固体电解质在多场耦合作用下的宏微观破坏模型

本项目拟将宏微观相结合，分别采用连续统热力学和分子动力学方法对典型固体电解质内氧离子空位缺陷的分布、演化进行系统的研究，探讨在力场与电化学场耦合作用下固体电解质变形行为的本构方程，分析在给定耦合场作用下其损伤演化与断裂的机制，并初步建立起在给定工作条件下的破坏模型与准则

本项目采用宏微观理论与多尺度分析方法，对固体电解质在力-电化学场耦合作用下的力学行为与损伤断裂特性进行了系统研究。提出了基于晶格反演法及量子化学理论的离子晶体势函数求取方法，并给出了适用于多场耦合作用分析的固体电解质GDC分子力场势函数。和传统的经验势函数求取方法相比，具有不依靠实验数据、精度高、适用范围广等突出优点，为本项目的研究奠定了基础。同时还提出了一系列改进的分子动力学计算方法。.在此基础上，系统研究了缺陷与掺杂浓度对GDC变形与强度特性的影响。首次提出了低掺杂浓度GDC的预相变机制，并给出了CeO2块体马氏体相变的金红石孪晶结构。结合缺陷浓度对GDC相变过程的影响分析，成功解释了GDC拉伸强度随掺杂浓度的增加而呈现的降低—增加—再降低的反常现象，为燃料电池中固体电解质膜的强度设计提供了重要参考依据。.针对固体电解质力-电化学场耦合作用工作环境的特点，系统研究了非化学计量氧空位浓度差对电解质力学特性的影响，在前期工作的基础上完善了应力诱导扩散势函数的表达形式，拓展了应力场-电化学场耦合理论的适用范围。结合GDC膜内裂纹扩展的多尺度分析，深入研究了力-电化学场耦合作用对材料断裂行为的重要影响，发现这一影响不能仅包含化学内应力场对应力强度因子的影响，还需考虑裂纹尖端局部应力场诱导作用对材料断裂韧性的影响。