高频磁场下铝基复合材料熔体中颗粒相的受力与迁移行为模拟研究

摘要

颗粒增强铝基复合材料具有密度小、比模量与比强度高、耐磨性及高温性能好等优点，在汽车交通、航天航空等领域有广阔的应用前景，而颗粒增强复合材料中增强相的形貌、尺寸、分布状态以及与基体界面的匹配结合是影响材料性能的关键因素，颗粒增强相尺寸细小（亚微米/纳米级）且在基体内均匀分布能起到更理想的增强效果，可以有效提高复合材料的综合性能。但在颗粒增强铝基复合材料熔液凝固过程中，颗粒相的偏聚、团簇造成其在基体内的分布不均匀，会严重影响复合材料的整体性能。近年来，将磁场作用于金属熔体的凝固已成为复合材料基础研究和开发制备新功能材料的重要领域，且高频磁场以其操作简便性，得到了更广泛的应用。
　　本文首先设计了高频磁场，并在此基础上基于ANSYS有限元分析软件计算和分析了有负载时磁感应线圈内的磁感应强度分布，鉴于金属熔体和颗粒相电导率的差异，高频磁场在金属熔体中能够产生较大的电磁体积力，从而对颗粒相产生反向的电磁挤压力，故而使颗粒相产生迁移行为。然后，改变高频磁场的电流、频率等参数，计算颗粒增强相的迁移行为，并对其分布进行了分析。
　　第一部分通过理论分析高频磁场的计算过程，再借助ANSYS分析软件建立计算模型，并模拟计算不同电磁参数下，铝合金熔液内不同位置处磁感应强度的分布。
　　第二部分构建高频磁场下颗粒相的运动模型，同时对颗粒相进行受力分析，研究不同电磁参数对颗粒相受力的影响。通过理论分析颗粒相的迁移速率以及迁移方向的偏移程度。
　　第三部分探究不同磁场参数条件下，高频磁场对Al2O3颗粒与Mg2Si颗粒迁移行为的影响，在颗粒相受力分析以及运动分析的基础上，对Al2O3颗粒与Mg2Si颗粒的迁移行为进行了模拟计算，研究电流密度、电流频率以及颗粒粒径对不同位置处Al2O3颗粒与Mg2Si颗粒的迁移速率与迁移方向的影响，对比研究结果，探讨Al2O3颗粒与Mg2Si颗粒的最终分布情况。
　　第四部分通过对比分析不同磁场参数下，高频磁场对两种不同性质颗粒相的迁移速率与运动行为的影响差异。同时分析高频磁场对两种不同性质颗粒相的作用规律，探讨高频磁场下铝基复合材料熔体中颗粒相的迁移行为。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 金属基复合材料概述

1．1．1 金属基复合材料的分类

1．1．2 铝基复合材料的特性

1．1．3 铝基复合材料的应用现状与发展趋势

1．2 颗粒增强铝基复合材料制备方法

1．2．1 固相法

1．2．2 液相法

1．2．3 原位复合法

1．3 电磁场在铝基复合材料中的应用

1．4 电磁分离技术概述

1．4．1 电磁分离技术的发展

1．4．2 电磁分离技术的分类

1．4．3 电磁分离技术的应用

1．5 高频磁场分离技术的发展与现状

1．6 ANSYS软件介绍

1．6．1 ANSYS的组成

1．6．2 有限元法的分析步骤

1．7 本课题的选题依据与主要工作内容

1．7．1 研究目标及意义

1．7．2 主要研究内容

第二章 高频磁场的理论分析与数学模型建立

2．1 电磁场计算数学模型

2．2 物理模型与参数

2．3 不同电流密度下熔体表面磁感应强度分布

2．4 不同电流频率下熔体表面磁感应强度分布

2．5 不同频率下熔体内磁感应强度分布

2．6 本章小结

第三章 高频磁场下颗粒相运动的数学模型

3．1 高频磁场下颗粒相的受力分析

3．2 电磁体积力沿高度方向分布

3．3 电磁体积力沿径向分布

3．4 高频磁场下颗粒相的运动分析

3．4．1 高频磁场下颗粒相迁移速率分析

3．4．2 高频磁场下颗粒相迁移方向分析

3．5 本章小结

第四章 高频磁场对Al2O3颗粒迁移行为的影响

4．1 高频磁场对Al2O3颗粒相迁移速率的影响

4．1．1 电流密度对Al2O3颗粒相迁移速率的影响

4．1．2 电流频率对Al2O3颗粒相迁移速率的影响

4．2 颗粒相粒径对Al2O3颗粒相迁移速率的影响

4．3 不同电磁参数下Al2O3颗粒迁移速率沿高度分布

4．4 熔液内不同位置处Al2O3颗粒相迁移速率分布

4．5 高频磁场对颗粒相迁移方向的影响

4．5．1 电流密度对Al2O3颗粒相迁移方向的影响

4．5．2 电流频率对Al2O3颗粒相迁移方向的影响

4．6 熔液内不同位置处Al2O3颗粒相迁移方向的变化

4．7 本章小结

第五章 高频磁场对Mg2Si颗粒迁移行为的影响

5．1 高频磁场对Mg2Si颗粒相迁移速率的影响

5．1．1 电流密度对Mg2Si颗粒相迁移速率的影响

5．1．2 电流频率对Mg2Si颗粒相迁移速率的影响

5．2 颗粒相粒径对Mg2Si颗粒相迁移速率的影响

5．3 高频磁场对Mg2Si颗粒相迁移方向的影响

5．3．1 电流密度对Mg2Si颗粒相迁移方向的影响

5．3．2 电流频率对Mg2Si颗粒相迁移方向的影响

5．4 熔液内不同位置处Mg2Si颗粒相迁移方向的变化

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 本文存在的问题及后续工作

参考文献

致谢

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