粉末固相烧结的数值模拟和理论问题研究

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1、博士学位论文囤粉末固相烧结的数值模拟和理论问题研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：牛玉固体力学胡小方教授许峰副教授二。一三年五月UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’Sdegree凰幽NumericalSimulationandTheoreticaIResearchonSolid-PhaseSinteringofPowdersAutllor’SNameSpeciality：NiuYUSolidMechanicsSupervisor：ProfiHuXiaofang，Ass

2、oc．Prof．XuFengFinishedtime：May，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己在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：Ⅺ

3、≥．6、3中国科学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，

4、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。，蛔公开口保密(——年)作者签名：签字日期：堡垒C砧f弓．占．弓导师签名：签字日期：去≥3．劣≥6l{。6。≥摘要固相烧结是陶瓷材料制备过程中最为关键的一步，对产品性能起着决定性作用。本文首先阐述了粉末固相烧结研究的重要意义，概述了不同烧结阶段的经典烧结理论。从物理机制、理论模型、研究方法等方面对本领域国内外研究现状进行了总结。改进和完善了固相烧结的蒙特卡罗方法

5、和相场动力学模型，以此为基础对不稳定颈长、大孔收缩过程等典型烧结理论问题进行了研究。结合同步辐射CT(SR-CT)原位观测实验，对烧结模型作了进一步讨论，建立了基于SR-CT实验的二维、三维计算模型。通过实验和模拟结果的对比分析，提高了烧结数值模型的可靠性和实用性，实现了对真实烧结过程的预测。主要研究内容和创新之处为：1、改进和完善了经典固相烧结模型，通过引入多种烧结机制和动态守恒算法，解决了蒙特卡罗算法中的质量不守恒等问题，首次实现了固相烧结的三维相场模拟。对固相烧结微结构演化过程的计算模型进行了改进和优化。讨论了经典蒙特卡罗算法在质量不守恒、烧结机制过少等方

6、面的不足。通过多种烧结机制的引入和动态守恒算法的运用，改进和完善蒙特卡罗模型。分析了相场模型中应力场作用下颗粒的刚体平动和转动。通过谱方法和GPU并行计算平台的引入大幅提高了相场法的计算效率，从而实现了固相烧结的三维相场模拟。结合经典烧结理论，定量分析了改进后的烧结模型，验证了模型的可靠性。2、揭示了不稳定颈长和大孔收缩过程中的微结构演化机理，研究了颗粒排布对不稳定颈长的影响和导致颗粒的旋转的烧结机理，分析了大孔收缩过程中控制孔隙形貌和孔隙收缩速度的关键物理机制。基于完善后的烧结模型对两个经典理论问题进行了研究：不稳定颈长问题和大孔收缩过程。通过对三颗粒模型的研

7、究，证明即使颗粒的形状和接触部位完全对称，特殊的颗粒排布也会导致不稳定颈长的出现。研究了双半球模型的不稳定颈长过程，结果表明晶界应力场对颗粒的旋转过程起主导作用，而不能完全用于烧结颈的生长。研究了三维大孔收缩过程，证明了主导扩散机制主要控制孔隙形貌，而晶界应力是导致大孔收缩的主要因素。研究结果完善了经典烧结理论。3、首次实现了基于在线实验的同步数值模拟研究，建立了与原位实验同步的二维、三维固相烧结模型，实现了对实际烧结过程中的微结构演化和烧结参数的准确预测。建立了基于同步辐射cT实验的二维蒙特卡罗模型。通过从晶粒生长动力学角度对数值模型的分析，讨论了关键参数表面

8、能和晶界能比值Jss／Jsv的确定方摘要法，对比分析了实验和模拟得到的微结构演化过程和晶粒生长指数。首次实现了基于同步辐射cT实验的三维相场模型。分析了计算得到的三维结构，与同步辐射CT实验得到的三维重建结果进行了对比。定量分析了实验和模拟结果，验证了模型的可靠性并大幅提高了数值计算模型的实用性和预测能力。本文通过对烧结模型的改进和优化，对典型的烧结理论问题进行了完善。建立了基于同步辐射cT实验的二维、三维烧结模型。通过理论、实验、模拟的相互验证和支持，实现了对实际烧结过程的预测。关键词：固相烧结蒙特卡罗方法相场模型不稳定颈长大孔收缩同步辐射CTⅡAbstrac

9、tABSTRACTSol