颗粒材料特性对冷喷涂撞击行为影响的模拟研究

采用有限元数值计算方法研究了冷喷涂过程中Cu,Al及Ni合金和Ti合金颗粒与Cu基板的碰撞变形行为,探讨了颗粒的材料特性对其碰撞基板后的变形行为和结合行为的影响.结果表明,与基板相比,有效塑性极限大于衬底的金属颗粒易发生绝热剪切失稳,此时,基板不发生失稳,并释放积攒的变形能,使颗粒发生回弹现象.有效塑性极限小于衬底的金属颗粒不发生绝热剪切失稳,其积攒的变形能在碰撞后期释放,促进了基板的失稳.     

固含量对三元材料锂浆料电池性能的影响

半固态锂浆料电池是能够提供更低成本、有潜力的能源储存技术,使风能和太阳能等可再生能源技术克服其固有的间歇性,提高电网的效率。以单晶结构的Li Ni_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂为活性物质,科琴黑为导电剂,电解液为分散剂,系统研究了活性物质含量在10%～50%范围内浆料的电导率分布、沉降速率、电化学阻抗、浆料组成形貌及所组装的扣式电池的首次充放电效率、比容量、循环稳定性。结果表明：随着活性物质含量的增加,浆料的电导率和沉降速率均呈逐步下降趋势;质量分数为50%的浆料具有最大的初始R_ct(855.71Ω),其他浆料的初始R_ct在106.06～151.85Ω;三元活性物质为粒径约5μm、形状规则的单晶一次颗粒;质量分数为30%的浆料活性物质周围被科琴黑均匀包围,没有较多的科琴黑的团聚和堆叠;30%的浆料在0.1 C的放电比容量达到171.2 m Ah/g,首次充放电效率高达88.15%,稳定循环250周后,容量保持率仍有80.3%。     

冷喷涂中氮和氦混合气体对颗粒加速作用的模拟研究

采用FLUENT软件数值模拟氮和氦混合气体在拉伐尔喷管内对颗粒的加速过程,并与一维等熵定常流动理论值进行比较,同时研究混合气体中氦气含量对喷管出口处气体以及颗粒的速度和温度的影响。结果表明:喷管中气体参数的模拟值和一维理论值比较吻合,可以预计颗粒的出口参数,指导冷喷涂工艺。随着混合气体中氦气含量的升高,气体和颗粒的出口速度不断提高,温度不断降低,但速度和温度的变化率不断减小,在氮气中加入少量氦气可以提高气体和颗粒的出口速度,同时避免了全部使用氦气加速时的高成本。     

多颗粒沉积模型预测铜和铝冷喷涂层微观形貌

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了15个颗粒与基板的冷喷涂沉积模型,通过多颗粒沉积模型预测工艺条件、不同颗粒/基板组合的沉积行为和微观形貌;制备了Al和Cu冷喷涂涂层,观察了涂层截面形貌和颗粒变形特征,并与模拟结果进行对比.结果表明,多颗粒沉积模型可预测喷涂条件对颗粒沉积过程及涂层微观特征的影响,以及不同颗粒/基板组合的界面微观形貌.当碰撞速度低时,颗粒变形不充分,颗粒交界处易形成孔洞;随着速度增加,颗粒流变填充孔洞,涂层致密.与颗粒相比,硬基板涂层/基板界面平滑,机械互锁作用小;软基板形成射流状金属挤入颗粒之间,增加结合作用.     

几种金属基板上冷喷涂铜涂层的试验与模拟

采用自主研制的冷喷涂设备在三种典型基板上进行喷涂试验,相同的工艺参数下,在铜和铝基板上得到良好的铜涂层,而在钢基板上则没有沉积.实验结果表明:涂层与基板界面、涂层内部颗粒界面结合良好,铜涂层组织致密,显微硬度高达150HV0.1;从涂层表面形貌扫描电镜(SEM)照片中可以观察到射流状的金属,说明颗粒发生了巨大变形,经计算知颗粒在碰撞中压缩率达69%;粉末和涂层的X射线衍射(XRD)结果表明铜粉末在冷喷涂过程中没有发生氧化.同时,数值模拟了铜颗粒与三种基板的碰撞过程,讨论了形成有效结合的判断准则,根据该准则,计算出铜颗粒在铜、铝、钢基板上的临界沉积速度分别为600m/s,500m/s,800m/s,从而解释了铜颗粒在三种基板上不同的沉积行为.     

冷喷涂过程中能量变化及沉积行为的模拟研究

采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,模拟了超音速冷喷涂过程中的颗粒碰撞过程,研究了高速颗粒与基板碰撞时的能量转化、分配以及颗粒沉积过程,分析了碰撞速度和材料特性对它们的影响.结果表明,碰撞过程中,颗粒和基板材料均发生塑性变形,使颗粒的动能被消耗,且绝大部分动能转变为材料内能.碰撞完成之后,颗粒动能被分配到颗粒和基板材料中,定义碰撞之后分配到颗粒中的与分配到基板中的能量之间的比值为能量分配系数K,K值过高或过低,均表明颗粒和基板之间变形能力相差较大,不利于颗粒与基板结合形成良好的涂层.系统初始动能以及颗粒与基板材料性能对K值都有影响.     

Effect of material properties of cold-sprayed particles on its impacting behavior

采用有限元数值计算方法研究了冷喷涂过程中Cu, Al及Ni合金和Ti合金颗粒与Cu基板的碰撞变形行为, 探讨了颗粒的材料特性对其碰撞基板后的变形行为和结合行为的影响. 结果表明, 与基板相比,有效塑性极限大于衬底的金属颗粒易发生绝热剪切失稳, 此时, 基板不发生失稳, 并释放积攒的变形能,使颗粒发生回弹现象. 有效塑性极限小于衬底的金属颗粒不发生绝热剪切失稳, 其积攒的变形能在碰撞后期释放, 促进了基板的失稳.     

颗粒级配对锂浆料电池性能的影响北大核心CSCD

利用大小颗粒之间的填充效应,本文设计了2种粒径的活性颗粒组成7种级配体系,并系统研究了其浆料的性能。借助激光粒度仪、电导率仪、比表面测试仪、扫描电子显微镜、沉降测试和电化学测试等手段分析了样品粒度分布、比表面积、颗粒形貌、浆料的电导率、沉降率、电化学阻抗谱和充放电性能。结果表明,所有级配粒径分布均呈单峰接近正态分布;级配颗粒属于大孔或者无孔材料;小颗粒是典型的单晶结构,大颗粒由球形大颗粒构成,3∶7和0∶10样品扫描电子显微镜图显示大粒径周围被小粒径和导电剂包围着,形成了完整连续的三维导电网络;大颗粒组成的浆料电导率为41.80 mS/cm,小颗粒组成的浆料电导率高达123.39 mS/cm;3∶7样品浆料的沉降率和沉降速率最小,颗粒级配更接近Fuller最密充填粒度分布经验曲线;3∶7和5∶5样品0.1 C的放电比容量分别达到194.88 mAh/g和187.38 mAh/g,实际比容量发挥分别高于商业典型值10%、5%以上,首次充放电效率高达90.54%、87.96%。此外,3∶7样品电池还表现出最优异的循环性能,经循环250次后,容量保持率为83.63%。总之,级配为3∶7样品的颗粒填充效应得到充分发挥,表现出最优异的性能。本文提供了最佳比例的颗粒级配设计比,为优异性能的颗粒级配提供重要参考。     

非晶合金颗粒高速撞击过程及破碎行为的模拟

利用非线性有限元软件 ANSYS/LS-DYNA对Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22 5非晶合金颗粒在几种撞击条件下的破碎行为进行了模拟研究,计算了颗粒失效破碎的临界速度,为非晶合金气流粉碎工艺提供参考.结果表明,尺寸20 μm的颗粒撞击碳化硅基板与撞击钢基板时所需的破碎速度接近,但前者颗粒只在其接触区域附近发生少量局部破碎,后者颗粒沿撞击轴向断裂.尺寸20 μm的颗粒之间碰撞时所需的相对破碎速度约为341 m/s;被撞颗粒尺寸固定时,临界破碎速度随撞击颗粒尺寸增加先增加,在两颗粒尺寸相同时达到最大值,然后再减小;尺寸不同的两个颗粒撞击时小颗粒破碎比大颗粒严重;颗粒之间撞击破碎效果又好于颗粒与基板撞击.     

锂离子电池浆料狭缝式涂布初期流场模拟研究

锂离子动力电池极片涂布过程具有浆料粘度大、涂层厚、基材薄、精度要求高等特点,目前广泛采用狭缝挤压式涂布技术。采用实验和流体力学有限元分析方法对锂离子电池负极浆料在铜箔基材上的狭缝式涂布初期流场进行分析,结果表明模拟得到的涂层厚度与实验结果吻合,说明计算模型可靠。当浆料入口速度为0.035 m/s时,外流场区域被基材带走的浆料能及时得到补充,上流道和下流道均能在最短的时间内稳定,这是最佳的涂布操作工艺范围。