陶瓷和金属微波烧结在线实验及微观机理分析.pdf

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1、第29卷第4期实验力学Vo1．29No．42014年8月joURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSAug．2014文章编号：lO01—4888(2014)04—433—08陶瓷和金属微波烧结在线实验及微观机理分析王春萌，许峰，胡小方，刘文超，康丹，李永存，牛玉(中国科学技术大学近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥230026)摘要：为研究陶瓷和金属微波烧结时的微观演化机理，从而为优化不同材料的烧结过程提供依据，本文采用同步辐射技术对陶瓷(SiC)和金属(A1)的微波烧结微结构演化过程进行实时

2、、无损的观测，并结合有限元模拟分析两者的微结构演化特征及微观机理。通过滤波反投影等数字图像处理技术得到烧结过程中样品内部的二维、三雏重建图像，清晰地观察到SiC和Al在颗粒表面和界面演化上存在差异。定量地统计了陶瓷和金属烧结颈相对尺寸与时间的双对数关系，并与陶瓷和金属双球模型的微波烧结模拟结果进行了对比。运用模拟分别对实验中的烧结颈和微观形貌演化进行分析，得出结论：陶瓷和金属微波烧结时的加热机制不同，分别为整体介质损耗加热和表面涡流损耗加热。陶瓷的整体加热将会在材料内部特别是界面产生较高的温度，而金属的表面加热使颗粒表面温度高

3、于界面。由相应的加热机制产生的温度分布差异，将会对材料的物质扩散过程产生不同程度的影响，进而产生不同的微结构。关键词：微波烧结；同步辐射计算机断层扫描(SR—CT)技术；微结构演化；陶瓷；金属中图分类号：0432文献标识码：ADoI：10．7520／1001—4888—13一O670引言微波烧结是一种新型烧结技术，由于其具有快速高效、能有效改善材料微观结构和宏观性能、安全无污染等诸多优点，而被广泛应用于陶瓷、金属材料等的制备过程中口]。然而陶瓷和金属在微波烧结过程中会出现不同的微观结构形态，如SiC和ZnO样品大颗粒的接触处、

4、粗糙的表面等位置演化明显，迅速从弯曲趋于平滑]，而W-Ni-Fe金属颗粒表面均较平滑【5]；Ni一ZnFeO铁氧体中存在少量大气孔[6]，而Cu粉压坯中存在大量小气孔[7]。材料的微观结构形态极大地影响着其宏观整体韧性、强度、硬度等力学性能。因此研究微波烧结时陶瓷和金属不同微结构产生的原因及演化机理对于调控材料显微结构、优化微波烧结过程、改善材料性能具有重要指导作用。微波烧结过程是多场(电磁场、温度场)耦合、多种物质传输机制(表面扩散、晶界扩散等)综合作用的结果，涉及的参量众多(如微波输入功率、材料介电性能、磁性能、物质扩散激

5、活能等)，且参量之间的相互耦合存在复杂的非线性关系，仅通过理论分析不能预测陶瓷和金属的微结构演化差异。寻找有效的实验手段对陶瓷和金属的微波烧结过程进行实时无损地观测，能够得到其二维、三维微结构演化图像，并通过提取相关的微观特征参数，能直观地观测并研究陶瓷和金属不同的微结构演化行为。CT技术(计算机X射线断层成像技术)是一种实时、无损地检测物体微观组织的方法，目前已在生物医学和工业探伤等领域得到广泛应用，然而由于常规实验室光源的低通量、光源大小及单色性等限制了其分辨*收稿日期：2013—05—08；修订日期：2013—07-04

6、基金项目：国家自然科学基金项目(11272305，11172290，10902108，1087219O)、973项目(No．2012cB9375O4)、中央高校基本科研业务费专项基金(WK2090050012)共同资助通讯作者：许峰，男，副教授。主要研究领域：基于同步辐射CT技术的实验固体力学。E-mail：xufeng3@ustc．edu．cn实验力学(2014年)第29卷法Ⅲ]。对所得结果进行拟合，从双对数曲线上看，陶瓷比金属烧结颈生长更快。如上所述，SiC和Al烧结演化过程存在差．O．8异。陶瓷和金属微波烧结时具有不同的

7、微观结构，原因可能是作为两种介电性能差异明显的材．1．0料，两者分别与微波电磁场的耦合加热机制不同。然而如引言所述物质与微波的耦合作用复杂，用．1．2数值模拟的方法对微波场作用下的微结构演化进行模拟，能够分析参量的变化对微结构演化的影．1．4响。进一步将数值模拟及实验结果进行对比分析，能够预判陶瓷和金属与微波的耦合加热机制，．1．6并分析相应的加热机制对材料微结构演化的影5678响。In(t)图4平均烧结颈相对尺寸与时间双对数关系2微结构演化模型Fig．4Doublelogarithmicrelationshipof有限元模型

8、中表面扩散、晶界扩散、晶界迁移averagesinteringneckrelativesize机制下微结构演化朝着使能量函数／I(如式(1))andsinteringtime最小的方向进行『1引，即求解公式(2)能得到模型各节点处的演化速度及扩散通量等。Ⅱ=L南+j’+Lr+