高压合成工艺过程的有限元模拟

施于3.0GPa -5.5GPa压力范围内的高压合成工艺已成为合成金刚石等超硬材料、PbTe和ZnO等功能材料的有效手段。本申请项目将开展有限元模拟高压合成工艺的系统研究，解决三维模型的有限元离散、求解多物理耦合场收敛性差等难题。模拟结果将揭示压力、形变、电流-焦耳热、温度、熔体流动等物理场的稳态分布规律及其对工艺参数的瞬态响应机制。为了确保模拟在定量水平上的精确性及可靠性，将考察高温高压条件下，合成腔体组装材料及合成物料的力学本构模型、电-热性能参数，建立完备的物性参数数据库。同时还将开展高压合成实验的温度、压力原位测量实验，作为修正模拟的依据。数值模拟程序将基于ANSYS/APDL程序设计平台开发完成。有限元模拟可以部分地替代高压合成实验，实现节能减排，并获得比试错性合成实验及原位测量实验更全面的信息，从根本上解决工艺设计的盲目性。模拟方法及数值结果还将作为研制工艺培训仿真器的基础。

2013年，中国高压合成金刚石高达12亿克拉。与此同时，高压合成技术在制备PbTe、Sb 掺杂ZnO（Sb:ZnO）等功能材料方面也表现出了特有优势。由于高压合成工艺过程发生在完全密封的狭小腔体内，同时还涉及施压-形变、电流生热、传质传热多个过程的耦合，因此无法通过实验测量到此中物理场分布及其历变规律。本项目致力于有限元模拟高压合成工艺的系统研究，解决三维模型的有限元离散、求解多物理耦合场收敛性差等难题。最终揭示压力、形变、电流-焦耳热、温度、熔体流动等物理场的稳态分布规律及其对工艺参数的瞬态响应机制。至项目结题时止，课题组建立完成基于ANSYS/APDL平台高压合成工艺的三维有限元模型。基于该模型开展的模拟实验研究得到结果如下：1)超高压传压机制以及合成腔体内压强分布规律；2)大变形下高压合成腔体内的温度场分布；3)宝石级金刚石合成腔体内温度场、液流速度场、双扩散场分布规律。此外，高压腔体内多点原位测量技术被开发应用于校准上述模拟结果。建立了完备的高压合成原料的物性参数数据库。开发完成高压合成工艺分析软件HPFEA的核心源码。发表学术论文7篇，其中5篇被SCI收录，一篇被EI收录。培养研究生2名。