【摘要】：利用微波技術(shù)燒結(jié)金屬及合金材料,可使材料的微觀結(jié)構(gòu)更加細(xì)化均勻,從而增強(qiáng)材料的機(jī)械性能,是制造高性能新型合金的優(yōu)異技術(shù),研究微波和金屬之間力學(xué)作用產(chǎn)生的機(jī)理,對(duì)進(jìn)一步揭示微波燒結(jié)原理、指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)具有及其深遠(yuǎn)的意義。本文首先闡明了深入理解微波燒結(jié)合金的機(jī)制、實(shí)現(xiàn)微波制備合金技術(shù)可控的關(guān)鍵途徑是進(jìn)行微波燒結(jié)金屬過(guò)程中相關(guān)力學(xué)機(jī)理的研究。為了分析和驗(yàn)證微波燒結(jié)中存在的力學(xué)作用機(jī)制,展開(kāi)了具備不同電磁學(xué)性質(zhì)的金屬的微波燒結(jié)同步輻射斷層掃描(SR-CT)在線實(shí)驗(yàn),定量分析了燒結(jié)動(dòng)力學(xué)參數(shù)(燒結(jié)頸)的演化過(guò)程。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,討論了不同電磁學(xué)性質(zhì)和微觀組織形貌對(duì)微波燒結(jié)金屬的力、熱驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的作用。本文的研究的主線內(nèi)容如下：1、首次開(kāi)展了具有不同電磁學(xué)性能的金屬單質(zhì)及其混合物的微波燒結(jié)在線實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)各類金屬均出現(xiàn)了迅速又獨(dú)特的微觀組織形貌變化現(xiàn)象,定量統(tǒng)計(jì)不同金屬燒結(jié)頸動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨燒結(jié)實(shí)驗(yàn)的演化曲線,分析了相關(guān)的物質(zhì)擴(kuò)散機(jī)制。實(shí)現(xiàn)了不同電學(xué)性質(zhì)(低電阻金屬Al、高電阻金屬Ti和Al-Ti混合金屬)以及不同磁學(xué)性質(zhì)(抗磁性金屬Cu、鐵磁性金屬Ni和Cu-Ni混合金屬)金屬及其混合物的微波燒結(jié)的SR-CT在線實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的三維微觀結(jié)構(gòu)演化圖像,發(fā)現(xiàn)了具備不同電磁學(xué)性質(zhì)的金屬在微波燒結(jié)過(guò)程中,微觀形貌特征的變化存在諸多不同的現(xiàn)象。定量分析動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨燒結(jié)時(shí)間演化的曲線,提出了不同金屬體系的燒結(jié)現(xiàn)象特征。2、揭示了金屬材料在微波電磁場(chǎng)中的感應(yīng)渦流對(duì)微觀結(jié)構(gòu)演化產(chǎn)生的影響,研究了渦流的力效應(yīng)和熱效應(yīng)對(duì)物質(zhì)擴(kuò)散和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的作用,結(jié)合改進(jìn)的相場(chǎng)數(shù)值模型,對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了分析。分析了金屬顆粒在微波電磁場(chǎng)作用下生成感應(yīng)渦電流的機(jī)理和強(qiáng)度,構(gòu)建了渦電流產(chǎn)生力學(xué)作用的模型,并在相場(chǎng)模型中引入吸引力作用模型,分析驗(yàn)證了造成Al和Ti在微波燒結(jié)前段時(shí)期出現(xiàn)燒結(jié)頸動(dòng)力學(xué)參數(shù)不同的原因。發(fā)現(xiàn)渦電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)導(dǎo)致金屬的物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)發(fā)生改變,造成Al顆粒間燒結(jié)頸生長(zhǎng)速率減緩、Ti燒結(jié)頸生長(zhǎng)速率提高的現(xiàn)象,將相場(chǎng)模型中的擴(kuò)散熱力學(xué)常量修改為多種擴(kuò)散機(jī)制共同作用的變量,驗(yàn)證了渦流熱效應(yīng)對(duì)物質(zhì)擴(kuò)散的影響。3、探索了金屬材料的磁疇結(jié)構(gòu)和混合金屬異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)對(duì)微波燒結(jié)產(chǎn)生的力、熱作用。根據(jù)鐵磁性Ni金屬微結(jié)構(gòu)演化現(xiàn)象和微觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)演化曲線,分析了磁疇結(jié)構(gòu)和微波磁場(chǎng)分量產(chǎn)生熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力,加速物質(zhì)擴(kuò)散速度,導(dǎo)致鐵磁性金屬的微觀結(jié)構(gòu)演化速度更快,并結(jié)合增強(qiáng)的多種擴(kuò)散機(jī)制相場(chǎng)模型進(jìn)行分析驗(yàn)證。提出由于微波中磁場(chǎng)分量的作用,導(dǎo)致具有不同磁性的金屬磁化方向相反,使顆粒間產(chǎn)生排斥力作用,并將排斥力模型引入相場(chǎng)模擬中,對(duì)力學(xué)作用機(jī)理分析進(jìn)行驗(yàn)證。最后在相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方程中加入晶界作用力的修正項(xiàng),結(jié)合多種擴(kuò)散機(jī)制耦合的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)系數(shù),分析了由于異質(zhì)界面的存在,和微波產(chǎn)生相互作用,對(duì)混合金屬燒結(jié)產(chǎn)生了力、熱效應(yīng)。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、理論分析、模擬驗(yàn)證三個(gè)方面,研究金屬及合金的微波燒結(jié)機(jī)制。開(kāi)展了微波燒結(jié)具有不同電磁學(xué)性質(zhì)的金屬SR-CT在線實(shí)驗(yàn)研究,根據(jù)相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)演化特征,分析微波和金屬間產(chǎn)生的力、熱效應(yīng),結(jié)合改進(jìn)的相場(chǎng)數(shù)值模型,驗(yàn)證了分析的正確性。
【圖文】：

圖２．６），從該逡逑

逑的大小將發(fā)生變化，顆粒間的孔隙慢慢變小甚至消失，大量的固－氣表面轉(zhuǎn)化為逡逑固－固表面。每隅一段時(shí)間統(tǒng)計(jì)一次Ａ１顆粒自由表面積的大小，，從圖２．９中可逡逑發(fā)現(xiàn)，金屬Ａ１在微波中燒結(jié)的過(guò)程中，其自由表面積持續(xù)減小到燒結(jié)過(guò)程停止，逡逑證明Ａ１—直有效地和微波產(chǎn)生作用。微波燒結(jié)結(jié)束時(shí)，Ａ１樣品表面積平均減少逡逑了邋４７０４個(gè)像素，和初始的粉末體系相比，降低了邋６９．１％，即顆粒之間接觸緊密，逡逑金屬Ａ１樣品逐漸達(dá)到致密化。隨著自由表面積的減少，Ａ１粉巧逐漸由疏松樣品逡逑變?yōu)橹旅艿臒Y(jié)體，微波難穿入燒結(jié)體，反射增強(qiáng)，故出現(xiàn)了圖２．８中燒結(jié)現(xiàn)逡逑象減緩的現(xiàn)象。逡逑．、！邐＇邋Ｐｕｒｅ邋Ａ１邋Ｇｒａｉｎ邋Ｓｕｒｆａｃｅ逡逑Ｉ－邋－邋Ｌｉｎｅａｒ邋Ｆｉｔｔｉｎｇ逡逑＾６０００－邋邐逡逑Ｉ逡逑Ｉ邋４０００－邐、逡逑Ｖ逡逑２０００－邋、逡逑？逡逑０邐１０邐２０邐３０邐４０邐５０逡逑Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ邋Ｔｉｍｅ，ｍｉｎ逡逑困２．９邋Ａ１自由表面隨時(shí)間的變化洽勢(shì)逡逑金屬Ｔｉ和金屬Ａ１均具有相同的磁學(xué)性質(zhì)（均為順磁性金屬），但Ｔｉ的導(dǎo)電逡逑性和Ａ１相差較大
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TF124.5;TN015

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