粉末固相燒結(jié)的數(shù)值模擬和理論問題研究.pdf

1、固相燒結(jié)是陶瓷材料制備過程中最為關鍵的一步，對產(chǎn)品性能起著決定性作用。本文首先闡述了粉末固相燒結(jié)研究的重要意義，概述了不同燒結(jié)階段的經(jīng)典燒結(jié)理論。從物理機制、理論模型、研究方法等方面對本領域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)。改進和完善了固相燒結(jié)的蒙特卡羅方法和相場動力學模型，以此為基礎對不穩(wěn)定頸長、大孔收縮過程等典型燒結(jié)理論問題進行了研究。結(jié)合同步輻射CT(SR-CT)原位觀測實驗，對燒結(jié)模型作了進一步討論，建立了基于SR-CT實驗的二維、三維

2、計算模型。通過實驗和模擬結(jié)果的對比分析，提高了燒結(jié)數(shù)值模型的可靠性和實用性，實現(xiàn)了對真實燒結(jié)過程的預測。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新之處為:
　　 1、改進和完善了經(jīng)典固相燒結(jié)模型，通過引入多種燒結(jié)機制和動態(tài)守恒算法，解決了蒙特卡羅算法中的質(zhì)量不守恒等問題，首次實現(xiàn)了固相燒結(jié)的三維相場模擬。
　　 對固相燒結(jié)微結(jié)構演化過程的計算模型進行了改進和優(yōu)化。討論了經(jīng)典蒙特卡羅算法在質(zhì)量不守恒、燒結(jié)機制過少等方面的不足。通過多種燒結(jié)機制的引

3、入和動態(tài)守恒算法的運用，改進和完善蒙特卡羅模型。分析了相場模型中應力場作用下顆粒的剛體平動和轉(zhuǎn)動。通過譜方法和GPU并行計算平臺的引入大幅提高了相場法的計算效率，從而實現(xiàn)了固相燒結(jié)的三維相場模擬。結(jié)合經(jīng)典燒結(jié)理論，定量分析了改進后的燒結(jié)模型，驗證了模型的可靠性。
　　 2、揭示了不穩(wěn)定頸長和大孔收縮過程中的微結(jié)構演化機理，研究了顆粒排布對不穩(wěn)定頸長的影響和導致顆粒的旋轉(zhuǎn)的燒結(jié)機理，分析了大孔收縮過程中控制孔隙形貌和孔隙收縮速度的

4、關鍵物理機制。
　　 基于完善后的燒結(jié)模型對兩個經(jīng)典理論問題進行了研究:不穩(wěn)定頸長問題和大孔收縮過程。通過對三顆粒模型的研究，證明即使顆粒的形狀和接觸部位完全對稱，特殊的顆粒排布也會導致不穩(wěn)定頸長的出現(xiàn)。研究了雙半球模型的不穩(wěn)定頸長過程，結(jié)果表明晶界應力場對顆粒的旋轉(zhuǎn)過程起主導作用，而不能完全用于燒結(jié)頸的生長。研究了三維大孔收縮過程，證明了主導擴散機制主要控制孔隙形貌，而晶界應力是導致大孔收縮的主要因素。研究結(jié)果完善了經(jīng)典燒結(jié)理

5、論。
　　 3、首次實現(xiàn)了基于在線實驗的同步數(shù)值模擬研究，建立了與原位實驗同步的二維、三維固相燒結(jié)模型，實現(xiàn)了對實際燒結(jié)過程中的微結(jié)構演化和燒結(jié)參數(shù)的準確預測。
　　 建立了基于同步輻射CT實驗的二維蒙特卡羅模型。通過從晶粒生長動力學角度對數(shù)值模型的分析，討論了關鍵參數(shù)表面能和晶界能比值Jss/Jsv的確定方法，對比分析了實驗和模擬得到的微結(jié)構演化過程和晶粒生長指數(shù)。首次實現(xiàn)了基于同步輻射CT實驗的三維相場模型。分析了計