碳化硼固相烧结微观结构演化的同步辐射CT观测
第２４卷第１期２００９年１月
无机材料学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｏｒｇａｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ
Ｖ０１．２４．Ｎｏ．１
Ｊａｎ．，２００９
文章编号：１０００－３２４Ｘ（２００９）０１－０１７５４３７
碳化硼固相烧结微观结构演化的同步辐射ＣＴ观测
许峰１，胡小方１，卢斌１，赵建华１，伍小平１，袁清习２（１．中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥２３００２６；２．中国科学院高能物理研究所，北京１０００３９）
摘要：利用同步辐射ＣＴ（ＳＲ—ＣＴ）技术，在碳化硼陶瓷样品烧结过程中对其进行实时投影成像，并应用滤波反投影算法和数字图像处理技术，得到了样品在整个烧结过程中内部微结构演化的二维和三维重建图像，实现了对陶瓷固相烧结过程实时、无损的观测．通过重建图像清晰观测到了陶瓷样品在烧结三个阶段中颗粒接触、烧结颈形成、晶粒和气孔长大、气孔球化并收缩等烧结现象；统计了样品在不同烧结时刻的孔隙率，得到了孔隙率随烧结时间和烧结时间对数的变化曲线，并根据曲线分析了样品在不同烧结时刻致密化速率的变化，得到了烧结中期孔隙率和时间对数的线性关系．实验结果和现有烧结理论相吻合，并为进一步完善烧结理论以及建立扩散和本构模型提供了有效的实验数据．关键词：陶瓷；固相烧结；同步辐射ＣＴ；微结构演化
中图分类号：０７６６文献标识码：Ａ
Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ－ｅｖｏｌｕｔｉｏｎＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆＢｏｒｏｎＣａｒｂｉｄｅＣｅｒａｍｉｃｄｕｒｉｎｇ
ＳｉｎｔｅｒｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｂｙＳｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎＲａｄｉａｔｉｏｎＸ－ＲａｙＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ
ＸＵＦｅｎ９１，ＨＵＸｉａｏ．Ｆａｎ９１，ＬＵＢｉｎｌ，ＺＨＡＯＪｉａｎ．Ｈｕａｌ．ｗｕＸｉａｏ．Ｐｉｎ９１，ＹＵＡＮＱｉｎ．Ｘｉ２（１．ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙＳｃｉｅｎｃｅｓＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＢｅｈａｖｉｏｒａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｅｈ－ｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ２３００２６，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｉｓｈＥｎｅｒｇｙＰｈｙｓｉｃｓ。ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｒｉｎｇ１０００３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?－ｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｏｒｏｎｃａｒｂｉｄｅｃｅｒａｍｉｃｓａｍｐｌｅｄｕｒｉｎｇｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｉｎｖｅｓ?－
ｔｉｇａｔｅｄｂｙｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎｒａｄｉａｔｉｏｎＸ－ｒａｙｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＳＲ—ＣＴ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．ｒ１１１ｅｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ
ｄｕｒｉｎｇｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
ｉｎｒｅａｌ－ｔｉｍｅ．Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌａｎｄｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒｅ－ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｉｍａｇｅｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｒｅａｔｉｎｇｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｅｒｉｏｄｓｗｉｔｈｆｉｌｔｅｒｂａｃｋｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎａｒｉｔｈｍｅｔｉｃａｎｄｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｆｒｏｍｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｉｍａｇｅｓ，ｔｈｒｅｅｓｉｎｔｅ－ｒｉｎｇｓｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｂｏｒｏｎｃａｒｂｉｄｅｃｅｒａｍｉｃｓａｍｐｌｅｗｅｒｅｃｌｅａｒｌｙｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄａｎｄｓｅｖｅｒａｌｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｓｕｃｈ聃ｇｒａｉｎｃｏｎｔａｃｔ．ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｎｅｃｋｇｒｏｗｔｈａｎｄｐｏｒｅｓｐｈｅｒｏｉｄｉｚａｔｉｏｎｗｅｒｅｏｂ—ｓｅｒｖｅｄ．Ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｆｒｏｍｔｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙ—ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｐｏｒｏｓｉｔｙ—ｔｉｍｅＬｏｇａｒｉｔｈｍｃｕｒｖｅｓｗｈｉｃｈｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｉｍａｇｅｓｏｆｂｏｒｏｎｃａｒｂｉｄｅｃｅｒａｍｉｃｓａｍｐｌｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｉｍｅ．ＴｈｒｅｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｓｔａｇｅｓａｎｄｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｏｒｏｓｉｔｙａｎｄｔｉｍｅＬｏｇａｒｉｔｈｍｉｎｔｈｅｍｉｄ—ｄｉｅｓｔａｇｅｏｆｓｉｎｔｅｒｉｎｇｗｈｉｃｈｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｈｅｏｒｉｅｓｗｅｒｅｃｌｅａｒｌｙｏｂｓｅｒｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙ－ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｐｏｒｏｓｉｔｙ?ｔｉｍｅＬｏｇａｒｉｔｈｍｃｕｒｖｅ８．ｎｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｉｎｃｏｎｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｆｏｒａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｍｅ－ｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｅｒａｍｉｃｓｉｎｆｕｌ曲ｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｒａｍｉｃ；ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎｒａｄｉａｔｉｏｎＸ－ｒａｙｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
工程结构陶瓷材料，以其高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀，耐磨损等优越的力学性能而得到了广泛的研究和应用‘１引．工程结构陶瓷中，往往包含各种尺度和维数的缺陷．微结构形态孔洞缺陷的分布和形貌，界面特性在宏观条件下极大地影响着材料宏观整体韧性、强度、硬度等力学性能．固相烧结是高温条件
收稿日期：２００８－０３－２５，收到修改稿日期：２００８－０５－０７
基金项目：国家自然科学基金重点项目（１０７３２０８０）；北京同步辐射实验室（ＢＳＲＦ）基金
作者简介：许峰（１９８０一），男，博士．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｆｅｎｇ，３＠ｕ咖．ｅｄｕ．ｃｎ通讯联系人：胡小方，教授．Ｅ－ｍａｌｌ：ｈｕｆｆ＠ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ
１７６无机材料学报第２４卷
下微观离散颗粒通过物质相互扩散形成连续的，强度得到提高但仍有少量残余孔隙的固态结构，同时是烧结系统自由能降低的热力学过程．它是陶瓷制备过程的最后一步工艺，对陶瓷制品的性能起着决定性的作用．对陶瓷固相烧结过程微观结构演化进行无损的、实时的观测和分析，将为改进烧结参数（包括初始颗粒气孔大小、初始气孔尺寸分布、烧结温度曲线等）和优化烧结过程，从而提高陶瓷材料性能提供有用的实验数据支持．
对材料内部微结构的观测，传统的方法是采用扫描电镜（ＳＥＭ）或高倍电子显微镜进行分析，且扫描电镜（ＳＥＭ）技术可以提供高分辨率的照片．然而这些方法存在的缺点是：１）在观测前要对样品进行切割、抛光，这会破坏样品原有的内部结构，无法实现无损检测．２）烧结过程是一个持续的高温过程，所以无法对固相烧结过程的实时观测．同步辐射ＣＴ技术Ｈ刮是近年来发展起来的一种无损检测技术，利用该技术可以实现在外场（压力场、温度场等）作用下对材料内部微结构演化的实时、无损的观测¨１．由于利用同步辐射ＣＴ技术研究固相烧结过程实验技术要求较高，目前仅有少数学者对其进行了研究：文献［８］对玻璃粉末和锂硼酸盐粉末进行了烧结观测，烧结温度相对较低，分别为７００和７２０℃；文献［９］对金属铜和钢粉末的粉末冶金过程进行了二维形貌观察，温度为１０５０和１１３０℃．
本工作采用同步辐射ＣＴ技术得到了碳化硼陶瓷样品在固相烧结过程中的微观结构演化二维和三维重建图像．通过重建图像，观测了样品固相烧结过程中的微结构演化过程和诸多烧结现象．统计了不同烧结时刻的样品孔隙率，得到了样品孔隙率随烧结时间和烧结时间对数的变化规律，并结合现有烧结理论进行了初步的分析，验证了固相烧结中期孔隙率与烧结时间的对数线性关系，为进一步研究和完善烧结理论及烧结工艺提供了实验支持．
１实验
１．１ＳＲ－ＣＴ技术原理简介
ＳＲ－ＣＴ技术是一种无损检测方法，即将被检测试件置于旋转装置上，应用同步辐射ｘ射线光源对试件进行投影成像，采用ｘ射线ＣＣＤ接收投影像，试件每转一角度投影成像一次，获得一组投影数据后，采用重建算法进行重建运算，进而获得试件内部微结构的横截面重建图像．由于获得试件的内部信息时未损伤试件，故而它是一种无损检测技术．ＳＲ－ＣＴ技术采用的重建算法主要有滤波反投影算法和迭代算法¨０ｆ，考虑到重建运算的时间，本文采用滤波反投影算法进行重建运算．利用体生成算法即可将二维横截面图像组装成三维立体图像，采用截面算法即可得到样品重建部分的纵截面图像．滤波反投影算法重建过程如图１所示．
１．２样品制备
为了能够清晰地观测到样品在固相烧结过程中的微观结构演化，样品的制备需满足以下要求：（１）颗粒尺寸需满足重建分辨率要求，即颗粒尺寸要大于重建分辨率；
（２）选用的材料能够被Ｘ射线穿过，即能够得到重建所必需的投影图像；
（３）样品在选定的温度下可以发生烧结；
基于以上几点，本次实验选用颗粒尺寸为７５ｐＬｍ的碳化硼粉末，将其与相同颗粒尺寸的活性炭粉末按照体积比８：２混合并加人体积百分比均为２％的Ｙ：Ｏ，和ＭｇＯ粉末（烧结助剂），研磨均匀后倒入ｑｂ３ｍｍ的模具中压制成型（压力为ｌＭＰａ）．
１．３实验装置及实验过程
本次实验是在北京同步辐射实验室ｘ射线形貌学实验站４ＷＩＡ束线上进行的，ｘ射线有效能量范围为３—２４ｋｅＶ，实验装置如图２所示．
考虑到碳化硼的同步辐射ｘ射线吸收系数，本次实验选用的ｘ射线能量为２０ｋｅＶ．由于实验要获得烧结过程中试件内部的微结构图像，故而自研制了一台同步辐射高温烧结炉，将旋转装置置于烧结炉恒温区，从而实现烧结过程中试件内部微结构重建．该烧结炉温控范围为室温一１６００ｃＣ，均匀温度区：２ｃｍ３，温控误差为±２。Ｃ，温升速率可调，最高为２５０℃／ｈ，炉壁开有６１ｃｍ通光孔，样品竖直放置于位于烧结炉恒温区的旋转烧结平台上，同步辐射Ｘ射线经通光孔穿过样品，并利用ｘ射线ＣＣＤ在通孔的另一侧采集投影图像；样品烧结平台（烧舟）由刚玉管、联轴器、传动杆与ＭＲＳｌ０２旋转台连接，旋转台角分辨率为０．００１２５０，重复定位精度＜０．００５。，步进角为０．０００１５６。．
图１滤波反投影算法流程图
Ｆｉｇ．１Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｆｉｌｔｅｒ—ｂａｃｋｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ
第１期许峰，等：碳化硼固相烧结微观结构演化的同步辐射ｃＴ观测１７７Ｘ－ｒａｙ
图２同步辐射ｃＴ实验装置示意图
Ｆｉｇ．２ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＳＲ—ＣＴ
ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｉｎｇｆａｃｉｌｉｔｙ
实验过程中利用同步辐射专用烧结炉对样品加温，样品烧结过程为无压空气氛围烧结．加温速率为２５０℃／ｈ，烧结过程温度曲线如图３所示，分别在０、１０００、１０００℃保温３０ｍｉｎ后、１０００℃保温６０ｒａｉｎ后；１１００、１１００℃保温３０ｍｉｎ后、１１０００Ｃ保温６０ｒａｉｎ后；１２００、１２００。Ｃ保温３０ｒａｉｎ后九个温度点采集投影像．在不同温度点上对碳化硼陶瓷样品在范围内成像，投影间隔３４，＝ｌ。，投影数虬＝１８０．投影像采用ｘ射线ＣＣＤ进行采集，像素为１３００×１０３０，其像素分辨率为１０．９１ｘｍ，灰度分辨率为８ｂｉｔｓ．
２重建结果
利用滤波反投影算法对采集的投影图进行重建，得到不同温度状态下的一系列横截面断层图像．利用二维互相关算法对不同温度点的图像进行检测，得到同一横截面在不同温度点下的重建图像（如图４所示）．图像灰度范围为０（黑色）～２５５（白色），灰度值越接近２５５（白色），代表该点的相对密度越高，即白色代表颗粒，黑色代表气孔．
图３烧结温度曲线和采图点
Ｆｉｇ．３Ｈｅａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃａｐｔｕｒｅｐｏｉｎｔ
利用截面算法对横截面重建图像进行处理，得到样品同一纵截面在固相烧结过程中微结构演化图像，结果如图５所示．
利用体生成算法对一系列横截面重建图像进行处理，即可将二维图像组装成三维立体图像，为提高对比度，在三维重建之前对横截面图像进行了二值化处理．三维重建结果如图６所示：
３讨论
根据现有的固相烧结理论¨卜１４Ｊ，固相烧结可分为三个阶段：烧结初期、烧结中期和烧结后期．
从材料微观结构演化的角度来看，在烧结初期，颗粒间逐渐形成接触，晶界初步形成；烧结中期颗粒和气孔随着晶界的长大而同时长大，且颗粒长大速率高于气孔长大速率，气孔仍然连通；烧结后期微结构变化加剧，气孔球化并缩小，最终材料中仅剩下残留的大气孔．
从材料致密化的角度来看，烧结初期致密化速率缓慢且孔隙率于时间对数成线性关系；烧结中期为烧结的关键阶段，该阶段致密化速率加剧，孔隙率和时间对数仍然呈线性关系，且直线斜率增大．烧结后期材料已基本致密（一般认为孔隙率小于８％），材料致密化速率明显降低．结合重建图像，分别从以下两个角度进行讨论．
３．１微观结构演化
通过重建断层图像，可以看出随着烧结时间的增加和烧结温度的升高，材料在三个烧结阶段的微观结构演化过程：
当烧结温度低于１００００Ｃ（烧结时间ｔ＜２５０ｍｉｎ）时，如图４（Ａ）一４（Ｂ）、５（Ａ）一５（Ｂ）和６（Ａ）一６（Ｂ）所示，颗粒逐渐形成接触。晶界初步形成，可视为烧结的初期；当烧结温度高于１００００Ｃ低于１２００。（；（烧结时间２５０ｍｉｎ＜ｔ＜４３０ｒａｉｎ）时，如图４（Ｂ）－４（Ｈ）、５（Ｂ）一
＼譬已鳘占
１７８无机材料学报第２４卷
图４样品在不同烧结时刻的横截面微结构重建图像
Ｆｉｇ．４ＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅｓａｍｅＣＩ＇ＯＢ￥?ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｎｔｅｆｉｎｇｐｅｒｉｏｄｓ
５（Ｈ）和６（Ｂ）一６（Ｈ）所示，颗粒随着晶界的长大而长大，小颗粒被大颗粒吞噬，样品明显收缩，相对密度增大，可视为烧结的中期；
当烧结温度高于１２００℃（烧结时间ｔ＞４３０ｍｉｎ）时，如图４（Ｈ）、４（Ｉ）、５（Ｈ）、５（Ｉ）和６（Ｈ）、６（Ｉ）所示，晶界明显成为连通的网络，气孔明显球化，微观结构演化加剧，可视为烧结的后期．
通过以上分析，通过重建图像，分辨了烧结的三个阶段，得到了在不同阶段的诸多烧结现象，实现了对固相烧结过程样品微观结构演化实时、无损的观测．３．２材料致密化
对陶瓷材料来说，固相烧结最重要的目的是使材料致密化．孔隙率是反映烧结过程中致密化程度的重要参数，为定量地讨论烧结过程，实验对不同温度点的孔隙率数据进行了统计．利用重建部分的各横截面孔隙率进行累计平均可以得到样品的平均体孔隙率．表１所示的是不同烧结时间和温度对应的体孔隙率大小，图７所示的是体孔隙率随烧结时间的演化规律，图８所示的是体孔隙率随烧结时间对数的演化规律，由于在烧结时刻ｔ＝０的时间对数取值不存在，且我们主要关心的是烧结各阶段致密化速率变化和烧结中期孔隙率随烧结时间对数的变化规律，所以取ｔ＝１时刻的烧结时间对数来代替该点取值．
通过对图７和图８的观察，结合现有烧结理论，我们发现：
１）当烧结时间ｔ＜２５０ｒａｉｎ（烧结温度低于１０００℃）时，样品孔隙率减小但速率缓慢，说明此阶段样品发生致密化且致密化速率较低，把这个阶段看作烧结的初期阶段；
２）当烧结时间２５０ｍｉｎ＜ｔ＜４４０ｍｉｎ（烧结温度高
第１期许峰，等：碳化硼固相烧结微观结构演化的同步辐射ｃＴ观测１７９
图５样品在不同烧结时刻的纵截面微结构重建图像
Ｆｉｇ．５Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅｓａｍｅｖｅｒｔｉｃａｌ?ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｅｒｉｏｄｓ
表１不同烧结时间和温度对应的体孔隙率大小
Ｔａｂｌｅ１Ｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｓｉｎｔｅｒｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅｓ
于１０００℃低于１２００℃）时，样品孑Ｌ隙率变化加剧，样品迅速致密，可视为烧结的中期．此阶段孔隙率和烧结时间的对数有良好的线性关系（如图８中ｔ＝２５０—４３０ｒａｉｎ所示），很好地吻合了现有烧结理论．
３）当烧结时间ｔ＞４３０ｒａｉｎ（烧结温度高于１２００℃）时，从图８可以看出，孔隙率随时间对数的变化曲线斜率减小，样品致密化速率降低，样品孔隙率接近９％，认为此时烧结已经进入了后期．
４结论
利用同步辐射ｃＴ技术得到了碳化硼陶瓷样品在固相烧结过程中不同温度状态的微观结构重建图像（包括横截面、纵截面和三维图像）．通过重建图像观测了样品在固相烧结过程中的诸多烧结现象（如晶界形成并长大，颗粒生长，气孔球化等），对照现有烧结理论分析了固相烧结三个阶段微观结构变化的特点，实现了对固相烧结过程微观结构演化实时和无损的观测．通过统计样品在不同烧结时刻的孔隙率，得到了样品孔隙率随烧结时间和烧结时间对数的变化曲线；通过对孔隙率—烧结对数曲线的观察，分析了样品在固相烧结三个阶段致密化速率的变化，得到了孔隙率一烧结时间对数在烧结中期的线性关系，和现有烧结理论相吻合．实验初步验证了利用同步辐射ＣＴ技术研究固相烧结过程的可行性，为进一步研究和完
善烧结理论和烧结工艺提供了很好的实验支持．
无机材料学报第２４卷
２４２２２０１８１６１４１２１０８
图６样品在不同烧结时刻微结构的三维重建图像
Ｆｉｇ．６Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｉｍａｇｅｓ
ｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｅｒｉｏｄｓＳｉｎｔｅｒｉｎｇｔｉｍｅ／ｍｉｎ
图７样品体孔隙率随烧结时间的演化规律Ｆｉｇ．７Ｃ岫ｏｆｐｏｒｏｓｉｔｙｗｉｔｈｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｉｍｅ图８样品孔隙率和烧结时间对数的关系
Ｆｉｇ．８Ｃ岫ｏｆｐｏｒｏｓｉｔｙｗｉｔｈｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｉｍｅｌｏ鲥ｔｈｍＭ
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第１期许峰，等：碳化硼固相烧结微观结构演化的同步辐射ｃＴ观测１８１
致谢ｉ在实验过程中，得到了ＢＳＲＦ形貌站朱佩平、黄万霞的帮助和支持，在此表示感谢．
参考文献：
［１］郝素娥，黄金样，张巨生，等（ＨＡＯＳｕ．Ｅ．ｅｔａ／）．无机材料学报（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｏｒｇａｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ），２００７，２２（５）：８１６．８２０．
［２］李波，张树人，周晓华，等（ｕＢｏ。ｅｔ０２）．无机材料学报（Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）。２０（ＦＩ，２２（３）：４５１－４５５．
［３】张福成．罗海辉，ＲｏｂｅｒｔｓＳｔｅｖｅ．Ｇ。等（ＺＨＡＮＧＦｕ—Ｃｈｅｎｇ。ｅｔ耐）．无机材料学报（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｏｒｇａｎｉｃＭａｌｅｒｉａｌｓ），２００７，２２（３）：４９３．４９８．
［４］ＬｉＸｉ?ｄｅ，ＨｕＸｉａｏ－ｆａｎｇ，ＨｕＹｉ－ｇｕａｎ，ｅｔａＬＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕ，ｎ０２矿如?螂Ｂ。１９９９。瑚（６）：５０３－５０８．［５］
［６］
［７］
［８］
［９］
Ｏ
ｌ
２
２
３
４
汪敏，胡小方．光学技术，２００６，３２（６）：９２６－９２８．
庞彦伟，王召巴．光学技术，２００２，７．Ｓ（２）：９９．１０１．
汪敏，胡小方，蒋锐，等．材料科学与工程学报，２００６，２４（２）：１６９．１７４．
ＤｏｍｉｎｉｑｕｅＢｅｒｎａｒｄ，ＤａｍｉｅｎＧｅｎｄｒｏｎ，Ｊｅａｎ．ＭａｒｃＨｅｉｎｔｚ．ｅｇ以＾伊缸Ｍａｔｅｒ／０２，２００５，５３（１）：１２１－１２８．
ＬａｎｌｅＯ，ＢｅｌｌｅｔＤ，ＤｉＭｉｃｈｉｅｌＭ。ｅｔ０２．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉ０２ｉａ，２００４，配（４）：９７７－９８４．
庄天戈．ＣＴ原理与算法．上海交通大学出版社。１９９２．
ＣｏＮｅＲＬ．上Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．。１９６１，３２：７８７—７９２．
ＣｏｂｌｅＲＬ．上Ａｐｐｔ．Ｐｈｙｓ．．１９６１，３２：７９３－７９９．
施剑林．硅酸盐学报，１９９７．２Ｓ（Ｓ）：４９９－５１３．
施剑林．硅酸盐学报．１９９７，２５（６）：６５７－６６８．
施剑林．硅酸盐学报。１９９８，拍（１）：１－１２．
碳化硼固相烧结微观结构演化的同步辐射CT观测
作者：许峰， 胡小方， 卢斌， 赵建华， 伍小平， 袁清习， XU Feng， HU Xiao-Fang， LU Bin， ZHAO Jian-Hua， WU Xiao-Ping， YUAN Qin-Xi
作者单位：许峰,胡小方,卢斌,赵建华,伍小平,XU Feng,HU Xiao-Fang,LU Bin,ZHAO Jian-Hua,WU Xiao-Ping(中国科学技术大学,中国科学院材料力学行为和设计重点实验室,合肥,230026)
， 袁清习,YUAN Qin-Xi(中国科学院,高能物理研究所,北京,100039)
刊名：
无机材料学报
英文刊名：JOURNAL OF INORGANIC MATERIALS
年，卷(期)：2009，24(1)
被引用次数：0次
参考文献(15条)
1.郝素娥.黄金祥.张巨生查看详情[期刊论文]-无机材料学报 2007(05)
2.李波.张树人.周晓华查看详情[期刊论文]-无机材料学报 2007(03)
3.张福成.罗海辉.Roberts Steve-G查看详情[期刊论文]-无机材料学报 2007(03)
4.Li Xi-de.Hu Xiao-fang.Hu Yi-guan查看详情 1999(06)
5.汪敏.胡小方查看详情[期刊论文]-光学技术 2006(06)
6.庞彦伟.王召巴查看详情[期刊论文]-光学技术 2002(02)
7.汪敏.胡小方.蒋锐查看详情[期刊论文]-材料科学与工程学报 2006(02)
8.Dominique Bernard.Damien Gendron.Jean-Marc Heintz查看详情 2005(01)
https://www.wendangku.net/doc/af8557187.html,me O.Bellet D.Di Michiel M查看详情 2004(04)
10.庄天戈CT原理与算法 1992
11.Coble R L查看详情 1961
12.Coble R L查看详情 1961
13.施剑林查看详情 1997(05)
14.施剑林查看详情 1997(06)
15.施剑林查看详情[期刊论文]-硅酸盐学报 1998(01)
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1.会议论文马奇.郭兴忠.杨辉.傅培鑫.高黎华.李祥云.李志强喷雾造粒对固相烧结SiC陶瓷的影响2006
采用离心式喷雾造粒技术对SiC浆料进行造粒,研究了喷雾造粒对SiC粉体的流动特性、成型行为、烧结性能、力学性能及显微结构的影响机制.研究结果表明:喷雾造粒后,碳化硅粉体流动性得到较大改善,素坯密度增加,微观结构致密;固相烧结后,碳化硅陶瓷的烧结性能提高,陶瓷显微结构得到改善.
2.学位论文孙建波陶瓷固相烧结的计算机模拟2005
烧结是陶瓷材料最重要的加工成型方法，烧结理论和计算机模拟技术的发展，为我们研究烧结过程提供了一种新的途径。陶瓷烧结的计算机模拟将有助于理解烧结机制，验证和发展烧结理论，并将有助于烧结工艺优化和烧结体性能预测。
本文采用MonteCarloPotts模型对陶瓷固相烧结进行模拟研究。研究了各类文献中的两种陶瓷烧结MonteCarloPotts模型，一是Morhac等人所用的模型，另一个是Tikare等人所用的模型。这两个模型中，所有晶体取向总数Q的大小显著影响模拟结果，特别是烧结动力学。为了克服这一缺点，本文采用了一种改进的MonteCarloPotts模型来模拟陶瓷固相烧结过程，该模型摆脱了前两个模型的缺点。在改进模型中，固相扩散的频率(Ds)和空位湮灭的频率(DA)都是可控制的。分别采用改进模型和Tikare模型对烧结体的固相烧结过程进行模拟。而适当地调整改进模型中的Ds和DA，得到的烧结动力学和Tikare模型的结果相同。
为了研究实际烧结体的烧结过程，采用几何法模拟出四种组织作为固相烧结的初始组织，这些组织都是由堆积在一起的圆颗粒构成的。其中包括由三个颗粒、四个颗粒、按正方形点阵排列的颗粒、密排颗粒及不同尺寸的颗粒构成的初始组织。
采用改进的MonteCarloPotts模型，对不同烧结初始组织的固相烧结进行了模拟。这些组织的形态变化与实际烧结时的情况是相似的，三个颗粒、四个颗粒模拟组织的颈长动力学方程指数值分别为n=5.8和5.7。表明在改进模型中烧结过程的物质迁移的主导机制为晶界扩散。由于各种初始组织中的颗粒形态不同，因此烧结动力学曲线也不同，按正方形点阵排列的圆颗粒初始组织的动力学曲线更接近于实际陶瓷烧结的致密化动力学曲线。
最后将改进的MonteCarloPotts模型推广到了三维情况，结果表明，改进模型能够模拟三维陶瓷体固相烧结过程，其动力学曲线与二维情况相似。分析了孔洞总表面积及晶界总面积与时间的关系和晶粒尺寸分布。
3.会议论文刘瑞新.秦湘阁.王文仲.赵淑金陶瓷固相烧结的有限元模拟2006
烧结是生产陶瓷零件的常用工艺,有效预测烧结产品的变形对于控制陶瓷产品最终尺寸是很重要的.本文在ABAQUS的CREEP用户子程序中实现了粘弹性本构模型,模拟了陶瓷体的烧结过程,同时使用ABAQUS中的幂律本构模型进行了比较,研究了氧化铝圆柱形陶瓷压坯烧结过程的变形情况和外部压力的影响.结果表明,粘弹性本构模型得到的致密度与文献中报道的实验结果基本相符.
4.学位论文江帆陶瓷固相烧结的同步辐射实时观测2007
本文应用SR-CT技术对固相烧结过程进行了观测并对其演化规律进行了初步探索。
首先概述了粉末烧结理论的发展和研究现状，对烧结过程进行了唯象分析，探讨了关于致密化过程的一些经验方程和唯象动力学方程，认识到烧结理论的发展对观测方法提出的需求，继而介绍了同步辐射CT技术。
着重介绍了同步辐射CT算法中应用最广泛的卷积反投影算法，对同步辐射CT技术的误差进行了分析，指出了各种误差源，给出了几种误差的表达式，并对其中部分误差的消除进行了有效的探索。
构建了应用SR-CT技术实现固相烧结观测的实验平台，重点对旋转系统进行了改造。制备了系列具有代表性的金属粉末样品和陶瓷粉末样品。完成了对几种粉末烧结过程的观测实验，追踪了整个烧结过程，获得了烧结过程中不同时刻的同步辐射投影像，根据这些投影像重建得到了粉末在不同温度点时的内部微观结构，计算得到了部分宏观烧结参数，并根据这些数据，结合现有烧结理论，对粉末烧结过程中的微结构演化规律进行了探讨。
5.期刊论文武安华.曹文斌.李江涛.葛昌纯.WU An-hua.CAO Wen-Bin.LI Jiang-tao.GE Chang-Chun固相烧结
SiC陶瓷-材料工程2001(4)
实验采用α-SiC、β-SiC和(1%α-SiC +99%β-SiC)作为起始粉末，以B、C为添加剂，热压烧结SiC陶瓷。其烧结过程中尽管发生多型体之间的转变，但其表现形式为α-SiC的6H→4H和β-SiC的3C→6H两种形式。尽管有大量的长柱状颗粒生成，但是由于没有弱的界面结合，不能原位增强。
6.期刊论文马奇.郭兴忠.杨辉.傅培鑫.高黎华.李祥云.李志强.Ma Qi.Guo Xingzhong.Yang Hui.Fu Peixin.Gao
Lihua.Li Xiangyun.Li Zhiqiang喷雾造粒对固相烧结SiC陶瓷的影响-陶瓷学报2006,27(3)
采用离心式喷雾造粒技术对SiC浆料进行造粒,研究了喷雾造粒对SiC粉体的流动特性、成型行为、烧结性能、力学性能及显微结构的影响机制.研究结果表明:喷雾造粒后,碳化硅粉体流动性得到较大改善,素坯密度增加,微观结构致密;固相烧结后,碳化硅陶瓷的烧结性能提高,陶瓷显微结构得到改善.
7.学位论文应伟峰B<,4>C陶瓷的固相烧结2004
碳化硼陶瓷是一种高性能的结构陶瓷,被认为是最有前途的结构陶瓷之一碳化硼具有一系列优良的性能:如密度低、硬度高和化学性质稳定,同时碳化硼还有很强的吸收中子的能力.基于这些优良的特性,碳化硼在许多领域得到了广泛的应用.例如用作防弹轻甲、气体轴承、喷砂嘴和研磨介质等
.B<,4>C陶瓷由于烧结工艺或添加剂的不同在性能方面有着巨大的差异,其中固相烧结B<,4>C陶瓷由于制备工艺简单,产品性能优越以及成本低廉而受到广泛的重视.在目前的工业生产中,多采用常压固相烧结制备B<,4>C陶瓷材料.该文采用碳化硼微粉,选用SiC-C复合添加剂作为烧结助剂,对B<,4>C固相烧结进行了比较系统的研究.通过实验研究了烧结工艺和材料组成对材料的体积密度、硬度、抗折强度和断裂韧性等性能的影响.实验结果表明:(1)随着烧结温度的增加,材料密度和抗折强度先增加后减小;而材料的硬度随着烧结温度的增加而不断的增加.在T=1975℃时,材料的体积密度和抗折强度均达到最大值,分别为2.437 g/cm<'3>和210MPa,而此时材料的断裂韧性最低,为2.9 MP.m<'1/2>;(2)材料成分对密度、硬度和抗折强度的影响规则相同,都是先增大后减小,而断裂韧性随着碳含量的增加而增加.当SiC和C的质量百分比分别为6％、5％时,材料的综合性能达到最佳值;(3)根据实验结果得到的最佳配方,经过最佳工艺烧结后材料的最佳性能为:密度达2.45g/cm<'3>,硬度达35GPa,抗折强度达240MPa,断裂韧性达3.0MP.m<'1/2>;(4)在碳化硼固相烧结中,温度对于烧结来说是一个非常敏感的因素.烧结阶段的保温时间对于材料的晶粒的尺寸大小有着很大的影响;(5)C在烧结过程中可以与B<,4>C表面氧化层发生反应,从而促进材料的烧结;(6)SiC在烧结过程中降低B<,4>C比表面能,从而促进烧结.论文结果对于B<,4>C的工业生产和应用具有重要的理论指导意义和实用价值.
8.学位论文许峰陶瓷固相烧结的同步辐射CT技术研究2008
本文阐述了对陶瓷固相烧结过程进行无损、实时研究的必要性和重要性，概述了陶瓷固相烧结演化过程和现象、热力学机制、理论模型和控制方程；总结了同步辐射CT(SR-CT)技术的原理以及目前国内外研究现状。在此基础上，利用相场法对陶瓷烧结过程进行了二维和三维的数值模拟，分析了利用SR-CT技术对陶瓷固相烧结过程进行实时观测的实验难点，提出了利用加窗傅立叶滤波提高SR-CT重建图像的质量的方法并进行了可行性分析，设计了实验方案，利用SR-CT技术对多种陶瓷样品固相烧结过程的微结构演化过程进行了实时的实验观测，并结合现有烧结理论和模型对实验的结果进行分析。 本文主要研究内容如下：
一、总结了固相烧结理论，对固相烧结过程的微观结构演化进行了二维和三维的数值模拟，其中三维的数值模拟目前国内尚未见到公开的报道，在国际上也仅见少数几篇报道。
1、对固相烧结过程进行了分析，探讨了关于固相烧结过程的热力学驱动力和物质传输机制以及致密化过程的一些经验方程和唯象动力学方程。
2、对固相烧结过程现有的数值模拟方法进行了综述。重点讨论了基于Cahn-Hilliard守恒参量和Ginzburg-Landau非守恒参量的扩散相场模型。
3、利用扩散相场模型，结合Cahn-Hilliard守恒参量和Ginzburg-Landau非守恒参量控制方程，对初始颗粒四方堆积情形和初始颗粒气孔耦合拓扑情形固相烧结过程的微结构形貌演化进行了二维的数值模拟，数值模拟结果展现了固相烧结过程的诸多微观结构演化现象，如颗粒和气孔的迁移等。
4、在二维模拟的基础上，进一步利用扩散相场模型对初始颗粒堆积情形和初始颗粒气孔耦合拓扑情形固相烧结过程的微结构形貌演化进行了三维的数值模拟，更加直观的反映了在固相烧结过程中的微观结构演化规律，通过对不同模拟时间的材料孔隙率的统计并结合烧结理论验证了模型的有效性。
二、提出了利用加窗傅立叶滤波提高SR-CT重建图像质量的方法，为将SR-CT技术应用于陶瓷固相烧结过程的研究提供了算法和技术支持。
1、以提高SR-CT技术重建图像质量为主线，对SR-CT技术进行了探讨，详细介绍了滤波反投影算法和加窗傅立叶变换技术。
2、通过对滤波反投影重建算法和同步辐射光场空间非均匀性的讨论，分析了滤波反投影算法中影响重建图像质量的因素，提出了利用加窗傅立叶滤波改进重建图像质量的方案并分析了方法的可行性。
3、利用基于加窗傅立叶变换的滤波反投影算法得到了两组实验重建图像，和未经过加窗傅立叶变换重建图像的对比，其重建图像质量有了明显提高，同步辐射光场空间非均匀性噪声得到了有效抑制。
三、在国内率先实现了利用SR-CT技术对陶瓷固相烧结过程的实时和无损的观测，为改进烧结模型和指导烧结提供了有效的实验支持。
1、设计实验方案并制备了系列具有代表性的陶瓷粉末和素坯样品。利用SR-CT技术完成了对几种样品固相烧结过程的观测实验，得到了样品在不同烧结时刻的内部微观结构的二维和三维重建图像，通过重建图像观测到了陶瓷固相烧结过程的三个阶段及诸多烧结现象(晶界形成、颗粒长大、气孔球化等)。
2、利用数字图像处理方法统计了样品在不同烧结时刻的孔隙率变化，得到了孔隙率随烧结时间和烧结时间对数的变化曲线。通过曲线分析了各样品在烧结过程中的致密化规律，得到了在不同烧结阶段致密化的特点。
3、根据孔隙率一烧结时间对数曲线得到了烧结中期孔隙率随烧结时间对数的线性关系，提出了相对致密化速率的概念，并根据一组不同初始孔隙率样品的孔隙率—烧结时间对数曲线分析了初始孔隙率对烧结开始时间、烧结中期致密化相对速率和烧结完成时间的影响。
最后，总结全文工作，给出本文研究的主要内容和尚需进一步深入的研究课题，提出今后研究思路和方案。
9.期刊论文景晓宁.赵建华.何陵辉固相烧结后期晶粒和气孔拓扑生长演化的二维相场模拟-材料科学与工程学报
2003,21(2)
本文采用二维相场模型模拟固相陶瓷烧结后期,晶粒和气孔耦合生长演化过程.以连续变化的组分参量和长程序参量(LRO)表征微观烧结体的组分相和晶相扩散拓扑结构,由Cahn-Hillard(CH)方程和Ginzburg-Laudau(TDGL)方程分别控制组分场和取向场时间相关的扩散演化,并且利用半隐傅立叶频域法高效地模拟了烧结后期晶粒和气孔拓扑形貌的演化过程和统计分析生长参数,并通过与完全致密体晶粒生长速率比较,量化分析残余气孔对晶粒生长的影响.
10.学位论文刘瑞新钛酸钡陶瓷固相烧结的有限元模拟2007
烧结是陶瓷制备的关键工序。关于陶瓷的烧结动力学已经进行了大量实验研究，但其研究周期长、成本高、数据分散，难以准确描述烧结致密化全过程。本文使用有限元软件ABAQUS的用户子程序CREEP实现了烧结模拟的粘弹性本构模型，首次应用该模型模拟钛酸钡(BaTiO<,3>)的烧结，通过有限元数值模拟研究了陶瓷烧结的影响因素。
本文系统地研究单元数目、热膨胀系数、表面能、转变温度和粘性流动激活能对烧结有限元模拟结果的影响，证明粘弹性模型可以应用于
BaTiO<,3>陶瓷烧结模拟。
随着烧结温度的升高，有限元模拟的烧结收缩率增大，相对密度增大，模拟结果与实验结果一致。随着升温速率的加快，有限元模拟的最大收缩率相近，约为15％左右，烧结的相对密度较高。结果表明，升温速率对有限元模拟的烧结收缩率和相对密度几乎不产生影响，与实验结果反映出的规律相同。随着初始相对密度的增加，有限元模拟的烧结收缩率减小，相对密度增大，模拟结果与实验结果一致。
随着烧结初始条件的不同，粘弹性模型模拟的BaTiO<,3>陶瓷烧结收缩率都与实验结果一致，表明粘弹性模型用于BaTiO<,3>陶瓷烧结模拟具有良好的自洽性。
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下载时间：2011年1月14日