微波場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合作用下材料微結(jié)構(gòu)演化的有限元模擬.pdf

1、微波燒結(jié)由于具有快速高效、有效改善材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于材料制備過程。然而由于多場(chǎng)耦合以及材料微觀組織演化的復(fù)雜性，微波場(chǎng)改善材料微觀結(jié)構(gòu)，加快材料制備過程的機(jī)理還并不完全清楚。本文對(duì)微波場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合作用下的微結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行模擬，并與SR-CT技術(shù)原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于研究微波與物質(zhì)的相互作用機(jī)理、調(diào)控和優(yōu)化材料制備過程具有重要意義。
　　 本文基于物質(zhì)在熱動(dòng)力學(xué)作用下的傳輸機(jī)制和微觀結(jié)構(gòu)演化

2、特征及理論模型，分析了微波電磁場(chǎng)附加驅(qū)動(dòng)力對(duì)微結(jié)構(gòu)演化的促進(jìn)作用，在此基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的有限元算法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了微波場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合下的微結(jié)構(gòu)演化有限元模擬。并用改進(jìn)后的算法針對(duì)不同的材料在不同耦合場(chǎng)下的演化情況進(jìn)行模擬。最后用同步輻射原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)通過模擬過程和結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的微結(jié)構(gòu)演化現(xiàn)象，研究不同材料與微波相互作用的微觀機(jī)理。主要研究工作總結(jié)如下:
　　 1、改進(jìn)了有限元算法，實(shí)現(xiàn)了微波場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦

3、合作用下的材料微結(jié)構(gòu)演化有限元模擬。從微波場(chǎng)與溫度場(chǎng)對(duì)物質(zhì)擴(kuò)散激活能以及擴(kuò)散系數(shù)影響的角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有有限元模型進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了單一機(jī)制表面擴(kuò)散作用下以及表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、晶界遷移機(jī)制綜合作用下的微結(jié)構(gòu)演化模擬。模擬結(jié)果顯示微波場(chǎng)的存在促進(jìn)了微結(jié)構(gòu)演化過程，且不同方向的電場(chǎng)對(duì)微結(jié)構(gòu)演化的促進(jìn)程度不同。
　　 2、模擬了陶瓷和金屬在不同耦合場(chǎng)下的微結(jié)構(gòu)演化。分析不同物質(zhì)如陶瓷和金屬在微波外場(chǎng)作用下的電磁場(chǎng)與溫度分布，針對(duì)SiC和

4、Al雙球模型模擬其在耦合場(chǎng)下的微結(jié)構(gòu)演化情況，討論在不同耦合場(chǎng)下各自的燒結(jié)頸生長(zhǎng)、中心距收縮等的演化規(guī)律。
　　 3、結(jié)合陶瓷和金屬的微波燒結(jié)SR-CT實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用模擬過程和結(jié)果分析陶瓷和金屬的微結(jié)構(gòu)演化差異以及各自與微波作用的微觀機(jī)理。得出結(jié)論:陶瓷材料與微波的耦合加熱機(jī)制為整體介質(zhì)損耗加熱，在顆粒間的接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)的微區(qū)聚焦效應(yīng)，促使靠近頸部表面和界面的微結(jié)構(gòu)演化。金屬材料其耦合機(jī)制為渦流損耗加熱，表面的感應(yīng)電場(chǎng)和較高的