考虑化学反应的固体多场耦合力学问题研究

This project aims to establish a theoretical continuum framework for multi-fields coupling problems of chemically active and deformable solids considering the transportation of mass, heat and electric charge, the conversion of different kinds of energy and the effect of electrochemical reactions. The influence of thermo-chemo-mechanical coupling with large deformation, surface and interface effect, inertial action and electrochemical reactions will be explored. The novelties of this project include: 1) a fully coupling continuum theory will be presented to account for heat transfer, mass transportation, chemical reactions, mechanical deformation and their interactions, which provides a basis for further developing theoretical models of various quasi-static or dynamical coupling problems with chemical reactions; 2) a multi-fields coupling theory will be established with the consideration of chemical reaction process happening near surface or interface in solids, to describe effectively the interactions between the stress (or strain) and the chemical reactions across surface or interface; 3) a reasonable model will be designed for structural analysis of a solid oxide fuel cell (SOFC) with focus on porous electrode, electrolyte and interfacial reaction region ,based on above developed multi-fields coupling theory for solids with electrochemical reactions, to simulate some specific electrochemical properties of SOFCs and validate the model by comparison with experimentally testing results of SOFCs, and to provide a powerful tool for the optimal design of SOFCs.

本项目针对可变形化学活性固体中质量、热量和电荷的传递、不同类型能量的转换以及化学反应效应，构建固体多场耦合问题的连续介质理论框架，探讨热-化-力耦合有限变形、表界面效应、惯性作用和电化学反应的影响。主要创新点包括：（1）建立涵盖固体传热、传质、化学反应、受力变形及其相互作用的全耦合连续介质理论，为发展适用于各类考虑化学反应的准静态、动态耦合问题的理论模型提供基础保证；（2）建立考虑固体表/界面化学反应过程的多场耦合理论，实现表/界面化学反应和应力（或应变）场的双向耦合理论描述；（3）针对固体氧化物燃料电池多孔电极、固体电解质及反应界面建立合理的结构分析模型，结合所发展的考虑电化学反应的固体多场耦合理论数值模拟燃料电池的电化学性能，与电池的实验检测结果进行对比验证模型的有效性，进而为固体燃料电池优化设计提供有力工具。

本项目旨在针对可变形化学活性固体中质量、热量和电荷的传递、不同类型能量的转换以及化学反应效应，构建固体多场耦合问题的连续介质理论框架。主要研究内容为：（1）考虑一般化学反应的固体热-化-力多场耦合连续介质大变形理论；（2）针对电化学反应的固体多场耦合理论与在固体燃料电池中的示范应用。取得的重要成果包括：（1）基于不可逆过程热力学、化学计量学和反应动力学原理，建立了化学活性固体传质-传热-化学反应-大变形耦合问题的连续介质理论模型；（2）将扩散介质的浓度和化学反应进度作为Helmholtz自由能函数两个独立的状态变量，可以区分扩散和化学反应这两个独立化学过程引起的体系物质组分和能量变化，实现了对化学效应引起材料微结构变化和宏观性质演化问题的理论表述；（3）建立了考虑固体化学反应的线性热化学弹性理论并发展了位移势函数解法，用于研究弹性固体因内部反应-扩散引起变形和应力的问题；（4）建立基于内能分解的化学活性固体传质-传热-化学反应-变形耦合问题的连续介质理论框架，在此基础上提出了描述固体力-热-化耦合边值问题的数值求解方法；（5）建立了适用于不可压缩超弹性凝胶材料的等温扩散-可逆水解-大变形耦合的力学模型，对伴随扩散和水解反应的化学活性凝胶瞬态和稳态变形行为进行模拟与分析，解释了水解反应引起的材料模量下降现象；（6）基于开放热力学系统，提出了力-热-电-化多场耦合理论模型，将应力、电化学势、熵、电场强度、化学亲和势、内变量与弹性应变、总扩散浓度、温度、可逆电位移、化学反应进度、内变量驱动力关联起来，并应用于固体氧化物燃料电池的多物理场模拟研究。所提出的理论模型突破传统的“力”和“流”之间的线性唯象关系，描述了固体力学行为和内部传热-反应-扩散过程的双向耦合规律，为深入探索各类耦合现象奠定了理论基础。