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(guān)鍵的一步，對(duì)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(jī)制、理論模型、研究方法等方面對(duì)本領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。改進(jìn)和完善了固相燒結(jié)的蒙特卡羅方法和相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)對(duì)不穩(wěn)定頸長(zhǎng)、大孔收縮過程等典型燒結(jié)理論問題進(jìn)行了研究。結(jié)合同步輻射CT(SR-CT)原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)燒結(jié)模型作了進(jìn)一步討論，建立了基于SR-CT實(shí)驗(yàn)的二維、三維

2、計(jì)算模型。通過實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的對(duì)比分析，提高了燒結(jié)數(shù)值模型的可靠性和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)燒結(jié)過程的預(yù)測(cè)。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新之處為:
　　 1、改進(jìn)和完善了經(jīng)典固相燒結(jié)模型，通過引入多種燒結(jié)機(jī)制和動(dòng)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(shí)現(xiàn)了固相燒結(jié)的三維相場(chǎng)模擬。
　　 對(duì)固相燒結(jié)微結(jié)構(gòu)演化過程的計(jì)算模型進(jìn)行了改進(jìn)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(jī)制過少等方面的不足。通過多種燒結(jié)機(jī)制的引

3、入和動(dòng)態(tài)守恒算法的運(yùn)用，改進(jìn)和完善蒙特卡羅模型。分析了相場(chǎng)模型中應(yīng)力場(chǎng)作用下顆粒的剛體平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。通過譜方法和GPU并行計(jì)算平臺(tái)的引入大幅提高了相場(chǎng)法的計(jì)算效率，從而實(shí)現(xiàn)了固相燒結(jié)的三維相場(chǎng)模擬。結(jié)合經(jīng)典燒結(jié)理論，定量分析了改進(jìn)后的燒結(jié)模型，驗(yàn)證了模型的可靠性。
　　 2、揭示了不穩(wěn)定頸長(zhǎng)和大孔收縮過程中的微結(jié)構(gòu)演化機(jī)理，研究了顆粒排布對(duì)不穩(wěn)定頸長(zhǎng)的影響和導(dǎo)致顆粒的旋轉(zhuǎn)的燒結(jié)機(jī)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(guān)鍵物理機(jī)制。
　　 基于完善后的燒結(jié)模型對(duì)兩個(gè)經(jīng)典理論問題進(jìn)行了研究:不穩(wěn)定頸長(zhǎng)問題和大孔收縮過程。通過對(duì)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(duì)稱，特殊的顆粒排布也會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定頸長(zhǎng)的出現(xiàn)。研究了雙半球模型的不穩(wěn)定頸長(zhǎng)過程，結(jié)果表明晶界應(yīng)力場(chǎng)對(duì)顆粒的旋轉(zhuǎn)過程起主導(dǎo)作用，而不能完全用于燒結(jié)頸的生長(zhǎng)。研究了三維大孔收縮過程，證明了主導(dǎo)擴(kuò)散機(jī)制主要控制孔隙形貌，而晶界應(yīng)力是導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了基于在線實(shí)驗(yàn)的同步數(shù)值模擬研究，建立了與原位實(shí)驗(yàn)同步的二維、三維固相燒結(jié)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際燒結(jié)過程中的微結(jié)構(gòu)演化和燒結(jié)參數(shù)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
　　 建立了基于同步輻射CT實(shí)驗(yàn)的二維蒙特卡羅模型。通過從晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)角度對(duì)數(shù)值模型的分析，討論了關(guān)鍵參數(shù)表面能和晶界能比值Jss/Jsv的確定方法，對(duì)比分析了實(shí)驗(yàn)和模擬得到的微結(jié)構(gòu)演化過程和晶粒生長(zhǎng)指數(shù)。首次實(shí)現(xiàn)了基于同步輻射CT實(shí)驗(yàn)的三維相場(chǎng)模型。分析了計(jì)