隨著科技與工業(yè)的快速發(fā)展,材料制備技術(shù)的要求也逐步提高,電流輔助燒結(jié)技術(shù)應運而生。電流輔助燒結(jié)是采用交流或直流脈沖大電流通過粉體實現(xiàn)快速燒結(jié)和致密化的工藝。相比于粉末激光燒結(jié)等新工藝,其產(chǎn)品具有更好的力學性能,在降低成本,減小能耗的同時燒結(jié)時間最低縮短到十幾分鐘,有著極其誘人的工業(yè)應用前景。其燒結(jié)機理的研究正是工業(yè)化推廣的最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵問題,它將為電流輔助燒結(jié)技術(shù)的生產(chǎn)工藝優(yōu)化與材料性能的控制提供直接指導,有助于開發(fā)定制具有特定微觀結(jié)構(gòu)和性能的新型材料。論文以碳化硅陶瓷材料為研究對象,主要完成了以下三方面的工作:（i）不同于傳統(tǒng)相場法的單向耦合,本文建立了一套結(jié)合相場法的熱-力-電-擴散交互耦合方程,對碳化硅粉末在燒結(jié)中的成型機理、燒結(jié)驅(qū)動力的演化以及各物理場對燒結(jié)致密化的作用進行了研究;（ii）在熱壓燒結(jié)模擬中,給出了濃度、溫度和應變梯度驅(qū)動力在燒結(jié)中的占比變化趨勢,發(fā)現(xiàn)在不同燒結(jié)階段三種驅(qū)動力占比會發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折,據(jù)此提出了燒結(jié)的三階段假設(shè);（iii）在電流輔助燒結(jié)模擬中,電流密度對燒結(jié)激活能的影響通過擴散系數(shù)引入耦合方程,實現(xiàn)了電流活化作用可實時影響擴散行為,以此模擬電流輔助燒結(jié)的... 

【文章來源】：重慶大學重慶市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：碩士

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燒結(jié)不同時期，(a)顆粒初始接觸(b)燒結(jié)頸部長大(c)孔隙球化(d)孔隙縮小Fig.1.1Stagesofsintering.(a)Theinitialpointcontact,(b)Sinteringneckgrewup,(c)Pore

重慶大學碩士學位論文2大，致使孔隙球化并逐漸縮小接近消失的燒結(jié)致密化階段。圖1.1所示為二維-四球模型的燒結(jié)階段。燒結(jié)的結(jié)果是顆粒之間發(fā)生粘結(jié)，頸部逐步生長，孔隙縮小，最終形成緊實致密的成品。圖1.2為氧化鋁電流輔助燒結(jié)(ElectricCurrentAssistedSintering,ECAS)過程的微結(jié)構(gòu)演化[6]。對燒結(jié)的研究總是圍繞著兩個最基本的問題進行展開：（1）燒結(jié)發(fā)生的驅(qū)動力的來源。（2）燒結(jié)過程中組份物質(zhì)遷移機制及動力學過程。圖1.1燒結(jié)不同時期，(a)顆粒初始接觸(b)燒結(jié)頸部長大(c)孔隙球化(d)孔隙縮小Fig.1.1Stagesofsintering.(a)Theinitialpointcontact,(b)Sinteringneckgrewup,(c)Porespheroidization,(d)Poreshrink圖1.2氧化鋁ECAS燒結(jié)過程微結(jié)構(gòu)演化[6]Fig.1.2MicrostructureevolutionofaluminaECASsintering[6]從燒結(jié)整體系統(tǒng)的能量變化上看[7-9]，燒結(jié)就是松散粉末即高能量密度狀態(tài)向致密晶體即低能量密度狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。因此，燒結(jié)是一個以系統(tǒng)總過剩自由能為驅(qū)動力的不可逆過程。其驅(qū)動力的表征主要有以下幾種提法：（1）本征過剩表面能驅(qū)動力；（2）本征Laplace應力；（3）化學勢梯度驅(qū)動力。它是根據(jù)粉末接觸區(qū)域的本征Laplace應力在燒結(jié)頸部平面之間會產(chǎn)生一個化學勢差，并轉(zhuǎn)化成化學勢梯度，以此作為燒結(jié)的驅(qū)動力；（4）飽和蒸氣壓差。燒結(jié)過程中還可能發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象，可以從物質(zhì)蒸發(fā)角度來研究燒結(jié)驅(qū)動力。

1緒論3在粉末燒結(jié)中孔隙作為獨特的結(jié)構(gòu)存在，孔隙的形態(tài)演化與燒結(jié)驅(qū)動力有直接的聯(lián)系，因此，通過孔隙曲率來計算燒結(jié)驅(qū)動力也是一個重要的方法。Clemm與Fisher[10]運用理想幾何模型推導，給出孔洞曲率與系統(tǒng)表面能和晶界能與之間的關(guān)系，以此為曲率法計算燒結(jié)驅(qū)動力打下了根基。之后Gregg[11]，Aigeltinger[12]將孔洞曲率與系統(tǒng)表面能和晶界能與之間的關(guān)系進一步修正與完善。目前為止曲率法已得到大量理論與實驗的驗證[13-16]。從能量角度上講，擴散是由于體系內(nèi)原子或離子在化學勢梯度場中所發(fā)生的特定方向的遷移過程。從物質(zhì)遷移機制來看，固相燒結(jié)過程以相鄰顆粒間的接觸頸部形成作為開始，隨后物質(zhì)向四周空位擴散，空位體積減小，逐步達到致密化。Kuczynski和Coble等人[17,18]在運用板-球、等徑兩球模型推導出了體積擴散、表面擴散、晶界擴散、蒸發(fā)凝結(jié)等擴散機制下的穩(wěn)定頸長動力學方程，如圖1.3所示。它本質(zhì)上是Fick定律在固態(tài)顆粒燒結(jié)問題中應用得到的結(jié)果，已經(jīng)得到大量工程實踐的證實。它為我們判斷燒結(jié)初期的物質(zhì)遷移機制，提供測定擴散系數(shù)的參考方法，給出物質(zhì)遷移元過程及機制，提供選用粉末粒度范圍提供了一個重要的理論工具。但是我們需要注意的是，這幾種擴散機制并沒有明確的界限，在多數(shù)情況下它們是某二種或二種以上的機制在共同作用。該頸長動力學方程難以兼顧多種機制的相互作用。圖1.3燒結(jié)中各種擴散機制，Dvol：體積擴散，Ds：表面擴散，Dgb：晶界擴散，Dvap：蒸發(fā)凝結(jié)Fig.1.3Differentdiffusionmechanismsinsintering,Dvol：Volumediffusion,Ds：Surfacediffusion,Dgb：Grainboundarydiffusion,Dvap：Evaporationcondensation

【參考文獻】：
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本文編號：3398855