铈掺杂石墨相氮化碳/还原二氧化钛杂化体系中氧化还原介导的协同效应及其可持续产氢机制研究

本文系统研究了钛颗粒-基底高速碰撞中的界面粘附与塑性变形协同机制，通过建立内聚力模型（cohesive model）和有限元分析（FE），揭示了临界结合速度（critical bonding velocity）受界面粘附能和颗粒尺寸调控的规律。研究发现增强界面粘附可降低临界速度，并使主导机制从塑性控制（plasticity-dominated）转向粘附控制（adhesion-controlled），为冷喷涂（cold spraying）、增材制造（AM）等工业应用提供了理论框架。

　　

Highlight

本研究通过整合界面粘附与颗粒尺寸效应，阐明了高速碰撞中的结合机制。基于能量平衡原理建立的解析模型表明：粘附强度与颗粒尺寸是调控临界结合速度的关键参数。

Results and discussion

为解析界面粘附的作用，我们对比了非粘附模型与粘附模型的模拟结果（5-800 m/s速度范围）。发现：

1. 1.

   颗粒速度升高会引发"结合-反弹-再结合"的序贯转变，该过程由碰撞诱导塑性（impact-induced plasticity）与界面粘附能的竞争主导；

2. 2.

   增强界面粘附能显著降低临界结合速度，例如当粘附能从1 J/m²提升至10 J/m²时，10 μm钛颗粒的临界速度下降约40%；

3. 3.

   颗粒尺寸效应呈现双模式调控：小颗粒（<20 μm）时，塑性变形主导结合过程；大颗粒（>50 μm）时，粘附能成为控制因素。

Conclusions

1. 1.

   临界结合速度存在先减后增的非单调尺寸依赖性，转折点对应粘附控制与塑性控制的机制切换；

2. 2.

   建立的解析模型V_cr = √(8γ/ρD) + k(ε_p/D)^1/2（γ为粘附能，D为粒径）与模拟结果误差<15%；

3. 3.

   界面绝热剪切（ASI）引发的热软化虽促进局部结合，但中心区应变能积累仍是反弹主因，需粘附能协同耗散才能实现稳定结合。