碳化硅电火花烧结的致密化行为的研究

【摘要】电火花烧结是一种先进的快速成型技术，它能够在低于熔点的温度下使材料快速致密成型。随着对工件性能要求的不断提高，强度高而质量小的材料越来越受到人们的青睐，电火花烧结工艺已经成为生产这种新型高性能材料重要手段。碳化硅纳米颗粒的电火花烧结技术可以用于制造具有纳米晶结构的轻质陶瓷复合材料。更有研究表明降低碳化硅的晶粒尺寸有助于提高陶瓷材料的强度与韧性。然而，电火花烧结过程中的热与电的传导和力学过程也比较复杂，电火花的烧结机制尚不明确。从以往大量的电火花烧结致密化过程的研究中可以发现，塑性变形、表面扩散、晶界扩散等驱动机制都可能存在于电火花烧结的致密化过程中。但是电火花烧结致密化行为的本质特征还仍然在讨论之中。有研究人员应用有限元模拟的方法来研究烧结腔内的温度场、电场和压力场。但是传统的有限元模拟无法直接观察到电火花烧结各个阶段的烧结致密化机制。分子动力学模拟能够从分子或原子尺度研究电火花烧结过程中传统方法无法观察到的现象及规律。关于纳米颗粒烧结过程的模拟研究大多采用经典的两球模型，这种模型能够从最基本的烧结颈增长机制来解释烧结现象，但却不能反映出孔隙度等性能，无法表现真实的烧结过程。为此，本文应用新型的多球模型，进行电火花烧结制造碳化硅纳米材料的工艺方法中致密化行为的研究。具体研究内容如下：（1）引用碳化硅纳米颗粒电火花烧结多球模型。应用分子动力学模拟的方法观察烧结颈的形成以及晶粒的长大规律，研究电火花烧结过程中碳化硅纳米颗粒的致密化过程。研究发现在烧结初期，两颗粒中原子间的引力作用促使烧结颈迅速形成。在烧结中后期时，烧结颈周围区域存在多种塑性流动机制，如孪晶、位错及粘性流动。纳米颗粒的尺寸对晶粒的大小起着决定性作用。（2）分析烧结温度、烧结压力、升温速率及烧结时间等因素对碳化硅纳米颗粒烧结致密化程度影响。分别模拟了四种烧结温度（0.5Tm、0.6Tm、0.7Tm、0.8Tm，Tm指碳化硅在本文模型中的熔点）、四种烧结压力（0Gpa、0.05Gpa、0.1Gpa、2Gpa、）。研究表明，高温高压的烧结条件有助于提高碳化硅晶体的致密化程度。通过升温速率与烧结时间对碳化硅纳米颗粒烧结密度影响的研究发现，控制适当的烧结时间可以达到所需的密度值，升温速率对最终的烧结碳化硅纳米颗粒的密度影响不大，（3）研究碳化硅纳米颗粒尺寸对烧结致密化行为的影响。本文分别建立了直径尺寸从1.5~6nm的碳化硅纳米颗粒的多球模型，探讨烧结样品的致密化过程随颗粒尺寸的变化规律。研究发现小尺寸碳化硅纳米颗粒在特定的烧结条件下会发生凝聚现象，而且小尺寸的纳米颗粒在烧结过程中会发生剧烈的晶粒增长。尺寸较大的颗粒在较低的烧结温度下仍然存在着一定数量的孔隙度。可见纳米级碳化硅颗粒对温度非常敏感，与大尺寸碳化硅颗粒相比，小尺寸的碳化硅颗粒在较低的温度下就可以烧结致密化。本文应用分子动力学模拟方法，对碳化硅纳米颗粒的电火花烧结的初期与中期阶段进行了模拟分析，研究了温度、压力等因素对纳米级碳化硅烧结过程中晶粒增长、晶界形成的影响，对优化碳化硅材料性能有重大意义。本文的研究结果有助于明确电火花烧结各个阶段致密化的增长规律，为研发具有轻质结构的超级陶瓷复合物奠定了基础，对制造高性能材料有重要的指导意义。
【作者】闫秋实；
【导师】左春柽；
【作者基本信息】吉林大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】电火花烧结；致密化；碳化硅；纳米颗粒；分子动力学模拟；

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