不同形状金属燃料片状颗粒变形行为的数值模拟

《Powder Technology》：Numerical simulation of the deformation behavior of metal fuel flaky particles of different shapes

金属燃料粉末压制过程中，片状颗粒的几何特性、接触配置与致密化机制存在强关联性。数值模拟表明：初始颗粒比表面积（f_b）低于0.7时促进变形但加剧局部应力集中；铝含量与厚度阻碍致密化；片状颗粒多面接触结构（如六方共顶）可提升应力传递效率，使最终密度波动控制在1.2%-2.5%；而非均匀接触（如弯月形界面）易形成应力 arch，制约致密化进程。该研究为优化金属燃料压制工艺提供理论支撑。

　　

聂宏宇|刘平安|刘尚|王德瑞|王鹏|徐可静

哈尔滨工程大学航空航天与土木工程学院，哈尔滨150001，中国

摘要

金属燃料在新型水下推进系统和跨介质导航等领域具有广泛的应用前景。然而，在燃料加工过程中实现低密度可能会降低推进剂的机械强度和点火性能。为了阐明控制金属燃料粉末压实的关键因素和机制，本研究利用数值模拟系统地研究了压实压力、颗粒形状、金属含量、厚度和接触配置如何影响片状金属燃料的变形。结果表明，较低的颗粒面积填充因子（f_b）虽然促进了变形，但也增加了局部应力集中的风险。铝含量的增加和厚度的增加阻碍了颗粒的致密化。在具有不同颗粒形状的多颗粒混合物模型中，f_b值在压实初期对密度有显著影响，但这种影响在后期逐渐减弱。此外，颗粒间的接触模式和堆叠顺序对应力传递效率和最终压实密度起着关键作用。有序堆叠可以促进接近线性的接触，从而显著提高应力传递效率和力链均匀性；而无序接触导致的弯曲界面则有利于应力拱的形成，这会阻碍进一步的致密化。不同形状的颗粒会遇到更不均匀的接触结构，增加了上述现象发生的可能性。相反，一致的颗粒形状有助于提高相对密度，使得燃料颗粒的最终压实密度变化范围为1.2%–2.5%。这项工作为优化金属燃料粉末的高密度成形过程提供了理论见解和实践指导。

引言

金属燃料是一类以镁（Mg）、铝（Al）或其合金为核心成分的高能量密度材料[1]。这些燃料适用于驱动先进的水下推进系统，例如基于冲压喷气原理的系统。一个关键优势是所需的氧化剂可以从周围的水或空气中获得，无需在发动机内部储存。这一特性使其能够在包括空中和水下在内的多种环境中运行[2]，[3]。此外，与传统固体推进剂相比，金属燃料具有更高的能量密度和比冲，具有巨大的发展潜力[4]，[5]，[6]。在可用的金属粉末中，镁因其易于点燃而受到青睐，而铝则提供高能量密度；这两种材料都易于获取且在储存过程中稳定，因此成为此类燃料的首选[7]。传统的含氧化剂的固体推进剂通常通过铸造和固化工艺制造。相比之下，水冲压喷气金属燃料是通过粉末冶金技术制造的。这两种工艺的一个共同挑战是在成形过程中引入孔隙。由于燃烧室的体积有限，制造出的燃料颗粒中的高孔隙率不仅会降低其机械强度和点火性能[8]，还会减少有效燃料质量，从而限制了飞行器的作战范围。目前关于金属燃料的研究主要集中在燃烧特性上，而专门研究和分析其成形过程的研究较少。例如，Sa?mannshausen等人[9]使用有限元方法分析了爆炸压实过程，并在2D模拟模型中考虑了模具壁的摩擦效应。Chen等人[10]对推进剂颗粒的宏观压实进行了数值模拟，分析了变形、压力和温度场，以确定内部温度梯度和压力不均匀性。Wang等人[11]使用单轴压缩下的力-位移曲线和应力-位移等值线模拟了金属燃料颗粒在载荷下的机械响应，以验证结构完整性。文献表明，数值模拟是理论分析压实过程的有效工具。然而，现有的研究大多基于连续介质假设的宏观尺度模拟。实际上，金属粉末压实体是由许多单个颗粒组成的离散体。因此，需要介观尺度的研究来准确描述压实过程中的颗粒行为。这一尺度上的变形和致密化机制对最终组件的相对密度和应力分布有重要影响，这是许多研究的核心关注点[12]，[13]，[14]。因此，理解颗粒尺度的变形对于控制整个粉末过程至关重要。从这一角度来看，Chen等人[15]确定了颗粒形状和大小是影响振动诱导变形的关键内部因素。Wang等人[16]使用准静态压缩试验研究了铝基复合材料，分析了应变率和铝粉体积分数对应力-应变响应、屈服强度和应变能的影响。Xu等人[17]将原位纳米铝基复合材料掺入超级合金中，研究了颗粒含量对新型合金微观结构和机械性能的影响。此外，一些学者还对单颗粒强度和裂纹风险进行了研究和分析[18]，[19]，[20]，[21]。总体而言，这些研究表明颗粒的几何形状、成分和大小显著影响变形行为，这与最终组件的密度和机械性能密切相关。

金属粉末颗粒的主要几何形状是球形和片状。在金属粉末成形过程中，球形颗粒已被广泛研究[22]，[23]，[24]。相比之下，关于片状颗粒的研究相对较少，目前的努力主要集中在它们的合成上。例如，Zhou等人[25]使用片状镁基复合材料作为基体，通过粉末冶金法制备了增强型镁复合材料。同样，Liu等人[26]通过球磨法合成了不同长宽比的片状FeSi颗粒。他们的发现表明，长宽比较大的片状颗粒具有更高的介电常数和磁导率，尽管压实体中的缺陷会降低这些性能。在另一项研究中，Mao等人[27]使用片状NiAl作为粘结相，制备了高性能的W-NiAl合金。这些片状颗粒作为延性层，提高了机械性能，使弯曲强度增加了24.3%。总体而言，这些研究表明片状颗粒具有优异的延展性，可以增强材料的机械和电磁性能，使其成为制造金属燃料颗粒的有希望的候选材料。尽管有这些发现，但目前关于片状颗粒的研究主要是实验性的，缺乏用于比较颗粒内在属性或分析其变形和致密化行为的可靠参考数据。一个关键挑战是在压实过程中对介观尺度特征（如几何形状、材料和接触非线性以及致密化机制）进行原位表征的难度。计算建模提供了一种克服这些限制的方法。在数值技术中，有限元方法（FEM）是最常用的[28]。例如，Chen等人[29]开发了一个FEM模型，用于研究片状镁复合材料在拉伸载荷下的失效机制。然而，传统的FEM依赖于连续介质假设，往往无法捕捉颗粒尺度的动力学和接触力学，并且通常忽略初始颗粒堆积的异质性。分子动力学（MD）方法在分析颗粒摩擦动力学方面具有独特优势，特别是对于纳米颗粒，研究人员已将其应用于研究摩擦行为和润滑剂性能[30]，[31]，[32]，[33]。然而，其应用受到颗粒尺度限制的制约。Khoei等人开发了一种连续-原子级（FEM-MD）模型[34]，为研究压实过程中微尺度颗粒的机械行为和摩擦效应提供了多尺度分析平台。此外，多颗粒有限元方法（MPFEM）也被引入粉末冶金研究。这种方法将粉末压实体视为由许多颗粒组成的离散体，每个颗粒都被表示为可变形的连续体，从而在介观颗粒结构和宏观整体行为之间建立了桥梁。作为一种有效的方法，MPFEM已成功应用于研究各种金属和复合材料的成形和烧结过程，能够系统地分析介观粉末特性和致密化机制[22]，[35]，[36]，[37]。然而，现有的MPFEM研究主要集中在二维圆形或三维球形非能量材料的粉末上。片状金属粉末的压实成形过程尚未得到探索，控制其多样几何形状的变形规律也知之甚少。

总之，尽管金属燃料具有显著的应用潜力，但其成形技术的研究尚不完善。同时，对片状金属颗粒变形和压实的理解也有限。本研究对单个片状金属燃料颗粒及其粉末组装体的等静压成形过程进行了数值模拟。它提供了宏观和介观尺度属性（包括相对密度、应力/应变演变、应变能和颗粒变形）的定量表征，从而从颗粒角度阐明了金属燃料粉末的致密化行为和成形机制。这些结果推进了人们对片状颗粒粉末冶金的基本理解，并为生产高密度推进剂颗粒提供了理论和实践指导，从而促进了金属燃料在推进剂制造中的更广泛应用。

部分摘录

物理模型

本研究关注镁（Mg）和铝（Al）颗粒，这两种颗粒是金属燃料的常见选择。相关材料参数列在表1中，参数的选择是通过实验比较和基于现有参考文献[38]，[39]，[40]的迭代优化确定的。金属颗粒的大小约为100微米。为了在图中更清晰地显示颗粒的几何特征，建模的颗粒大小被统一放大了一定倍数

网格敏感性验证

为了评估网格敏感性，相同几何形状和大小的颗粒在不同的尺度上进行了离散化。元素类型是四节点四面体全积分元素，位移场采用多项式线性插值。在四种不同网格密度的模型上进行了压缩模拟，结果如图3所示。比较四种元素计数的压缩结果表明，在中等压力（50–200 MPa）下，粗网格

结论

进行了数值模拟，以研究片状金属燃料在等静压成形过程中的介观尺度的演变和致密化机制。通过拟合已建立的压实方程和实验验证，证明了模型的有效性和可靠性。利用这个经过验证的模型，研究了关键因素（包括颗粒形状、压实压力、金属含量、颗粒厚度和接触配置）对致密化行为的影响

局限性和展望

本研究提供了关于片状金属燃料粉末致密化行为的介观力学见解，但仍存在一些局限性，指出了未来的研究方向：

(1) 模型简化：为了便于定量分析，本研究采用了理想化的几何形状来表征片状颗粒，而实际颗粒表现出更复杂的不规则性。未来的模型可能会结合基于真实颗粒扫描的统计形状描述，或考虑更广泛的

作者贡献声明

聂宏宇：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、正式分析、数据整理。刘平安：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。刘尚：可视化、方法论、正式分析。王德瑞：方法论、研究、正式分析。王鹏：可视化、正式分析、数据整理。徐可静：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。