基于多物理场耦合结合相场法的电流辅助烧结快速致密化机理研究
发布时间：2021-09-17 13:49
随着科技与工业的快速发展,材料制备技术的要求也逐步提高,电流辅助烧结技术应运而生。电流辅助烧结是采用交流或直流脉冲大电流通过粉体实现快速烧结和致密化的工艺。相比于粉末激光烧结等新工艺,其产品具有更好的力学性能,在降低成本,减小能耗的同时烧结时间最低缩短到十几分钟,有着极其诱人的工业应用前景。其烧结机理的研究正是工业化推广的最为基础和关键问题,它将为电流辅助烧结技术的生产工艺优化与材料性能的控制提供直接指导,有助于开发定制具有特定微观结构和性能的新型材料。论文以碳化硅陶瓷材料为研究对象,主要完成了以下三方面的工作:（i）不同于传统相场法的单向耦合,本文建立了一套结合相场法的热-力-电-扩散交互耦合方程,对碳化硅粉末在烧结中的成型机理、烧结驱动力的演化以及各物理场对烧结致密化的作用进行了研究;（ii）在热压烧结模拟中,给出了浓度、温度和应变梯度驱动力在烧结中的占比变化趋势,发现在不同烧结阶段三种驱动力占比会发生明显转折,据此提出了烧结的三阶段假设;（iii）在电流辅助烧结模拟中,电流密度对烧结激活能的影响通过扩散系数引入耦合方程,实现了电流活化作用可实时影响扩散行为,以此模拟电流辅助烧结的...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
烧结不同时期，(a)颗粒初始接触(b)烧结颈部长大(c)孔隙球化(d)孔隙缩小Fig.1.1Stagesofsintering.(a)Theinitialpointcontact,(b)Sinteringneckgrewup,(c)Pore
重庆大学硕士学位论文2大，致使孔隙球化并逐渐缩小接近消失的烧结致密化阶段。图1.1所示为二维-四球模型的烧结阶段。烧结的结果是颗粒之间发生粘结，颈部逐步生长，孔隙缩小，最终形成紧实致密的成品。图1.2为氧化铝电流辅助烧结(ElectricCurrentAssistedSintering,ECAS)过程的微结构演化[6]。对烧结的研究总是围绕着两个最基本的问题进行展开：（1）烧结发生的驱动力的来源。（2）烧结过程中组份物质迁移机制及动力学过程。图1.1烧结不同时期，(a)颗粒初始接触(b)烧结颈部长大(c)孔隙球化(d)孔隙缩小Fig.1.1Stagesofsintering.(a)Theinitialpointcontact,(b)Sinteringneckgrewup,(c)Porespheroidization,(d)Poreshrink图1.2氧化铝ECAS烧结过程微结构演化[6]Fig.1.2MicrostructureevolutionofaluminaECASsintering[6]从烧结整体系统的能量变化上看[7-9]，烧结就是松散粉末即高能量密度状态向致密晶体即低能量密度状态转化的过程。因此，烧结是一个以系统总过剩自由能为驱动力的不可逆过程。其驱动力的表征主要有以下几种提法：（1）本征过剩表面能驱动力；（2）本征Laplace应力；（3）化学势梯度驱动力。它是根据粉末接触区域的本征Laplace应力在烧结颈部平面之间会产生一个化学势差，并转化成化学势梯度，以此作为烧结的驱动力；（4）饱和蒸气压差。烧结过程中还可能发生蒸发现象，可以从物质蒸发角度来研究烧结驱动力。
1绪论3在粉末烧结中孔隙作为独特的结构存在，孔隙的形态演化与烧结驱动力有直接的联系，因此，通过孔隙曲率来计算烧结驱动力也是一个重要的方法。Clemm与Fisher[10]运用理想几何模型推导，给出孔洞曲率与系统表面能和晶界能与之间的关系，以此为曲率法计算烧结驱动力打下了根基。之后Gregg[11]，Aigeltinger[12]将孔洞曲率与系统表面能和晶界能与之间的关系进一步修正与完善。目前为止曲率法已得到大量理论与实验的验证[13-16]。从能量角度上讲，扩散是由于体系内原子或离子在化学势梯度场中所发生的特定方向的迁移过程。从物质迁移机制来看，固相烧结过程以相邻颗粒间的接触颈部形成作为开始，随后物质向四周空位扩散，空位体积减小，逐步达到致密化。Kuczynski和Coble等人[17,18]在运用板-球、等径两球模型推导出了体积扩散、表面扩散、晶界扩散、蒸发凝结等扩散机制下的稳定颈长动力学方程，如图1.3所示。它本质上是Fick定律在固态颗粒烧结问题中应用得到的结果，已经得到大量工程实践的证实。它为我们判断烧结初期的物质迁移机制，提供测定扩散系数的参考方法，给出物质迁移元过程及机制，提供选用粉末粒度范围提供了一个重要的理论工具。但是我们需要注意的是，这几种扩散机制并没有明确的界限，在多数情况下它们是某二种或二种以上的机制在共同作用。该颈长动力学方程难以兼顾多种机制的相互作用。图1.3烧结中各种扩散机制，Dvol：体积扩散，Ds：表面扩散，Dgb：晶界扩散，Dvap：蒸发凝结Fig.1.3Differentdiffusionmechanismsinsintering,Dvol：Volumediffusion,Ds：Surfacediffusion,Dgb：Grainboundarydiffusion,Dvap：Evaporationcondensation
【参考文献】：
期刊论文
[1]二元合金体系形变过程中Kirkendall空洞形貌演化和生长动力学的晶体相场法研究（英文）[J]. 马文婧,柯常波,梁水保,周敏波,张新平. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017(03)
[2]Micro-FAST制备氧化铝微型零件[J]. 郭健,陈怡,杨刚,潘秀秀,尹德强. 功能材料. 2016(11)
[3]多物理场耦合烧结超细铜粉的致密化研究[J]. 苏颖,吴明霞,杨屹,杨刚,刘剑,周宇. 四川大学学报(工程科学版). 2016(S1)
[4]多物理场耦合烧结纯铁粉的动力学及机制[J]. 陈曦,杨刚,杨屹,尹德强,杨德方. 材料热处理学报. 2014(02)
[5]Micro-FAST中升温速率和烧结温度对零件致密化的影响[J]. 杨先芝,杨屹,杨刚,黄坤兰. 四川大学学报(工程科学版). 2013(S1)
[6]电热冲击对多物理场耦合烧结收缩致密化的影响[J]. 吴明霞,杨刚,杨屹,尹德强,杨德方. 四川大学学报(工程科学版). 2013(S1)
[7]按非Fourier定律分析陶瓷薄膜受热沉积作用的热力耦合问题[J]. 张晓敏,陈立群,张龙. 重庆大学学报. 2013(05)
[8]钛合金放电等离子烧结温度分布和电流密度的数值模拟[J]. 郭世柏,肖勇,郑洲顺,蔡春波,刘健康,张勇强. 热加工工艺. 2013(08)
[9]600碳化硅陶瓷的粉末注射成形及其导电特性[J]. 薛忠刚,赵亚林. 中国新技术新产品. 2012(09)
[10]CuNi合金放电等离子烧结温度场的热电耦合分析[J]. 孙燕,骆俊廷,江磊,张春祥. 粉末冶金材料科学与工程. 2012(01)
博士论文
[1]粉末固相烧结的数值模拟和理论问题研究[D]. 牛玉.中国科学技术大学 2013
[2]多物理场耦合条件下金属与陶瓷（金属）的扩散连接界面结构特征及力学性能研究[D]. 胡利方.太原理工大学 2013
[3]烧结过程中微观结构演变行为的Monte Carlo模拟[D]. 刘建元.中南大学 2011
[4]陶瓷材料脉冲电流烧结机理的研究[D]. 张东明.武汉理工大学 2002
硕士论文
[1]TC4钛合金电塑性拉拔变形行为及机理[D]. 周岩.大连理工大学 2013
[2]稀土铝酸盐的粉体制备及其烧结行为研究[D]. 孙瑞峰.青岛大学 2010
[3]ZrB2陶瓷烧结初期蒙特卡罗模拟[D]. 刘广义.哈尔滨工业大学 2008
[4]A1N 陶瓷的SPS烧结致密化及其机理研究[D]. 李淘.武汉理工大学 2005
[5]脉冲大电流加热条件下原子的扩散机理[D]. 谭天亚.武汉理工大学 2003
本文编号：3398855
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
烧结不同时期，(a)颗粒初始接触(b)烧结颈部长大(c)孔隙球化(d)孔隙缩小Fig.1.1Stagesofsintering.(a)Theinitialpointcontact,(b)Sinteringneckgrewup,(c)Pore
重庆大学硕士学位论文2大，致使孔隙球化并逐渐缩小接近消失的烧结致密化阶段。图1.1所示为二维-四球模型的烧结阶段。烧结的结果是颗粒之间发生粘结，颈部逐步生长，孔隙缩小，最终形成紧实致密的成品。图1.2为氧化铝电流辅助烧结(ElectricCurrentAssistedSintering,ECAS)过程的微结构演化[6]。对烧结的研究总是围绕着两个最基本的问题进行展开：（1）烧结发生的驱动力的来源。（2）烧结过程中组份物质迁移机制及动力学过程。图1.1烧结不同时期，(a)颗粒初始接触(b)烧结颈部长大(c)孔隙球化(d)孔隙缩小Fig.1.1Stagesofsintering.(a)Theinitialpointcontact,(b)Sinteringneckgrewup,(c)Porespheroidization,(d)Poreshrink图1.2氧化铝ECAS烧结过程微结构演化[6]Fig.1.2MicrostructureevolutionofaluminaECASsintering[6]从烧结整体系统的能量变化上看[7-9]，烧结就是松散粉末即高能量密度状态向致密晶体即低能量密度状态转化的过程。因此，烧结是一个以系统总过剩自由能为驱动力的不可逆过程。其驱动力的表征主要有以下几种提法：（1）本征过剩表面能驱动力；（2）本征Laplace应力；（3）化学势梯度驱动力。它是根据粉末接触区域的本征Laplace应力在烧结颈部平面之间会产生一个化学势差，并转化成化学势梯度，以此作为烧结的驱动力；（4）饱和蒸气压差。烧结过程中还可能发生蒸发现象，可以从物质蒸发角度来研究烧结驱动力。
1绪论3在粉末烧结中孔隙作为独特的结构存在，孔隙的形态演化与烧结驱动力有直接的联系，因此，通过孔隙曲率来计算烧结驱动力也是一个重要的方法。Clemm与Fisher[10]运用理想几何模型推导，给出孔洞曲率与系统表面能和晶界能与之间的关系，以此为曲率法计算烧结驱动力打下了根基。之后Gregg[11]，Aigeltinger[12]将孔洞曲率与系统表面能和晶界能与之间的关系进一步修正与完善。目前为止曲率法已得到大量理论与实验的验证[13-16]。从能量角度上讲，扩散是由于体系内原子或离子在化学势梯度场中所发生的特定方向的迁移过程。从物质迁移机制来看，固相烧结过程以相邻颗粒间的接触颈部形成作为开始，随后物质向四周空位扩散，空位体积减小，逐步达到致密化。Kuczynski和Coble等人[17,18]在运用板-球、等径两球模型推导出了体积扩散、表面扩散、晶界扩散、蒸发凝结等扩散机制下的稳定颈长动力学方程，如图1.3所示。它本质上是Fick定律在固态颗粒烧结问题中应用得到的结果，已经得到大量工程实践的证实。它为我们判断烧结初期的物质迁移机制，提供测定扩散系数的参考方法，给出物质迁移元过程及机制，提供选用粉末粒度范围提供了一个重要的理论工具。但是我们需要注意的是，这几种扩散机制并没有明确的界限，在多数情况下它们是某二种或二种以上的机制在共同作用。该颈长动力学方程难以兼顾多种机制的相互作用。图1.3烧结中各种扩散机制，Dvol：体积扩散，Ds：表面扩散，Dgb：晶界扩散，Dvap：蒸发凝结Fig.1.3Differentdiffusionmechanismsinsintering,Dvol：Volumediffusion,Ds：Surfacediffusion,Dgb：Grainboundarydiffusion,Dvap：Evaporationcondensation
【参考文献】：
期刊论文
[1]二元合金体系形变过程中Kirkendall空洞形貌演化和生长动力学的晶体相场法研究（英文）[J]. 马文婧,柯常波,梁水保,周敏波,张新平. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017(03)
[2]Micro-FAST制备氧化铝微型零件[J]. 郭健,陈怡,杨刚,潘秀秀,尹德强. 功能材料. 2016(11)
[3]多物理场耦合烧结超细铜粉的致密化研究[J]. 苏颖,吴明霞,杨屹,杨刚,刘剑,周宇. 四川大学学报(工程科学版). 2016(S1)
[4]多物理场耦合烧结纯铁粉的动力学及机制[J]. 陈曦,杨刚,杨屹,尹德强,杨德方. 材料热处理学报. 2014(02)
[5]Micro-FAST中升温速率和烧结温度对零件致密化的影响[J]. 杨先芝,杨屹,杨刚,黄坤兰. 四川大学学报(工程科学版). 2013(S1)
[6]电热冲击对多物理场耦合烧结收缩致密化的影响[J]. 吴明霞,杨刚,杨屹,尹德强,杨德方. 四川大学学报(工程科学版). 2013(S1)
[7]按非Fourier定律分析陶瓷薄膜受热沉积作用的热力耦合问题[J]. 张晓敏,陈立群,张龙. 重庆大学学报. 2013(05)
[8]钛合金放电等离子烧结温度分布和电流密度的数值模拟[J]. 郭世柏,肖勇,郑洲顺,蔡春波,刘健康,张勇强. 热加工工艺. 2013(08)
[9]600碳化硅陶瓷的粉末注射成形及其导电特性[J]. 薛忠刚,赵亚林. 中国新技术新产品. 2012(09)
[10]CuNi合金放电等离子烧结温度场的热电耦合分析[J]. 孙燕,骆俊廷,江磊,张春祥. 粉末冶金材料科学与工程. 2012(01)
博士论文
[1]粉末固相烧结的数值模拟和理论问题研究[D]. 牛玉.中国科学技术大学 2013
[2]多物理场耦合条件下金属与陶瓷（金属）的扩散连接界面结构特征及力学性能研究[D]. 胡利方.太原理工大学 2013
[3]烧结过程中微观结构演变行为的Monte Carlo模拟[D]. 刘建元.中南大学 2011
[4]陶瓷材料脉冲电流烧结机理的研究[D]. 张东明.武汉理工大学 2002
硕士论文
[1]TC4钛合金电塑性拉拔变形行为及机理[D]. 周岩.大连理工大学 2013
[2]稀土铝酸盐的粉体制备及其烧结行为研究[D]. 孙瑞峰.青岛大学 2010
[3]ZrB2陶瓷烧结初期蒙特卡罗模拟[D]. 刘广义.哈尔滨工业大学 2008
[4]A1N 陶瓷的SPS烧结致密化及其机理研究[D]. 李淘.武汉理工大学 2005
[5]脉冲大电流加热条件下原子的扩散机理[D]. 谭天亚.武汉理工大学 2003
本文编号：3398855
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