微波電磁場作用下材料微結(jié)構(gòu)演化的相場模擬研究.pdf

1、微波燒結(jié)是一種新型的粉末冶金工藝，其具有快速、高效和顯著改善材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能等優(yōu)勢，是快速制備高質(zhì)量新材料和具有新材料性能的傳統(tǒng)材料的重要技術(shù)手段。微波燒結(jié)是多物理場耦合的復雜作用過程，研究微波與材料間相互作用機理，對進一步揭示微波燒結(jié)原理、指導實際生產(chǎn)具有重要意義。本文采用相場法，分別對微波電磁場與材料耦合作用下粉末陶瓷和金屬的微結(jié)構(gòu)演化開展了數(shù)值模擬研究，并結(jié)合SR-CT在線實驗進行了驗證。本文的研究內(nèi)容概括如下:
　　

2、1、改進了傳統(tǒng)固相燒結(jié)相場模型，引入微波非熱效應對物質(zhì)擴散的作用，模擬了粉末陶瓷微波燒結(jié)微結(jié)構(gòu)孔隙演化的過程，并基于在線實驗驗證了模型的可靠性。根據(jù)微波燒結(jié)的特點，結(jié)合陶瓷材料常規(guī)燒結(jié)過程的燒結(jié)機制，探索和發(fā)展了以離子電導擴散為主的微波燒結(jié)動力學機理，并利用相場動力學理論，將電磁-熱-耦合作用引入相場動力學方程，建立了微結(jié)構(gòu)演化的相場模型，并模擬了微波電場作用下離子晶體陶瓷燒結(jié)過程中孔隙的演化過程，結(jié)果表明在微波電場作用下物質(zhì)從電場聚焦

3、的區(qū)域向其它區(qū)域遷移，導致孔隙在演化過程中長軸傾向于向外電場垂直方向變化，孔隙方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
　　2、在傳統(tǒng)相場模型的基礎(chǔ)上引入金屬顆粒間安培驅(qū)動力，對粉末金屬微波燒結(jié)微結(jié)構(gòu)演化進行了分析與模擬?；诮饘俜勰号髟谖⒉姶艌鲋械臏u流效應，分析了金屬表面的安培驅(qū)動力，解釋了微波促進金屬粉末燒結(jié)的機理。將這一力引入相場動力學模型，建立了金屬微波燒結(jié)微結(jié)構(gòu)演化的相場模型，并模擬了條狀孔隙的演化過程，模擬結(jié)果表明金屬燒結(jié)體中存在的條狀孔隙

4、會孔隙沿短軸方向閉合，且電磁場強度越高，安培驅(qū)動力越強，孔隙閉合的速率越快。
　　3、開展了微波燒結(jié)氧化鋁陶瓷和粉末金屬鋁的SR-CT在線觀測實驗，將實驗得到的結(jié)果與模擬所得結(jié)果對比和分析，驗證了數(shù)值模型和模擬結(jié)果的可靠性和準確性。分析了氧化鋁的SR-CT重建結(jié)果中樣品燒結(jié)前后樣品孔隙的分布特征，結(jié)果表明燒結(jié)后孔隙方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，與分析和模擬結(jié)果一致。在金屬鋁微波燒結(jié)在線實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)孔隙隨燒結(jié)時間逐漸閉合的現(xiàn)象，基于實驗圖像模擬了