[论文解读] Thermodynamic Theory of Sintering and Swelling

Yuri Kornyushin|ArXiv.org|Jan 30, 2007

Advanced materials and composites参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出了一种关于在体加热（如辐射或电磁场引起的加热）条件下材料烧结与肿胀的热力学理论。该理论引入了一种介观弛豫时间方法，以模拟由内部产热引起的驱动力，分析其对烧结动力学、显微结构演化及肿胀的影响，并应用于核材料和微电子元件。

ABSTRACT

The General Thermodynamic Theory of Sintering, formulated by the author in 1998 is given. This theory is applied to the problem of swelling of materials under conditions of radiation. Driving forces, caused by the presence of the evolution of heat in the volume of a sample (electric contact, hf, inductive heating or penetrating radiation, e.g., neutrons could be the sources of the heat in the bulk of a sample) are considered. The influence of these driving forces on sintering, structure and properties is discussed. The role of mobile and immobile dislocations, grain boundaries, and pores is regarded. Cycling and pulsing regimes of sintering are investigated. A mesoscopic approach, described in present paper, which had been used for years to solve sintering problems, also could help solving problems of nucleation, decomposition, and other problems in the theory of alloys. Described relaxation time technique could help simplifying calculations and give more clear physical picture. Bulks heating driving forces, important for small size objects of microelectronics or/and heat evolving elements in nuclear reactors, are important also for the problems of nucleation and decomposition in these objects.

研究动机与目标

• 将1998年的烧结热力学理论扩展至包含体加热条件下的肿胀行为。
• 分析内部热源（如中子辐照、感应加热或射频加热）对烧结及结构演化的影响。
• 研究可移动与不可移动位错、晶界及孔洞在烧结与肿胀过程中的作用。
• 探讨烧结的循环与脉冲工作制度，以实现对显微结构与性能的更优控制。
• 展示介观弛豫时间技术在合金成核与分解等更广泛问题中的适用性。

提出的方法

• 将介观弛豫时间形式化方法应用于描述内部产热条件下的烧结动力学。
• 建模由体热释放产生的驱动力，例如电接触、射频或中子辐照引起的热释放。
• 将位错迁移率、晶界运动及孔洞演化的影响整合进热力学框架。
• 将该理论应用于周期性与脉冲烧结制度，以评估显微结构与力学响应。
• 采用广义热力学势来描述烧结与肿胀过程中的自由能变化。
• 推导弛豫时间表达式，以简化动力学计算并提高物理解释性。

实验结果

研究问题

• RQ1 辐射或电磁场等内部热源如何驱动多晶材料的烧结与肿胀？
• RQ2 在体加热条件下，可移动与不可移动位错在烧结与肿胀过程中分别起什么作用？
• RQ3 晶界与孔洞如何影响脉冲或循环烧结过程中显微结构的演化？
• RQ4 弛豫时间技术在烧结动力学与热力学稳定性建模方面有何改进作用？
• RQ5 该介观方法是否可扩展用于预测辐照或加热材料中的成核与相分解行为？

主要发现

• 该理论通过将内部热源纳入热力学势，成功描述了体加热条件下的烧结与肿胀行为。
• 弛豫时间形式化方法简化了动力学计算，并为烧结动力学提供了更清晰的物理解释。
• 循环与脉冲烧结制度被证明可影响显微结构演化，为实现可控致密化与肿胀抑制提供了可能。
• 该模型预测，体材料内部的产热（如中子辐照）即使在无外部压力条件下，也能引发显著的肿胀与结构变化。
• 该方法可扩展应用于微电子与核材料中成核与相分解问题的预测。
• 该理论为分析微电子与反应堆材料中产热元件提供了分析框架，其中局部加热至关重要。