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微波电磁场作用下材料微结构演化的相场模拟研究

【摘要】:微波烧结是一种新型的粉末冶金工艺,其具有快速、高效和显著改善材料微观结构和宏观性能等优势,是快速制备高质量新材料和具有新材料性能的传统材料的重要技术手段。微波烧结是多物理场耦合的复杂作用过程,研究微波与材料间相互作用机理,对进一步揭示微波烧结原理、指导实际生产具有重要意义。本文采用相场法,分别对微波电磁场与材料耦合作用下粉末陶瓷和金属的微结构演化开展了数值模拟研究,并结合SR-CT在线实验进行了验证。本文的研究内容概括如下:1、改进了传统固相烧结相场模型,引入微波非热效应对物质扩散的作用,模拟了粉末陶瓷微波烧结微结构孔隙演化的过程,并基于在线实验验证了模型的可靠性。根据微波烧结的特点,结合陶瓷材料常规烧结过程的烧结机制,探索和发展了以离子电导扩散为主的微波烧结动力学机理,并利用相场动力学理论,将电磁-热-耦合作用引入相场动力学方程,建立了微结构演化的相场模型,并模拟了微波电场作用下离子晶体陶瓷烧结过程中孔隙的演化过程,结果表明在微波电场作用下物质从电场聚焦的区域向其它区域迁移,导致孔隙在演化过程中长轴倾向于向外电场垂直方向变化,孔隙方向发生偏转。2、在传统相场模型的基础上引入金属颗粒间安培驱动力,对粉末金属微波烧结微结构演化进行了分析与模拟。基于金属粉末压坯在微波电磁场中的涡流效应,分析了金属表面的安培驱动力,解释了微波促进金属粉末烧结的机理。将这一力引入相场动力学模型,建立了金属微波烧结微结构演化的相场模型,并模拟了条状孔隙的演化过程,模拟结果表明金属烧结体中存在的条状孔隙会孔隙沿短轴方向闭合,且电磁场强度越高,安培驱动力越强,孔隙闭合的速率越快。3、开展了微波烧结氧化铝陶瓷和粉末金属铝的SR-CT在线观测实验,将实验得到的结果与模拟所得结果对比和分析,验证了数值模型和模拟结果的可靠性和准确性。分析了氧化铝的SR-CT重建结果中样品烧结前后样品孔隙的分布特征,结果表明烧结后孔隙方向发生偏转,与分析和模拟结果一致。在金属铝微波烧结在线实验结果中发现孔隙随烧结时间逐渐闭合的现象,基于实验图像模拟了孔隙的演化过程,模拟结果与实验结果基本符合,验证了理论分析和模拟的合理性。本文通过理论分析、数值模拟和实验验证三个方面,研究了陶瓷和金属微波烧结微结构演化机制。理论分析为数值模拟提供理论依据,实验为理论和模拟提供验证,三方面间相互支持和验证,从而实现对烧结机理的深入认识和对实际烧结过程的预测,为深入探究多场耦合作用下材料微结构演化提供了理论依据与分析途径。

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