【摘要】：微波燒結是一種新型材料制備技術,具有優(yōu)化材料微觀結構、增強材料力學性能等優(yōu)勢,然而受到微波燒結過程復雜多變、難以控制等因素的制約,微波燒結技術的大規(guī)模工業(yè)化應用一直難以實現(xiàn)。研究微波與材料相互作用機理,對更有效地掌握、應用和推廣微波燒結技術具有重要意義。本文首先闡述了全面深入了解微波與物質互作用的關鍵途徑,即研究微波電場和磁場各自與物質的相互作用機制,而其中的薄弱環(huán)節(jié)則是定量的微波磁場與物質的相互作用研究。然后分析了純磁場作用機理研究所面臨的難點與挑戰(zhàn),并提出了相應的解決方案,成功構建了一套可控駐波式微波磁場燒結同步輻射CT(SR-CT)實驗系統(tǒng)。基于本實驗系統(tǒng),針對磁性材料和非磁性材料兩類材料體系開展了微波磁場燒結SR-CT在線實驗,分別定量分析了顆粒間界面演化過程,在此基礎上研究了微波磁場對不同類型材料粒間界面的強化機制。最后,對研究內(nèi)容進行了總結,討論并展望了微波磁致粒間界面強化機制的進一步研究方向。本文的主要研究內(nèi)容如下:一、分析并解決了微波駐波諧振技術與SR-CT技術聯(lián)用所面臨的難題與挑戰(zhàn),構建了一套可控駐波式微波燒結SR-CT實驗系統(tǒng),為研究微波磁場與物質相互作用提供了設備基礎。通過研制適用于SR-CT開放環(huán)境的微波駐波諧振腔,保證了特殊開放環(huán)境下微波場型不發(fā)生畸變;通過設計在微波駐波環(huán)境中運行的SR-CT樣品位移旋轉系統(tǒng),保證在高溫微波條件下樣品能夠進行SR-CT高精度運動;通過設計微波駐波場型-樣品運動聯(lián)動方案,使得樣品處微波場參數(shù)在實驗中保持恒定。二、利用上述實驗系統(tǒng),開展了針對不同材料體系的微波磁場燒結SR-CT在線實驗,發(fā)現(xiàn)了多種特殊的粒間界面演化現(xiàn)象。在針對磁性材料體系的定量微波磁場燒結SR-CT實驗中,根據(jù)磁學性質的差異,選擇Ti、Ni兩種金屬材料及其混合物為實驗對象,發(fā)現(xiàn)了微波燒結溫度低于常規(guī)燒結溫度、粒間界面空間取向與磁場方向具有相關性、異質粒間界面發(fā)生反常定向移動等特殊現(xiàn)象。在針對非磁性材料體系的定量微波磁場燒結SR-CT實驗中,選擇氧化鋁為實驗對象,發(fā)現(xiàn)了顆粒異常長大受到抑制、顆粒體積均勻化等特殊現(xiàn)象。三、基于在線實驗結果,并結合數(shù)值模擬方法,分析了磁場與不同類型材料粒間界面的相互作用機制。對于磁性材料體系,通過對材料粒間界面處磁場的模擬計算和分析,發(fā)現(xiàn)微波磁場和磁損耗功率在粒間界面出選擇性增強,這可能是導致材料在微波磁場中燒結時燒結溫度降低的原因。異質界面兩邊物質磁損耗功率的差異,可能引發(fā)特殊的物質驅動力,導致跨界面物質輸運不平衡,進而產(chǎn)生異質界面反常定向移動現(xiàn)象。微波磁場方向改變導致粒間界面區(qū)域磁損耗功率分布發(fā)生變化,因此粒間界面面積增長速率與磁場方向具有一定的相關性。對于非磁性材料體系,也存在微波磁場在粒間界面處選擇性增強;此外,一種磁致極化安培力機制將導致物質由體積較大顆粒向體積較小顆粒輸運,使得顆粒異常長大受到抑制、產(chǎn)生顆粒均勻化現(xiàn)象。
【圖文】：

研宄微波－物質作用機理是實現(xiàn)微波燒結技術精準控制的關鍵途徑。但是，逡逑目前的研究表明，微波燒結過程中微波與物質之間是相互耦合的，相關作用機制逡逑十分復雜，，如圖１．２所示。一方面，微波對物質發(fā)生作用，即微波場能量在材料逡逑內(nèi)部發(fā)生耗散轉變?yōu)闊崮�，進而產(chǎn)生熱驅動力，在熱驅動力作用下，燒結體內(nèi)部逡逑發(fā)生物質遷移輸運［６１－６２］，微觀結構（如燒結頸、氣孔和晶粒表界面等）發(fā)生演逡逑化變形（如頸部長大、氣孔收縮和晶界遷移等）［６３－６７］；同時，微波電磁場也可逡逑能直接作用于物質（不經(jīng)過熱能轉化），產(chǎn)生電磁力等力學作用［６８－６９］或改變物逡逑質擴散激活能等特殊效果［７０］，進一步提升了材料物質的演化速率。另一方面，逡逑物質可對微波場起到反饋調節(jié)作用，即材料的介入使微波電磁場的強度分布和傳逡逑播方向發(fā)生改變，例如微波電場向燒結頸附近集中等Ｐ１－７２］。逡逑２逡

如何分離微波電場分量和磁場分量以獲得純磁場環(huán)境，以及如何定量逡逑地調控微波磁場？傳統(tǒng)的微波燒結設備中，微波沿傾斜角度進入燒結腔，然后被逡逑金屬腔壁多次反射，從而充滿整個燒結腔體，如圖１．３所示。實際上，腔體內(nèi)的逡逑微波處于“行波”狀態(tài)，在任意空間位置，電場強度和磁場強度始終在變化（二逡逑者需保證能量守恒），也即電場分量和磁場分量無法相互分離。因此，為了構建逡逑本研宄所需的定量可控純微波磁場環(huán)境，必須設計研制全新的微波燒結腔體。新逡逑腔體的結構特征（形狀、尺寸）如何設計、微波饋入端口如何選擇、微波磁場分逡逑布如何確定和調節(jié)等問題都需要解決。逡逑圖１．３多模微波燒結爐及其內(nèi)部微波場型分布逡逑其次，在高溫及微波磁場環(huán)境中聯(lián)用ＳＲ－ＣＴ技術存在著多方面的問題。例如逡逑ＳＲ－ＣＴ技術要求同步輻射光路不能被遮擋，而微波燒結需要封閉環(huán)境產(chǎn)生微波場，逡逑二者之間存在矛盾；ＳＲ－ＣＴ技術要求樣品作高精度位移旋轉運動，如何在高溫微逡逑波環(huán)境中保證樣品的運動精度是一個極大的挑戰(zhàn)；微波電磁場的空間梯度很大，逡逑樣品位置的微小變動將使其受到的電磁參數(shù)發(fā)生明顯變化
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM271;TN015

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本文編號：2711537