【摘要】：電流輔助燒結(jié)技術(shù)具有升溫快速,燒結(jié)溫度低,燒結(jié)時(shí)間短的特點(diǎn),由于燒結(jié)成品晶粒均勻細(xì)小,致密度高,內(nèi)部缺陷少的特點(diǎn),目前已成功應(yīng)用于各類陶瓷材料,功能梯度材料以及納米材料的制備。燒結(jié)中,幾千甚至上萬安培強(qiáng)電流直接通過模具兩端的金屬壓頭及石墨模具使燒結(jié)粉體在高溫和高溫度梯度,經(jīng)過壓實(shí)的粉體在短時(shí)間內(nèi)(最快幾分鐘或十幾分鐘)達(dá)到較高的致密度并完成燒結(jié)。雖然電流輔助快速燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)在許多新材料的制備中得到較好的發(fā)展,但其燒結(jié)機(jī)理還存在爭論,沒有取得業(yè)界的共識(shí)。論文針對(duì)非導(dǎo)電粉體,將電流輔助燒結(jié)過程歸結(jié)在外加壓力,高溫度梯度和高溫升率下燒結(jié)粉體微結(jié)構(gòu)的演化問題,其中熱-力-擴(kuò)散之間的耦合作用的定量描述與數(shù)值計(jì)算是問題的關(guān)鍵。論文首先從基本方程出發(fā),推導(dǎo)了適用于熱-力-擴(kuò)散共同作用下的耦合方程。其次,將這一熱-力-擴(kuò)散耦合方程從平衡態(tài)擴(kuò)展到非平衡態(tài),建立了相應(yīng)的相場(chǎng)計(jì)算格式。在這個(gè)過程中,模型中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)系數(shù)通過相界面分析與傳統(tǒng)的尖銳或薄界面方程中的參數(shù)相匹配,其解由弱解形式給出�；谝陨瞎ぷ�,論文針對(duì)四球模型在強(qiáng)熱沖擊作用下形態(tài)結(jié)構(gòu)的演化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,討論了溫度場(chǎng),應(yīng)力場(chǎng)與擴(kuò)散之間的相互影響,以及作為擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力的化學(xué)勢(shì)梯度在耦合條件下的變化規(guī)律。進(jìn)一步的,針對(duì)non-Fourier熱傳導(dǎo)條件下擴(kuò)散界面內(nèi)的熱傳導(dǎo)問題,詳細(xì)研究三種不同的數(shù)值處理方案下擴(kuò)散界面模型中溫度場(chǎng)分布的特點(diǎn),并與尖銳界面模型的溫度場(chǎng)分布相比較,并對(duì)不同數(shù)值處理方案對(duì)微結(jié)構(gòu)演化和擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力的影響進(jìn)行了分析。論文按以下章節(jié)進(jìn)行闡述。第一章中,我們簡要介紹了電流輔助燒結(jié)技術(shù)熱-力-擴(kuò)散耦合理論和燒結(jié)數(shù)值模擬方法的研究現(xiàn)狀,并簡要介紹了本文的工作。第二章詳細(xì)介紹了考慮非平衡態(tài)的熱-彈-擴(kuò)散理論,并通過數(shù)值方法驗(yàn)證了廣義熱力學(xué)相容性。第三章以燒結(jié)粉體中的典型四顆粒模型為例,分析在不同外加壓力和溫度邊界條件條件下,溫度,應(yīng)力和濃度間的耦合效應(yīng)與對(duì)演化過程的影響。結(jié)果表明,在給定的條件下外加應(yīng)力場(chǎng)和外加溫度場(chǎng)導(dǎo)致的熱應(yīng)力對(duì)擴(kuò)散的影響極小,而擴(kuò)散行為中濃度變化引起的應(yīng)力變化十分明顯;同時(shí)微結(jié)構(gòu)的溫度和溫度梯度對(duì)溫度場(chǎng)的演化有顯著的影響,而在溫度場(chǎng)則對(duì)濃度場(chǎng)的變化不敏感。第四章研究了non-Fourier熱傳導(dǎo)定律下擴(kuò)散界面兩側(cè)為不同材料的熱傳導(dǎo)問題,對(duì)比不同的擴(kuò)散界面數(shù)值處理方案求解得到溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)的前提下,探討本文中的熱-力-擴(kuò)散耦合理論在不同數(shù)值處理方案下的穩(wěn)定性。non-Fourier熱傳導(dǎo)定律下不同插值方案對(duì)溫度場(chǎng)在擴(kuò)散界面附近的分布有明顯改變,從而極大地改變局部的應(yīng)力分布。而針對(duì)本文的熱-力-擴(kuò)散耦合理論,不同的擴(kuò)散界面數(shù)值處理方案對(duì)求解的微結(jié)構(gòu)演化過程影響極小,具有較高的求解穩(wěn)定性。
【圖文】：

圖 1.1 快速燒結(jié)裝置的工作原理圖Fig.1.1 Working schematic of a FAST apparatus理的研究是理論研究工作的核心。到目前為止，對(duì)電流輔歸結(jié)為機(jī)械效應(yīng)，熱效應(yīng)和電效應(yīng)三個(gè)方面的影響。效應(yīng)流燒結(jié)裝置中，石墨模具及粉體受到數(shù)十甚至上百兆帕的力使得燒結(jié)顆粒之間接觸的更為緊密的同時(shí)增強(qiáng)了晶格擴(kuò)等在無壓燒結(jié)中存在的致密化機(jī)制，并可能激活如塑性變致密化機(jī)制。而當(dāng)快速電流燒結(jié)中的機(jī)械壓力增加至數(shù)粉末凝聚團(tuán)狀物將會(huì)在壓力的作用下破裂，團(tuán)狀物的破裂進(jìn)行重新排列，減少了燒結(jié)開始階段顆粒之間孔隙的大小化過程中對(duì)晶體生長的限制[10-12]。其次燒結(jié)過程在較高的發(fā)額外的致密化機(jī)制，包括因?yàn)榍?yīng)力隨溫度上升或冪的燒結(jié)顆粒塑性變形等[13-15]。近來高達(dá) 1GPa 壓力下的燒

圖 1.2 Fe-Cu 兩相燒結(jié)中 Cu 的擴(kuò)散過程Fig.1.2 The diffusion process of Cu during sintering.相場(chǎng)法建立在擴(kuò)散界面模型的基礎(chǔ)上，通過一系列相場(chǎng)變量來描述燒結(jié)不同狀態(tài)變量，采用能量的方法來描述微觀結(jié)構(gòu)的演化過程。謝輝[77]在中通過引入長程序參量來對(duì)顆粒晶界進(jìn)行描述，模擬了多球模型中 Mo 粉過程，其結(jié)果顯示表面擴(kuò)散為燒結(jié)主導(dǎo)機(jī)制。Zhang[78]在 Fe 和 Cu 混合粉模擬中考慮了表面擴(kuò)散與晶界擴(kuò)散，給出了如圖 1.2 所示的微觀結(jié)構(gòu)和兩度分布。馬文婧[79]利用晶體相場(chǎng)法研究了二元合金的形變過程中空洞的和生長過程。Wang[80]的研究中發(fā)現(xiàn)引入的燒結(jié)顆粒剛體運(yùn)動(dòng)在致密化過重要作用。相場(chǎng)方法在模擬燒結(jié)動(dòng)態(tài)過程中，由于避免了對(duì)界面位置的，極大的降低了計(jì)算難度，但用于描述微結(jié)構(gòu)演化過程的控制方程推導(dǎo)，，引入多物理場(chǎng)的耦合效應(yīng)也需要進(jìn)行額外的理論工作。 本文主要研究內(nèi)容
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB30

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2612243