微波烧结中磁致粒间界面强化机制SR-CT实验研究

论文摘要

微波烧结是一种新型材料制备技术,具有优化材料微观结构、增强材料力学性能等优势,然而受到微波烧结过程复杂多变、难以控制等因素的制约,微波烧结技术的大规模工业化应用一直难以实现。研究微波与材料相互作用机理,对更有效地掌握、应用和推广微波烧结技术具有重要意义。本文首先阐述了全面深入了解微波与物质互作用的关键途径,即研究微波电场和磁场各自与物质的相互作用机制,而其中的薄弱环节则是定量的微波磁场与物质的相互作用研究。然后分析了纯磁场作用机理研究所面临的难点与挑战,并提出了相应的解决方案,成功构建了一套可控驻波式微波磁场烧结同步辐射CT（SR-CT）实验系统。基于本实验系统,针对磁性材料和非磁性材料两类材料体系开展了微波磁场烧结SR-CT在线实验,分别定量分析了颗粒间界面演化过程,在此基础上研究了微波磁场对不同类型材料粒间界面的强化机制。最后,对研究内容进行了总结,讨论并展望了微波磁致粒间界面强化机制的进一步研究方向。本文的主要研究内容如下:一、分析并解决了微波驻波谐振技术与SR-CT技术联用所面临的难题与挑战,构建了一套可控驻波式微波烧结SR-CT实验系统,为研究微波磁场与物质相互作用提供了设备基础。通过研制适用于SR-CT开放环境的微波驻波谐振腔,保证了特殊开放环境下微波场型不发生畸变;通过设计在微波驻波环境中运行的SR-CT样品位移旋转系统,保证在高温微波条件下样品能够进行SR-CT高精度运动;通过设计微波驻波场型-样品运动联动方案,使得样品处微波场参数在实验中保持恒定。二、利用上述实验系统,开展了针对不同材料体系的微波磁场烧结SR-CT在线实验,发现了多种特殊的粒间界面演化现象。在针对磁性材料体系的定量微波磁场烧结SR-CT实验中,根据磁学性质的差异,选择Ti、Ni两种金属材料及其混合物为实验对象,发现了微波烧结温度低于常规烧结温度、粒间界面空间取向与磁场方向具有相关性、异质粒间界面发生反常定向移动等特殊现象。在针对非磁性材料体系的定量微波磁场烧结SR-CT实验中,选择氧化铝为实验对象,发现了颗粒异常长大受到抑制、颗粒体积均匀化等特殊现象。三、基于在线实验结果,并结合数值模拟方法,分析了磁场与不同类型材料粒间界面的相互作用机制。对于磁性材料体系,通过对材料粒间界面处磁场的模拟计算和分析,发现微波磁场和磁损耗功率在粒间界面出选择性增强,这可能是导致材料在微波磁场中烧结时烧结温度降低的原因。异质界面两边物质磁损耗功率的差异,可能引发特殊的物质驱动力,导致跨界面物质输运不平衡,进而产生异质界面反常定向移动现象。微波磁场方向改变导致粒间界面区域磁损耗功率分布发生变化,因此粒间界面面积增长速率与磁场方向具有一定的相关性。对于非磁性材料体系,也存在微波磁场在粒间界面处选择性增强;此外,一种磁致极化安培力机制将导致物质由体积较大颗粒向体积较小颗粒输运,使得颗粒异常长大受到抑制、产生颗粒均匀化现象。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 董博

导师: 许峰,胡小方

关键词: 微波烧结,粒间界面,磁致强化机制

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,电力工业,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

基金: 国家自然科学基金(No.11722221,NO.U1832216,No.11272305,No.11627901,No.11890683),国家重点研发计划(NO.2017YFA0403803,NO.2017YFA0403801,NO.2017YFB0702000),中央高校基本科研业务费专项资金(WK2480000004,WK2090050040,WK2090050043),安徽省自然科学基金(NO.1508085MA17)

分类号: TM271;TN015

总页数: 112

文件大小: 12264K

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