微波场与温度场耦合作用下材料微结构演化的有限元模拟

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1、中国科学技术大学硕士学位论翮又微波场与温度场耦合作用下材料微结构演化的有限元模拟作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：王春萌固体力学许峰副教授胡小方教授二O一二年五月删IIIIIIIIIIIIIIIIIIIiiriunlnuIY2354117。UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationformaster’SdegreeFiniteelementsimulationofmaterials’microstructureevolutionunderthecouplingactionofmicr

2、owavefieldandtemperaturefieldAuthor’SName：speciality：Supervisor：Finishedtime：WangChunmengSolidMechanicsAssoc．Prof．XuFeng，Prof．HuXiaofangMay,2013中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：盥中国科学

3、技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。町签开口保密(——年)作者签名：—j量雄导师签名：签字同期：卫堡举i目竺日短签字同期：丝!!：!：笙摘要微波烧结由于具有快速高效、有效改善材料微

4、观结构和宏观性能等诸多优点而被广泛应用于材料制各过程。然而由于多场耦合以及材料微观组织演化的复杂性，微波场改善材料微观结构，加快材料制备过程的机理还并不完全清楚。本文对微波场和温度场耦合作用下的微结构演化进行模拟，并与SR—CT技术原位观测实验结果进行对比分析，对于研究微波与物质的相互作用机理、调控和优化材料制备过程具有重要意义。本文基于物质在热动力学作用下的传输机制和微观结构演化特征及理论模型，分析了微波电磁场附加驱动力对微结构演化的促进作用，在此基础上，对现有的有限元算法进行改进，实现了微波场与温度场耦合下的微结构演化有限元模拟。并用改进后的算法

5、针对不同的材料在不同耦合场下的演化情况进行模拟。最后用同步辐射原位观测实验结果，对模型进行验证，同时通过模拟过程和结果分析实验当中的微结构演化现象，研究不同材料与微波相互作用的微观机理。主要研究工作总结如下：1、改进了有限元算法，实现了微波场与温度场耦合作用下的材料微结构演化有限元模拟。从微波场与温度场对物质扩散激活能以及扩散系数影响的角度出发，对现有有限元模型进行改进，实现了单一机制表面扩散作用下以及表面扩散、晶界扩散、晶界迁移机制综合作用下的微结构演化模拟。模拟结果显示微波场的存在促进了微结构演化过程，且不同方向的电场对微结构演化的促进程度不同。

6、2、模拟了陶瓷和金属在不同耦合场下的微结构演化。分析不同物质如陶瓷和金属在微波外场作用下的电磁场与温度分布，针对SiC和Al双球模型模拟其在耦合场下的微结构演化情况，讨论在不同耦合场下各自的烧结颈生长、中心距收缩等的演化规律。3、结合陶瓷和金属的微波烧结SR—CT实验结果，用模拟过程和结果分析陶瓷和金属的微结构演化差异以及各自与微波作用的微观机理。得出结论：陶瓷材料与微波的耦合加热机制为整体介质损耗加热，在颗粒问的接触区域会产生电场的微区聚焦效应，促使靠近颈部表面和界面的微结构演化。金属材料其耦合机制为涡流损耗加热，表面的感应电场和较高的温度促进表面

7、的微结构演化。本文通过算法实现、实验观测、机理分析在一定程度上揭示了微波促进微结构演化的物理机制以及不同物质与微波的相互作用机理，这些研究成果为微摘要波制各材料微结构的调控和性能提高提供了一定的支持。关键词：微波场温度场微结构演化有限元法陶瓷金属同步辐射CTABSTRACTMicrowaveheatingiswidelyusedinthematerialpreparationprocessbecauseitcalleffectivelyimprovethematerialmicrostructureandmacroscopicpropertiesan

8、dthepreparationprocessistime-consuming．However,duetoth