相场方法研究粉末陶瓷烧结的微结构演化

摘要

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。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 陶瓷烧结模型简介

1.1.1 陶瓷在当今社会的重要作用

1.1.2 固相烧结理论经典模型

1.1.3 烧结过程中传输机制

1.1.4 烧结过程

1.2 显微组织的计算及模拟方法

1.2.1 蒙特卡罗方法

1.2.2 元胞自动机法

1.2.3 分子动力学方法

1.2.4 相场方法

1.2.5 多种模拟方法的优缺点比较

1.3 国内外粉末陶瓷烧结微结构演化理论研究现状

1.4 问题提出

1.5 本文的研究内容与意义

第二章 相场模型简介

2.1 相场模型

2.1.1 相场模型的理论

2.1.2 弥散化的相场模型

2.2 相场模拟的数值计算

2.2.1 有限差分法和稳定性条件

2.2.2 计算方法

2.2.3 组织的可视化

2.3 小结

第三章 固相陶瓷烧结后期的微结构演化过程

3.1 模型和方法

3.1.1 陶瓷烧结过程的相场模型极其微观组织描述

3.1.2 自由能建立

3.1.3 计算处理

3.2 自由能曲线及分析

3.2.1 浓度场自由能函数曲线

3.3 计算得到的图像及可视化参数设定

3.4 本章结论

第四章 两固相陶瓷烧结的微结构演化

4.1 模型的建立

4.2 自由能建立

4.3 数值求解

4.4 实验图和计算模拟图

4.5 本章结论

第五章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文