纳米粒子堆垛模型及其热喷涂传热数值分析

纳米粒子堆垛模型及其热喷涂传热数值分析

沈理达, 田宗军, 刘志东, 赵剑峰, 黄因慧
中国有色金属学报

内容导读：超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂技术发展如何？本文对国内外的具体情况给予了说明。

摘 要：将纳米粒子团聚大颗粒进行抽象处理，提出以理想堆垛结构为假设的纳米团聚颗粒模型。以 ANSYS 有限元软件为平台，模拟 Al2O3-13%TiO2(质量分数)团聚纳米颗粒在热喷涂环境下的传热过程，分析传热时间、团聚颗粒直径和孔隙率等对传热的影响, 并分析团聚颗粒在热喷涂传热后的组织结构差异。结果表明：在一定传热条件下，纳米团聚颗粒可以保持部分纳米粒子或长大为亚微米晶形态，且团聚颗粒直径越大，这类组织就越容易形成，而团聚颗粒孔隙率在 0.48 以下时，对组织形态的影响较弱。
关键词：热喷涂粉末；纳米团聚颗粒; 传热; 热喷涂; 数值分析

        纳米粒子是纳米材料中最重要应用形式之一，微小粒子之间的范德华力、氢键和静电等作用力会促使团聚的形成。在某些领域如纳米粒子的分散复合，团聚具有一定的负面影响[1]，但是在一些经历高温变化的应用环境，如激光烧结、热喷涂和热等静压等加工条件下，可控的团聚工艺成为获得良好纳米结构的重要途径。将易于团聚的纳米粒子在一定工艺下，预制成微粒量级的球形颗粒是近年新材料制备领域的热点[2-5]，这种新材料在应用中既可以避免纳米粒子在自然团聚下形成的松散结构，又可以增加颗粒流动性、颗粒质量和均匀性等，既实现了纳米粒子的方便应用，又有助于保持团聚颗粒内部纳米粒子的功能特性。这类预制的团聚纳米颗粒在涂层、再制造和零件成形等领域具有极大的应用潜力，对其在不同高温加工中的纳米粒子生长控制工艺需要展开研究。目前针对高温作用下的微小颗粒传热过程分析较少，也难于直接检测，而借助数值计算进行分析成为一种思路。但围绕纳米粒子团聚颗粒的分析很少[6-7]，本文作者提出一种基于纳米粒子堆垛结构分析的新研究思路，对纳米团聚颗粒的传热特征进行了理论分析。
1 理想堆垛模型建立
1.1 纳米粒子堆垛模型
       纳米团聚颗粒可由多种方法制备[2-5]，不同的处理工艺会产生不同的团聚效果，但一般都处理成如图 1(a)所示的球形，图 1(b)所示为该团聚颗粒内部的 FESEM像，粒径约 50 nm 的粒子紧密聚集，由于是破坏球体后的观察结果，因此实际的致密程度还要大些。

        直接对团聚颗粒进行数值分析是不可行的，因此，本文作者提出了纳米粒子堆垛抽象模型。主要有两点抽象：1) 纳米粒子抽象为粒径相等的小球体；2) 纳米粒子在空间各向上互相接触。图 2 所示为 3 种典型堆垛方式，从左至右可以依次为简单立方、体心立方
和面心立方堆垛结构(参照晶体结构描述方法)。其中，图 2(a)所示的简单立方与图 2(c)所示的面心立方可认为是三维接触排列时的两个极端。如果将堆垛模型考虑成固相粒子与气相孔隙，那么表 1 所示为上述 3 种堆垛结构的孔隙率大小，分别为 0.48、0.32 和 0.26。通过模型抽象获得了纳米团聚球体孔隙率分布在 0.26 和 0.48 之间的结论，实际孔隙率则在 0.26 之上分布。本试验所用原料是美国Inframat 牌号为 sp2613P 的 Al2O3/TiO2团聚颗粒，其松装密度为 2 g/cm3。事实上，如果按照类似于纳米团聚体的球形堆垛假设团聚球体的堆积，体心立方的最终孔隙率应为 54%，这和松装密度与理论密度的比值是非常接近的。

1.2 孔隙率与热物性参数
        堆垛结构模型可以认为是多孔连续固相的整体结构[8]，对其进行数值计算可以采用宏观下的边界条件进行计算，从而变通解决了单一纳米尺度粒子数值计算困难的问题。具体到传热过程分析，主要考虑如下2 种形式：1) 气相和固相纳米粒子之间的辐射传热；2) 纳米粒子与纳米粒子之间的接触传热。

省略

3 结论
1) 基于合理抽象提出的纳米粒子堆垛模型，不仅能使复杂的纳米团聚颗粒结构有序化和整体化，而且通过孔隙率差异换算出了数值计算所需的热物性参数。
2) 热喷涂是理想的团聚颗粒传热数值分析环境，传热时间、团聚颗粒直径和孔隙率等对传热的影响均可通过数值计算获得精确结论。该模型可以较为方便地预测纳米团聚颗粒的传热特征，从而制定出合适的试验研究方案。
3) 分析了团聚颗粒在热喷涂瞬间高温作用后的典型组织结构，包含纳米粒子全部熔化、烧结长大及未长大这几种理论预测形态。该模型具有较好的科学性，能对该材料的实验研究起到良好的指导作用。

参考文献略

本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/