均匀的过饱和度会造成台阶弯曲和聚并,二维平移法更利于台阶稳定推移,有望提高形貌稳定性和晶体质量.     

喷流转晶法KDP晶体生长系统的流动与传质模拟

提出了一种通过锥顶喷流改善KDP锥面过饱和度的晶体生长方法。采用有限体积法和滑移网格技术,对传统转晶法及喷流转晶法的KDP晶体生长过程进行了数值模拟。展示了两种生长方式下晶体表面过饱和度时均分布云图及均方差,分析了不同转速、不同喷流速度、不同晶体尺寸对晶面时均过饱和度及均方差的影响。结果表明:相比于传统转晶法,喷流转晶法晶体的锥面过饱和度提高且表面均匀性增加。提高喷流速度可以进一步提高锥面过饱和度,但其均方差却呈现先减小后增大的变化。旋转速度的增加能提高锥面过饱和度并减小其均方差。此外,晶体尺寸也会在一定程度上影响喷流的效果。     

转速对快速法生长KDP晶体影响的实验与数值模拟研究

采用快速生长法在不同转速下生长了KDP晶体,对晶体生长过程中的现象进行了研究;运用fluent软件,采用多重参考模型和标准k-ε湍流模型对籽晶架和晶体在溶液中旋转产生的速度场进行了数值模拟,分析了不同转速对速度场和晶体长大对溶液稳定性的影响;结合实验现象与模拟结果分析可知,初始阶段适于KDP晶体快速生长的最优转速是100 r/min,随着晶体的长大,转速应适当降低。     

大尺寸KDP晶体出槽力学效应数值模拟分析研究

大尺寸KDP（磷酸二氢钾,KH2PO4）晶体在出槽的过程中经常发生开裂现象,造成了较大的经济损失。为了研究大尺寸KDP晶体出槽过程中开裂机制并提出相应的防裂措施,采用有限元方法模拟了大尺寸KDP晶体的出槽过程,计算得到了KDP晶体出槽过程中晶体应力场的变化规律,结果显示降温冷却使晶体内部最大应力增大了100倍以上,而力学边界的变化使晶体最大应力增大的幅度较小,数据表明温度降低造成的应力集中是引起晶体开裂的主要原因。该结论的发现为提出相应的晶体防裂措施提供了重要的理论基础。     

泡生法蓝宝石不同生长阶段热应力的数值模拟研究

利用计算机模拟对泡生法蓝宝石单晶各生长阶段的热应力进行了分析,发现晶体中最大热应力位于籽晶与新生晶体交界处或靠近固液界面的晶体边缘,其次位于晶体肩部。在此基础上,针对某一生长阶段讨论了加热器位置和坩埚形状对晶体中热应力分布的影响。结果表明:固液界面处的热应力随着加热器轴向中点与熔体轴向中点的距离L的增加先减后增,当L为190mm时,晶体中热应力最小;随着坩埚底部倒角半径的增加,固液界面处热应力呈上升的趋势。     

离心泵蜗壳效应数值模拟与分析

利用FLUENT软件结合有限元体积法和Navier—Stokes方程,通过数值模拟方法研究离心泵蜗壳内的二维流场情况。根据分析结果表明离心泵的蜗壳壁面随着与叶轮距离的增大,受到的冲击越小。蜗壳出口处的壁面位置会存在低压区,对离心泵的内部流场造成能量损耗。利用数值模拟的方法,对离心泵蜗壳的设计优化提供了理论依据。     

钼屏发射率对泡生法蓝宝石单晶生长影响的数值模拟研究

泡生法蓝宝石单晶生长过程中,由于生长周期长、温度高,热场中钼屏的物理性质和形状都会发生变化,从而引起炉内温场的变化。通过计算机数值模拟,研究了钼屏发射率发生变化时,泡生法蓝宝石单晶生长中温场、流场的变化。模拟结果表明:随钼屏发射率增加,消耗功率也不断增加;在放肩阶段熔体等温线向下移动,流场也从2个涡流逐渐变成1个涡流;而在等径阶段和收尾阶段,这些变化都不明显。     

垂直Bridgman法生长CaF2单晶传热过程的数值分析

采用有限元法对大尺寸氟化钙单晶的生长过程进行了传热分析,准稳态模型简化模拟计算过程.研究了梯度区不同的温度梯度对界面形状和晶体生长速度的影响,讨论了辐射传热对晶体生长过程传热的影响.研究表明:晶体生长过程中界面凸度发生变化;晶体生长速率与坩埚下降速率不一致;25 K/cm为合适的梯度区温度梯度;晶体内部辐射传热对单晶生长传热过程有重要影响.计算结果表明,3个时期的固相等温线的曲率小于液相的.根据数值模拟结果进行了晶体生长实验,生长出的晶体完整,透明,无宏观缺陷.     

Al-4%Cu凝固过程枝晶生长的数值模拟

改进了模拟枝晶生长常用的二维元胞自动机和有限差分(CA-FD)模型,新模型引入扰动函数来控制二、三次枝晶的生长;在枝晶生长过程中,将溶质浓度明确地分为液相溶质浓度和固相溶质浓度两部分;并在溶质再分配与扩散过程中采用八邻位差分以减少网格形状导致溶质扩散的各向异性。模拟了Al-4%Cu二元合金过冷熔体中,单个和多个等轴晶沿不同择优方向生长及单方向和多方向柱状树枝晶竞争生长过程中的枝晶形貌、液相溶质浓度和固相溶质浓度分布情况。模拟结果表明:扰动的引入能够促使枝晶产生分支,并控制二、三次枝晶的生长速率;液/固相溶质计算模型能够准确地模拟出枝晶生长过程中液/固相溶质分布;此外改进后的模型实现了枝晶沿任意方向的竞争生长。     

Designed Growth of Large-Size 2D Single Crystals

In the “post-Moore's Law” era, new materials are highly expected to bring next revolutionary technologies in electronics and optoelectronics, wherein 2D materials are considered as very promising candidates beyond bulk materials due to their superiorities of atomic thickness, excellent properties, full components, and the compatibility with the processing technologies of traditional complementary metal-oxide semiconductors, enabling great potential in fabrication of logic, storage, optoelectronic, and photonic 2D devices with better performances than state-of-the-art ones. Toward the massive applications of highly integrated 2D devices, large-size 2D single crystals are a prerequisite for the ultimate quality of materials and extreme uniformity of properties. However, at present, it is still very challenging to grow all 2D single crystals into the wafer scale. Therefore, a systematic understanding for controlled growth of various 2D single crystals needs to be further established. Here, four key aspects are reviewed, i.e., nucleation control, growth promotion, surface engineering, and phase control, which are expected to be controllable at different periods during the growth. In addition, the perspectives on designed growth and potential applications are discussed for showing the bright future of these advanced material systems of 2D single crystals.     

Growth and Studies of Two New Potassium Compound Crystals

We have attempted to grow the single crystals of K₃BaCl₅·2H₂O (KBC) and K₃CaCl₅·2H₂O (KCC) from aqueous solutions by the slow evaporation method. Crystals up to a size of 1.6 × 1.1 × 0.4 cm³ were obtained. Atomic absorption spectroscopic and X-ray diffraction measurements have shown the nonstoichiometric nature of the grown crystals. Thermogravimetric measurements have confirmed the presence of water molecules. Microhardness measurements indicate that the mechanical strength is poor. DC conductivity measurements at various temperatures on these crystals indicate that KBC is a dielectric material whereas the KCC is an ionic conductor. Dielectric measurements were carried out with a fixed frequency of 1 kHz at various temperatures by the parallel plate capacitor method. The results indicate that the ionic polarization may be the dominating factor in both of the systems studied.     

CO2微通道气冷器流量分配和换热特性的数值模拟及验证

本文建立了CO_2微通道气冷器集流管和微通道扁管两部分的物理模型并进行网格划分,模拟研究了扁管插入集流管深度f分别为4、5、6 mm和入口管在集流管1/6、1/2位置处对质量流量分配的影响,实验验证了CO_2微通道气冷器扁管壁面温度分布。结果表明:当f为4 mm、入口管位于集流管1/6处时,质量流量分配最均匀,此时不均匀度为0.4×10~(-3);模拟扁管内CO_2换热特性发现随着CO_2质量流量的增加,扁管换热量增加,流量由2.3 kg/h增至2.5 kg/h,换热量提高了21.4%;当质量流量一定时,CO_2的出口温度随着CO_2入口温度的升高而升高,在不同CO_2入口温度条件下,微通道扁管壁面温度实验值与模拟值误差在10%以内,验证了模拟的准确性。     

非线性粘弹性桩耦合运动中的混沌分析

研究轴向周期载荷作用下非线性粘弹性桩纵横向耦合运动中的混沌运动。桩体材料满足Leaderman非线性粘弹性本构关系和近似的非线性几何关系，考虑桩体发生纵横向运动的耦合，得到的方程为耦合的非线性偏微分一积分方程；利用Galerkin方法将方程简化并进行数值计算，揭示非线性粘弹性桩的混沌运动和分岔等动力学行为。     

On the Chemistry and Diffusion of Hydrogen in the Interstitial Space of Layered Crystals h‐BN,MoS2, and Graphite

Recent experiments have demonstrated transport and separation of hydrogen isotopes through the van der Waals gap in hexagonal boron nitride and molybdenum disulfide bulk layered materials. However, the experiments cannot distinguish if the transported particles are protons (H⁺) or protium (H) atoms. Here, reported are the theoretical studies, which indicate that protium atoms, rather than protons, are transported through the gap. First‐principles calculations combined with well‐tempered metadynamics simulations at finite temperature reveal that for h‐BN and MoS₂, the diffusion mechanism of both protons and protium (H) atoms involves a hopping process between adjacent layers. This process is assisted by low‐energy phonon shear modes. The extracted diffusion coefficient of protium matches the experiment, while for protons it is several orders of magnitude smaller. This indicates that protium atoms are responsible for the experimental observations. These results allow for a comprehensive interpretation of experimental results on the transport of hydrogen isotopes through van der Waals gaps and can help identify other materials for hydrogen isotope separation applications.     

同轴送粉金属激光3D打印熔池流动、成分分布以及组织生长数值模拟的研究进展

在“中国制造2025”、美国《国家先进制造战略计划》、欧洲航天局《惊奇计划》、日本《增材制造科研计划》、新加坡《工业增材制造项目》以及欧盟《3D打印标准化路线图》等全球新型制造技术迅猛发展的机遇下,金属激光3D打印融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术,以数字化模型文件为基础,通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化,制造出实体产品,该技术日益成为国内外专家学者的研究热点。它与传统的对原材料进行切削、组装的加工模式不同,是通过材料累加的原理,从无到有地制造产品的新型技术工艺。也正是由于增材制造的这种技术特点,使得它受到全球的广泛关注,将可能会给传统的制造业带来一系列深刻的变革。其中同轴送粉式金属激光3D打印技术因具有成形尺寸大、可利用材料范围广、成形件的材料性能优异等特点,在航空航天、交通、医疗与能源等领域有着广阔的应用前景,成为金属增材制造主流的工艺技术。 3D打印熔池中存在着传热、对流、传质、气-液界面冶金反应以及固-液界面扩散等复杂的动态物理冶金过程。熔池的流体力学行为直接影响材料组织的均匀性以及致密性,因此,如何通过流体力学方法对熔池的流体动态过程进行模拟,建立熔池温度和流场的三维非稳态模型,并定量分析浮力、表面张力、粉末冲击力以及综合作用对3D打印过程温度场、速度场和熔池形态的影响是需要解决的关键问题。 数值仿真模拟是研究同轴送粉式金属激光3D打印熔池动力学过程的重要手段之一。目前,在关于同轴送粉式金属激光3D打印数值模拟和激光焊的数值模拟研究中,已包含较为全面的多尺度数值模型,例如光-粉耦合作用数值模型、熔池气-液界面和固-液混合区界面追踪模型、熔池瞬时变化的热场和流场分析模型、熔池中合金元素的分布过程介观模型以及基于相场法的熔池形貌和显微组织凝固元胞自动机模型等。 本文主要阐述国内外研究学者对同轴送粉式金属激光3D打印仿真模拟的研究进展,主要集中在3D打印过程中熔池瞬时变化的热场和流场分析、合金元素的分布过程以及熔池形貌和显微组织凝固等方面。由于数值模拟方法具有一定的通用性,为了更全面地介绍与同轴送粉式金属激光3D打印技术相关的数值模拟方法,本文也涉及了少量送粉式激光熔覆以及激光电弧填粉焊接等过程的数值模拟工作。     

橡胶颗粒沥青混合料劈裂试验及其数值模拟研究

本研究构建的橡胶颗粒沥青混合料劈裂细观数值模型以裂缝数与劈裂强度为主要细观参数,与劈裂试验确定的宏观参数劈裂抗拉强度及劲度模量相互验证,从宏观与细观两个角度验证了橡胶颗粒的掺加将明显降低沥青混合料的力学强度。