新型快速微波燒結(jié)微觀機理的同步輻射在線實驗研究.pdf

1、微波燒結(jié)是一種優(yōu)于常規(guī)燒結(jié)的新型材料快速制備技術(shù)，研究微波燒結(jié)機理具有重要的理論和實際意義。本文首先闡述了對微波燒結(jié)微結(jié)構(gòu)演化進行同步輻射CT（簡稱“SR-CT”）在線觀測的必要性和重要性。依此，通過對研制核心設(shè)備所存在技術(shù)難題的分析和解決，成功構(gòu)建了一套SR-CT技術(shù)專用的微波燒結(jié)在線實驗系統(tǒng)。基于該實驗系統(tǒng)，分別開展了金屬和陶瓷單一材料體系，以及金屬-陶瓷混合體系微波燒結(jié)的SR-CT在線實驗，研究了各自的微波燒結(jié)微結(jié)構(gòu)演化特征及相應(yīng)

2、的微觀燒結(jié)機理。最后，結(jié)合本文實驗研究結(jié)果，對微波的“熱效應(yīng)”和“非熱效應(yīng)”做了進一步的討論和分析。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新之處是:
　　 一、構(gòu)建了一套同步輻射CT專用的微波燒結(jié)在線實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速微波燒結(jié)微結(jié)構(gòu)演化的同步輻射CT在線觀測，最高分辨率達亞微米量級。目前，國際上尚未見到與該實驗系統(tǒng)相似的報道。
　　 1)分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計解決了高襯度、高分辨率SR-CT實驗平臺的空間限制;
　　 2)多維精密電控

3、旋轉(zhuǎn)臺可實現(xiàn)高溫微波場中樣品精確定位和高精度旋轉(zhuǎn)，這對于開展多場耦合或極端條件下高分辨率SR-CT實驗具有積極意義;
　　 3)特制的雙重保溫結(jié)構(gòu)有效解決了小樣品在不完全密閉環(huán)境中的通光、保溫、測溫及氣氛保護等問題，為拓展該實驗系統(tǒng)應(yīng)用范圍提供技術(shù)保障。
　　 二、首次實現(xiàn)了金屬、陶瓷等單一體系以及金屬-陶瓷混合體系微波燒結(jié)SR-CT在線實驗研究。觀察到諸多不同于常規(guī)燒結(jié)的表面和界面快速演化現(xiàn)象，定量分析表明微波燒結(jié)與常

4、規(guī)燒結(jié)具有不同的加熱特性和物質(zhì)擴散機制。
　　 1)實現(xiàn)了金屬、陶瓷以及金屬-陶瓷混合材料在微波燒結(jié)過程中微結(jié)構(gòu)演化的SR-CT在線實驗，觀測到了諸多不同于常規(guī)燒結(jié)的特殊燒結(jié)現(xiàn)象，并從微波“熱效應(yīng)”和“非熱效應(yīng)”等角度對這些現(xiàn)象進行了機理解釋;
　　 2)通過B樣條插值方法提取了顆粒表面曲率參數(shù)，統(tǒng)計和分析了混合體系以及純金屬顆粒表面彎曲能的變化規(guī)律，結(jié)果表明，微波電磁場與材料的耦合機制與材料的物性密切相關(guān)，微波磁場有利

5、于金屬顆粒表面彎曲能的降低;
　　 3)利用分水嶺算法獲得了金屬、陶瓷以及金屬-陶瓷混合材料的頸長動力學(xué)曲線，分析了各自的物質(zhì)主導(dǎo)擴散機制和相應(yīng)的微觀機理，結(jié)果表明微波燒結(jié)與常規(guī)燒結(jié)的物質(zhì)擴散機制不同，且不同材料之間也存在不同。
　　 此外，研究了微波與不同材料體系內(nèi)部顆粒表面和界面的耦合機制，結(jié)果表明當陶瓷加入金屬以后，微波將在混合體系中將引起界面極化，從而促進體系的加熱。
　　 三、探索了微波電磁場強度分布、

6、傳播方向以及材料微觀構(gòu)型等因素可能引起的“熱效應(yīng)”和“非熱效應(yīng)”，分析表明這些效應(yīng)將促進物質(zhì)擴散進程，并引起各向異性燒結(jié)。
　　 1)在微波的“熱效應(yīng)”方面，主要分析了微波電場和磁場強度的不均勻分布，以及材料的微觀構(gòu)型對燒結(jié)進程可能產(chǎn)生的促進作用;
　　 2)在微波的“非熱效應(yīng)”方面，主要分析了微波電場和磁場的方向以及材料的微觀構(gòu)型可能導(dǎo)致的各向異性燒結(jié)現(xiàn)象。
　　 最后，對全文的工作進行了總結(jié)，給出了本文的主要