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结合相场法的热—力—扩散耦合理论研究

【摘要】:电流辅助烧结技术具有升温快速,烧结温度低,烧结时间短的特点,由于烧结成品晶粒均匀细小,致密度高,内部缺陷少的特点,目前已成功应用于各类陶瓷材料,功能梯度材料以及纳米材料的制备。烧结中,几千甚至上万安培强电流直接通过模具两端的金属压头及石墨模具使烧结粉体在高温和高温度梯度,经过压实的粉体在短时间内(最快几分钟或十几分钟)达到较高的致密度并完成烧结。虽然电流辅助快速烧结技术已经在许多新材料的制备中得到较好的发展,但其烧结机理还存在争论,没有取得业界的共识。论文针对非导电粉体,将电流辅助烧结过程归结在外加压力,高温度梯度和高温升率下烧结粉体微结构的演化问题,其中热-力-扩散之间的耦合作用的定量描述与数值计算是问题的关键。论文首先从基本方程出发,推导了适用于热-力-扩散共同作用下的耦合方程。其次,将这一热-力-扩散耦合方程从平衡态扩展到非平衡态,建立了相应的相场计算格式。在这个过程中,模型中的热力学和动力学系数通过相界面分析与传统的尖锐或薄界面方程中的参数相匹配,其解由弱解形式给出。基于以上工作,论文针对四球模型在强热冲击作用下形态结构的演化过程进行了数值模拟计算,讨论了温度场,应力场与扩散之间的相互影响,以及作为扩散驱动力的化学势梯度在耦合条件下的变化规律。进一步的,针对non-Fourier热传导条件下扩散界面内的热传导问题,详细研究三种不同的数值处理方案下扩散界面模型中温度场分布的特点,并与尖锐界面模型的温度场分布相比较,并对不同数值处理方案对微结构演化和扩散驱动力的影响进行了分析。论文按以下章节进行阐述。第一章中,我们简要介绍了电流辅助烧结技术热-力-扩散耦合理论和烧结数值模拟方法的研究现状,并简要介绍了本文的工作。第二章详细介绍了考虑非平衡态的热-弹-扩散理论,并通过数值方法验证了广义热力学相容性。第三章以烧结粉体中的典型四颗粒模型为例,分析在不同外加压力和温度边界条件条件下,温度,应力和浓度间的耦合效应与对演化过程的影响。结果表明,在给定的条件下外加应力场和外加温度场导致的热应力对扩散的影响极小,而扩散行为中浓度变化引起的应力变化十分明显;同时微结构的温度和温度梯度对温度场的演化有显著的影响,而在温度场则对浓度场的变化不敏感。第四章研究了non-Fourier热传导定律下扩散界面两侧为不同材料的热传导问题,对比不同的扩散界面数值处理方案求解得到温度场分布特点的前提下,探讨本文中的热-力-扩散耦合理论在不同数值处理方案下的稳定性。non-Fourier热传导定律下不同插值方案对温度场在扩散界面附近的分布有明显改变,从而极大地改变局部的应力分布。而针对本文的热-力-扩散耦合理论,不同的扩散界面数值处理方案对求解的微结构演化过程影响极小,具有较高的求解稳定性。

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