[論文レビュー] États de compacité maximale pour les mélanges binaires de grains sphériques : étude par simulation numérique

Jean-Noël Roux, François Chevoir+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2009

Material Dynamics and Properties参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、直径比が3の球状粒子の二成分混合系における最大密度状態を、離散要素法（DEM）シミュレーションを用いて調査した。最大充填密度を機械的安定性があり等方的圧縮によって得られる構成と定義し、初期の長時間の攪拌が充填度を向上させるとともに、同サイズ粒子では部分的結晶化、二成分混合系では粒子径分離を誘発することが判明した。最大充填状態は、急速なアセンブリーシナリオでのみ達成される。本研究は、機械的平衡状態下での粉体系におけるランダム密充填の実用的定義を確立した。

ABSTRACT

Disordered assemblies with maximum packing fraction are studied by discrete element numerical simulation for monodisperse or bidisperse spherical particles, the diameter ratio being set at three. A maximum packing fraction value corresponds to an equilibrium state under isotropic loading of rigid frictionless particles. A statistical study of size effects enables one to evaluate, in the limit of large systems, the maximum packing fractions of both monodisperse assemblies, for which the conventional value 0.639 is retrieved, and bidisperse ones, for two distinct values of the coarse particle volume fraction. An enduring initial assembling step in which agitated grains interact through collisions induces an increase in the final packing fraction due to crystalline order nucleation for a monodisperse system or to a gradual segregation for a binary mixture. Albeit slow and moderate in a number of practical situations, this effect leads to a definition of the random close packing state, as the one obtained with frictionless rigid grains under an isotropic pressure in the limit of fast assembling processes. A few potential extensions to this preliminary study are suggested.

研究の動機と目的

• 不規則な粉体系アセンブリの最大ランダム充填を、機械的に整合性のある基準として定義すること。
• 直径比3:1の球状粒子の二成分混合系において、初期攪拌時間の長さが最終的な充填密度および構造的秩序に与える影響を調査すること。
• 等方的圧縮下での単分散および二分散系の最大充填密度を定量すること。
• 系のサイズおよび統計的フラクチュエーションが、最大充填密度の信頼できる値を決定する上で果たす役割を評価すること。
• 特に実用的材料調製の文脈において、不規則で最大に密に充填された状態がどのようにして出現するかを特定すること。

提案手法

• 離散要素法（DEM）を用いて、剛体で摩擦のない球状粒子の等方的圧縮をシミュレートした。
• 粒子に等方的圧力を加えることで、機械的安定性があり平衡状態に達した構成を定義し、最大充填状態とした。
• 単分散系および体積分率が大きい粒子でp = 0.5およびp = 0.7の二成分混合系についてシミュレーションを実施した。
• 初期段階では、実世界の堆積プロセスを模倣するために衝突による粒子攪拌を実施した。
• 系のサイズを変化させることで、有限サイズ効果および充填密度における統計的フラクチュエーションを評価した。
• 局所的秩序パラメータを用いて構造的秩序をモニタリングし、結晶化または分離を検出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粉体系アセンブリにおいて、機械的安定性があり不規則な最大充填状態を特徴づける要因は何ですか？
• RQ2 初期攪拌時間の長さが、直径比3:1の二成分球状混合系の最終的充填密度および構造的秩序にどのように影響するか？
• RQ3 等方的圧縮下での直径比3:1の単分散および二分散系の最大充填密度は何か？
• RQ4 長時間の攪拌が、これらの系において部分的結晶化または粒子径分離をどの程度誘発するか？
• RQ5 熱力学的極限における最大充填密度の限界値は何か？また、その値は準備プロトコルにどのように影響を受けるか？

主な発見

• 単分散系では、大規模系の極限において最大充填密度が古典的値0.639に収束することが確認された。
• p = 0.5およびp = 0.7の二成分混合系では、組成の影響を反映した明確に異なる最大充填密度が観察された。
• 長時間の初期攪拌により、充填密度が徐々に増加し、単分散系では局所的結晶秩序の核生成が観察された。
• 二成分混合系では、長期間の攪拌により粒子径分離が進行し、大きな粒子が表面に移動した。
• 本研究では、最大充填密度は、長時間の平衡状態に達した後ではなく、急速かつ等方的圧縮によって達成された状態として定義すべきであると確認された。
• 独立したシミュレーション間での統計的フラクチュエーションが観察されたが、系のサイズが増加するに従い、安定な値に収束した。