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固体电解质在力—电化学场耦合作用下的力学行为研究

作　者: 王辰
导　师: 孙毅
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 固体力学
关键词: 分子动力学模拟单轴拉伸试验力学性能扩散行为应力诱发马氏体相变
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在能源短缺与环境污染日趋严重的形势下，固体氧化物燃料电池发电技术得到了越来越多的关注与研究。然而其商业化还有待于许多关键技术的进步，找到一种拥有高离子电导率和机械强度的固体电解质是其中一个十分重要的方面。固体电解质膜有较高离子电导的原因在于分布于其中的氧离子空位，然而这些点缺陷严重影响材料的力学性能。同时，固体电解质膜的力学行为又会对氧离子传导的性能产生影响，进而影响其工作效率。因此，本文利用分子动力学方法，对固体电解质材料氧化钆掺杂的氧化铈（GDC）在单轴拉伸载荷作用下的力学行为和其中氧离子的扩散行为进行了模拟，从微观角度对GDC的力学行为做了系统的研究，并分析了各种因素对力学性能及扩散性能的影响。首先介绍了分子动力学的基本原理，在此基础上制定了适合于单轴拉伸试验过程的分子动力学模拟方案。通过控制GDC的掺杂浓度，建立不同缺陷浓度的模型。在不同温度下对不同缺陷浓度的GDC进行单轴拉伸模拟试验。结合GDC在单轴拉伸模拟试验过程中的微观模型和相应统计数据的变化，发现了GDC从萤石结构到金红石及其孪晶结构的应力诱发马氏体相变。并从微观角度对相变的机理及其分类进行了探讨。然后通过比较不同缺陷浓度GDC的力学行为，发现了氧离子空位的增多对相变行为有很大影响，进而影响变形与材料承载能力。结合前文从微观角度对力学行为的分析，对这些现象进行了解释。所得拉伸强度随掺杂浓度变化的变化趋势与实验值相吻合。最后，利用分子动力学方法，对GDC中的氧离子扩散行为进行了模拟。通过计算与比较在不同温度和应力状态下的氧离子扩散系数，得到了温度、应变及马氏体相变对扩散行为的影响。并结合模拟结果，从微观角度解释了这些影响因素的作用机理。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第1章绪论  8-16
  1.1 课题背景及其目的和意义  8-9
  1.2 固体氧化物燃料电池简介  9-11
    1.2.1 工作原理及其特点  9-10
    1.2.2 发展现状  10-11
  1.3 固体电解质简介  11-14
    1.3.1 固体电解质的分类  11-12
    1.3.2 CeO2基电解质的研究现状  12-14
  1.4 分子动力学模拟简述  14
  1.5 固体电解质的分子动力学研究简介  14-15
  1.6 本文的主要研究内容  15-16
第2章分子动力学模拟的主要技术  16-27
  2.1 分子动力学的基本原理  16
  2.2 有限差分法  16-19
    2.2.1 Verlet 法  17-18
    2.2.2 蛙跳法  18-19
    2.2.3 速度 Verlet 法  19
  2.3 势函数  19-21
    2.3.1 对势  19-20
    2.3.2 多体势  20-21
    2.3.3 长程作用势的计算  21
  2.4 初始条件  21
  2.5 边界条件  21-22
  2.6 分子动力学模拟的系综  22-25
    2.6.1 系综的分类  22-23
    2.6.2 控压方法  23-24
    2.6.3 控温方法  24-25
  2.7 宏观量的计算  25-27
    2.7.1 温度  25
    2.7.2 压力  25-27
第3章 GDC 在单轴拉伸载荷作用下的力学行为  27-45
  3.1 原子间相互作用势的设置  27
  3.2 计算模型  27-32
    3.2.1 CeO2模型的建立  28
    3.2.2 GDC 模型的建立  28-29
    3.2.3 模型的初始化  29-30
    3.2.4 加载方法的设置  30
    3.2.5 积分步长与加载速率的设置  30
    3.2.6 边界条件与控温控压方法  30-31
    3.2.7 计算模型的检验  31-32
  3.3 GDC 在单轴载荷作用下的力学行为  32-37
    3.3.1 预相变  32-34
    3.3.2 应力诱发马氏体相变  34-36
    3.3.3 模型的断裂  36-37
  3.4 温度对 GDC 力学性能的影响  37-39
  3.5 缺陷对 GDC 力学性能的影响  39-43
    3.5.1 缺陷对 GDC 杨氏模量的影响  40
    3.5.2 缺陷对应力诱发马氏体相变的影响  40-42
    3.5.3 缺陷对 GDC 拉伸强度的影响  42-43
  3.6 本章小结  43-45
第4章 GDC 中氧离子扩散行为的分子动力学模拟  45-51
  4.1 分子动力学模拟方案  45
  4.2 温度对扩散系数的影响  45-47
  4.3 应变与相变对扩散系数的影响  47-50
  4.4 本章小结  50-51
结论  51-53
参考文献  53-58
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  58-60
致谢  60

固体电解质在力—电化学场耦合作用下的力学行为研究

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