放電等離子燒結過程中的晶粒細化研究

《放電等離子燒結過程中的晶粒細化研究》是依託西南交通大學，由劉金鈴擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：放電等離子燒結過程中的晶粒細化研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉金鈴
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

納米結構陶瓷具有優異的性能，在諸多領域有潛在的套用價值。傳統工藝以納米粉體為原料，不僅價格昂貴、易受污染，而且難以抑制晶粒在燒結過程中的快速生長。因此，本項目提出以微米粉體為原料，利用放電等離子燒結初期產生的晶粒細化效應製備納米結構陶瓷來解決這一難題。在深入研究氧化鋁原料晶粒尺寸和燒結條件等對晶粒細化影響的基礎之上，分析放電等離子燒結過程中產生晶粒細化的決定性因素，解決放電等離子燒結過程中的晶粒細化機理和晶粒尺寸控制技術等關鍵科學問題，進一步揭示放電等離子燒結氧化鋁的原理，為工藝最佳化和材料設計提供指導。本項目在發展以微米氧化鋁粉體為原料製備納米結構陶瓷的新工藝，以及研究放電等離子燒結中的晶粒細化機理方面具有創新性。本項目的研究成果將對放電等離子燒結工藝的認識產生突破，對材料製備技術的進步具有重大意義。

結題摘要

納米結構陶瓷具有優異的性能，在國防和民用等諸多領域有潛在的套用價值。傳統工藝以納米粉體為原料，不僅價格昂貴、易受污染，而且難以抑制晶粒在燒結過程中的快速生長。如果能將粗晶的粉體細化成納米晶粒，從而獲得性能優異的納米結構陶瓷，無疑會產生巨大的經濟和社會效益。本項目針對放電等離子燒結過程中產生的晶粒細化現象，研究不同粉體晶粒尺寸，燒結溫度，壓力，保溫時間，升溫速率和脈衝電流等對晶粒細化的影響，最佳化設計獲得納米氧化鋁陶瓷的燒結工藝，並初步分析了產生晶粒細化的原因。主要成果如下：（1）初始晶粒尺寸對晶粒細化有顯著影響。只有在微米粉體中才能發現明顯的晶粒細化現象，而亞微米粉體由於晶粒生長遠大於晶粒細化的影響，整體表現出晶粒粗化。（2）低溫預燒可以放大晶粒細化效應。由於燒結過程中存在晶粒生長和晶粒細化的競爭關係，通過控制燒結溫度，抑制晶粒生長，可以放大晶粒細化效應。（3）晶粒細化效應是由熱-電耦合作用產生的熱-機械疲勞過程引發。在放電等離子燒結過程中，有持續作用的溫度場和電場，氧化鋁陶瓷顆粒在多場耦合作用下發生晶粒破碎，而且熱-電耦合還能在氧化鋁陶瓷晶粒內部激活缺陷，缺陷的運動和聚集也加速了晶粒細化過程。（4）熱-電耦合作用對陶瓷微觀結構影響巨大。電場強度、溫度和作用時間不僅能夠影響晶粒生長，還會改變晶界和晶內的結構特徵，說明多場耦合作用下可能會激活缺陷，促進晶粒細化。放電等離子燒結過程中存在的晶粒細化現象，由於其往往被高溫下的晶粒生長所掩蓋，一直未受到關注。本項目充分證實了放電等離子燒結過程中存在的晶粒細化現象，並以微米單晶粉體為原料成功獲得了具有納米結構特徵的氧化鋁陶瓷。