基于碎玻璃和废铝料制备复合材料的粒子分散数值模拟

用碎玻璃和废铝料制备复合材料是高附加值利用这两类废弃物的有效途径之一，也是在发展我国循环经济、推进静脉产业中，具有独创性的一种思路。铝的韧性和玻璃硬度的结合是使这两类废弃物增值的有利因素，但铝液对玻璃粒子的不浸润和玻璃粒子在铝液中难分散,是在制备过程中的不利因素，制约了这种新型材料的发展和应用。.本课题将通过CFD数值模拟和实验相结合的方法,建立玻璃粒子在铝熔体速度场、温度场中分散的数学模型，研究玻璃粒子在铝熔体流场内分散、碰撞和团聚的行为,研究搅拌系统及其所产生的两相湍流场,提出优化搅拌系统的参数,以解决玻璃/铝基复合材料均质化的基础理论问题。

单分散性的纳米粒子的制备相当困难，它对于研究纳米粒子的性能及应用具有关键性的作用。本研究以ZnO纳米粒子夹层结构复合材料为研究对象，选择合适的表面活性剂体系及反应前驱物，研究微乳液体系中表面活性剂介观形貌随溶液成份的调节而产生的变化规律，确定理想反应体系；研究表面活性剂种类、加热温度和时间、反应物离子价态等实验因素对产物颗粒尺寸和形貌的影响作用；研究表面活性剂在反应过程中形成限制模板的机理，观测各种具有良好分散性纳米晶的微观结构及相应的电光物理性质，表面活性剂薄膜形成的夹层结构复合材料与纯纳米粒子性能之间的区别，分析介观结构同宏观性能之间的关系，总结表面活性剂对产物的分散作用与形貌控制机理。在制备得到小于玻尔激子半径的单分散性纳米ZnO粒子及其复合材料的基础上，探索纳米ZnO在功能器件如气敏、光敏、热敏器件上的制备,性能及应用。

多尺度分析方法是目前科学工程计算领域最热门的数值模拟方法之一。工程中复合材料设计、制备和应用常常需要进行材料性能预测，对影响微观结构的工艺过程进行数值模拟，并对材料与结构进行多尺度性能分析。复合材料工程制品多为板壳结构，现有的文献只考虑了宏观的均匀化解，至今尚未见到复合材料板壳结构制品宏观均匀化解和细观三维力学耦合的分析结果。本项目利用多尺度分析方法和有限元计算方法，研究复合材料制品周期构型板结构和双曲扁壳结构在静力学服役环境下的力学行为，以及两种结构在瞬态热弹性环境下的性能。拟采用宏、细观相关联的技术路线，从细观力学出发，基于均匀化方法、多尺度分析方法、有限元方法以及板壳结构的几何特性，构造可以捕捉到由三维构型微结构导致的微观三维力学行为的高阶多尺度模型；并进行多尺度模型和算法的理论分析，建立复合材料板壳结构三维数学模型与二维力学假设之间的近似关系；设计高效的多尺度数值算法。