【摘要】：微波燒結(jié)是一種新型材料制備技術(shù),具有優(yōu)化材料微觀結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)材料力學(xué)性能等優(yōu)勢(shì),然而受到微波燒結(jié)過程復(fù)雜多變、難以控制等因素的制約,微波燒結(jié)技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用一直難以實(shí)現(xiàn)。研究微波與材料相互作用機(jī)理,對(duì)更有效地掌握、應(yīng)用和推廣微波燒結(jié)技術(shù)具有重要意義。本文首先闡述了全面深入了解微波與物質(zhì)互作用的關(guān)鍵途徑,即研究微波電場(chǎng)和磁場(chǎng)各自與物質(zhì)的相互作用機(jī)制,而其中的薄弱環(huán)節(jié)則是定量的微波磁場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用研究。然后分析了純磁場(chǎng)作用機(jī)理研究所面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn),并提出了相應(yīng)的解決方案,成功構(gòu)建了一套可控駐波式微波磁場(chǎng)燒結(jié)同步輻射CT(SR-CT)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。基于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),針對(duì)磁性材料和非磁性材料兩類材料體系開展了微波磁場(chǎng)燒結(jié)SR-CT在線實(shí)驗(yàn),分別定量分析了顆粒間界面演化過程,在此基礎(chǔ)上研究了微波磁場(chǎng)對(duì)不同類型材料粒間界面的強(qiáng)化機(jī)制。最后,對(duì)研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié),討論并展望了微波磁致粒間界面強(qiáng)化機(jī)制的進(jìn)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(shù)與SR-CT技術(shù)聯(lián)用所面臨的難題與挑戰(zhàn),構(gòu)建了一套可控駐波式微波燒結(jié)SR-CT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),為研究微波磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用提供了設(shè)備基礎(chǔ)。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(chǎng)型不發(fā)生畸變;通過設(shè)計(jì)在微波駐波環(huán)境中運(yùn)行的SR-CT樣品位移旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),保證在高溫微波條件下樣品能夠進(jìn)行SR-CT高精度運(yùn)動(dòng);通過設(shè)計(jì)微波駐波場(chǎng)型-樣品運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)方案,使得樣品處微波場(chǎng)參數(shù)在實(shí)驗(yàn)中保持恒定。二、利用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開展了針對(duì)不同材料體系的微波磁場(chǎng)燒結(jié)SR-CT在線實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了多種特殊的粒間界面演化現(xiàn)象。在針對(duì)磁性材料體系的定量微波磁場(chǎng)燒結(jié)SR-CT實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)磁學(xué)性質(zhì)的差異,選擇Ti、Ni兩種金屬材料及其混合物為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,發(fā)現(xiàn)了微波燒結(jié)溫度低于常規(guī)燒結(jié)溫度、粒間界面空間取向與磁場(chǎng)方向具有相關(guān)性、異質(zhì)粒間界面發(fā)生反常定向移動(dòng)等特殊現(xiàn)象。在針對(duì)非磁性材料體系的定量微波磁場(chǎng)燒結(jié)SR-CT實(shí)驗(yàn)中,選擇氧化鋁為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果,并結(jié)合數(shù)值模擬方法,分析了磁場(chǎng)與不同類型材料粒間界面的相互作用機(jī)制。對(duì)于磁性材料體系,通過對(duì)材料粒間界面處磁場(chǎng)的模擬計(jì)算和分析,發(fā)現(xiàn)微波磁場(chǎng)和磁損耗功率在粒間界面出選擇性增強(qiáng),這可能是導(dǎo)致材料在微波磁場(chǎng)中燒結(jié)時(shí)燒結(jié)溫度降低的原因。異質(zhì)界面兩邊物質(zhì)磁損耗功率的差異,可能引發(fā)特殊的物質(zhì)驅(qū)動(dòng)力,導(dǎo)致跨界面物質(zhì)輸運(yùn)不平衡,進(jìn)而產(chǎn)生異質(zhì)界面反常定向移動(dòng)現(xiàn)象。微波磁場(chǎng)方向改變導(dǎo)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(chǎng)方向具有一定的相關(guān)性。對(duì)于非磁性材料體系,也存在微波磁場(chǎng)在粒間界面處選擇性增強(qiáng);此外,一種磁致極化安培力機(jī)制將導(dǎo)致物質(zhì)由體積較大顆粒向體積較小顆粒輸運(yùn),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(zhì)作用機(jī)理是實(shí)現(xiàn)微波燒結(jié)技術(shù)精準(zhǔn)控制的關(guān)鍵途徑。但是，逡逑目前的研究表明，微波燒結(jié)過程中微波與物質(zhì)之間是相互耦合的，相關(guān)作用機(jī)制逡逑十分復(fù)雜，，如圖１．２所示。一方面，微波對(duì)物質(zhì)發(fā)生作用，即微波場(chǎng)能量在材料逡逑內(nèi)部發(fā)生耗散轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽M(jìn)而產(chǎn)生熱驅(qū)動(dòng)力，在熱驅(qū)動(dòng)力作用下，燒結(jié)體內(nèi)部逡逑發(fā)生物質(zhì)遷移輸運(yùn)［６１－６２］，微觀結(jié)構(gòu)（如燒結(jié)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(shí)，微波電磁場(chǎng)也可逡逑能直接作用于物質(zhì)（不經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)化），產(chǎn)生電磁力等力學(xué)作用［６８－６９］或改變物逡逑質(zhì)擴(kuò)散激活能等特殊效果［７０］，進(jìn)一步提升了材料物質(zhì)的演化速率。另一方面，逡逑物質(zhì)可對(duì)微波場(chǎng)起到反饋調(diào)節(jié)作用，即材料的介入使微波電磁場(chǎng)的強(qiáng)度分布和傳逡逑播方向發(fā)生改變，例如微波電場(chǎng)向燒結(jié)頸附近集中等Ｐ１－７２］。逡逑２逡

如何分離微波電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量以獲得純磁場(chǎng)環(huán)境，以及如何定量逡逑地調(diào)控微波磁場(chǎng)？傳統(tǒng)的微波燒結(jié)設(shè)備中，微波沿傾斜角度進(jìn)入燒結(jié)腔，然后被逡逑金屬腔壁多次反射，從而充滿整個(gè)燒結(jié)腔體，如圖１．３所示。實(shí)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(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度始終在變化（二逡逑者需保證能量守恒），也即電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量無法相互分離。因此，為了構(gòu)建逡逑本研宄所需的定量可控純微波磁場(chǎng)環(huán)境，必須設(shè)計(jì)研制全新的微波燒結(jié)腔體。新逡逑腔體的結(jié)構(gòu)特征（形狀、尺寸）如何設(shè)計(jì)、微波饋入端口如何選擇、微波磁場(chǎng)分逡逑布如何確定和調(diào)節(jié)等問題都需要解決。逡逑圖１．３多模微波燒結(jié)爐及其內(nèi)部微波場(chǎng)型分布逡逑其次，在高溫及微波磁場(chǎng)環(huán)境中聯(lián)用ＳＲ－ＣＴ技術(shù)存在著多方面的問題。例如逡逑ＳＲ－ＣＴ技術(shù)要求同步輻射光路不能被遮擋，而微波燒結(jié)需要封閉環(huán)境產(chǎn)生微波場(chǎng)，逡逑二者之間存在矛盾；ＳＲ－ＣＴ技術(shù)要求樣品作高精度位移旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如何在高溫微逡逑波環(huán)境中保證樣品的運(yùn)動(dòng)精度是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)；微波電磁場(chǎng)的空間梯度很大，逡逑樣品位置的微小變動(dòng)將使其受到的電磁參數(shù)發(fā)生明顯變化
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM271;TN015

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本文編號(hào)：2711537