[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用离散元法（DEM）模拟，探究直径比为3的球形单分散颗粒混合物在最大紧密堆积状态下的行为。将最大堆积密度定义为机械稳定、各向同性压缩下的构型，并发现长时间初始扰动会增加密实度，导致同尺寸颗粒的局部结晶或二元混合物的粒径分离；只有在快速组装过程中才能实现最大密实度。该研究为在机械平衡条件下颗粒系统的随机最紧密堆积提供了一个实用的定义。

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.

研究动机与目标

• 为无序颗粒堆积系统中的最大随机密实度建立一个机械上一致的实用判据。
• 研究初始扰动持续时间对直径比为3:1的球形单分散颗粒混合物最终堆积密度和结构有序度的影响。
• 量化在各向同性压缩下单分散和双分散系统的最大堆积密度。
• 评估系统尺寸和统计涨落对确定可靠最大堆积密度值的影响。
• 识别在实际材料制备背景下，无序且最大密实状态出现的条件。

提出的方法

• 采用离散元法（DEM）模拟刚性、无摩擦球形颗粒的各向同性压缩过程。
• 通过施加各向同性压力，使颗粒达到机械稳定、平衡的构型，从而定义最大堆积状态。
• 对单分散系统和体积分数分别为p = 0.5和p = 0.7的大颗粒的二元混合物进行模拟。
• 初始阶段通过粒子碰撞实现颗粒扰动，以模拟现实中的沉积过程。
• 改变系统尺寸以评估有限尺寸效应和堆积密度中的统计涨落。
• 利用局域有序参数监测结构有序度，以检测结晶或粒径分离现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 什么定义了颗粒堆积系统中机械稳定、无序的最大堆积状态？
• RQ2 初始扰动持续时间如何影响直径比为3:1的二元球形单分散颗粒混合物的最终堆积密度和结构有序度？
• RQ3 在各向同性压缩下，直径比为3:1的单分散和双分散系统的最大堆积密度是多少？
• RQ4 长时间扰动在多大程度上导致这些系统中出现部分结晶或粒径分离？
• RQ5 在热力学极限下，最大堆积密度的极限值是多少？其受制备工艺的影响如何？

主要发现

• 对于单分散系统，最大堆积密度在大系统极限下收敛至经典值0.639。
• 在p = 0.5和p = 0.7的二元混合物中，观察到不同的最大堆积密度，反映出成分对密实度的影响。
• 长时间初始扰动导致堆积密度逐渐增加，同时在单分散系统中引发局部结晶核的形成。
• 在二元混合物中，延长扰动会引发渐进式的粒径分离，较大颗粒向表面迁移。
• 本研究证实，最大堆积密度应定义为快速、各向同性压缩下达到的状态，而非长时间平衡后所得状态。
• 独立模拟之间存在统计涨落，但随着系统尺寸增大，这些涨落趋于稳定值。