相场方法研究粉末陶瓷烧结的微结构演化

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陶瓷具有高熔点,高硬度,高化学稳定性等优异的物理化学性能,是现代工业重要的结构与功能材料。陶瓷烧结过程工艺复杂,受环境及成分等因素影响较大。特别是高性能陶瓷的实验研究费时费力,对其微结构性能难以控制,随着计算机技术的发展,陶瓷粉末烧结过程利用计算机进行模拟,对设计具有优异性能的先进陶瓷提供指导。相场方法所采用的取向场和浓度场变量是随着时间和空间进行连续变化,不用跟踪界面过程的情况下就可以反映各时刻的微观结构演化,能够更直观的研究多相粉末陶瓷在烧结过程中的微结构演化。本文应用先进的相场方法研究包含多相的粉末陶瓷烧结过程的微结构演化,揭示气孔的运动规律,主要内容和取得成果如下:1、针对包含单一固相和气相的两相陶瓷粉末烧结的微结构进行计算机模拟,运用数学分析方法对模拟结果进行了分析和拟合,得到不同气相含量的微观组织演化过程;通过改变气相迁移率,得出不同气相迁移率情况下,气相的微结构演化特征;探究气相在烧结过程中的变化规律以及晶粒的生长指数。得到固相在不同气相含量情况下的生长指数,生长指数呈递增规律。2、对粉末陶瓷烧结过程中两固相加气相的三相陶瓷微结构进行计算机模拟,首次构建了三相体系的自由能函数,并运用相场方法研究了三相粉末陶瓷烧结过程的晶粒长大和气孔演化过程。3、研究不同含量气相的陶瓷粉末在烧结过程中的微观结构特征,分析不同气相含量情况下晶粒的长大情况;改变气相迁移率之后,气相在烧结过程中的存在形式、分布状况和两固相晶粒在不同气相迁移率情况下的生长指数;得到不同气相迁移率情况下,固相晶粒呈现指数生长规律,生长指数由小到大为递增趋势,并且接近理论值3;在不同气相含量情况下,烧结状态为不规则气孔状。实验模拟微观组织与实际陶瓷电镜照片结果比较相吻合,说明所建自由能模型的正确性。此模型可以应用于耐火材料中的氧化物基陶瓷烧结,如Al2O3-SiC和SiC-TiC陶瓷等,指导实际的高性能陶瓷设计研究。为制备新型粉末陶瓷和设计开发优异性能的陶瓷提供了参考依据。
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