新型微波陶瓷烧结的SR-CT技术实时观测与数值模拟

陶瓷材料由于其优异的性能在能源、航天、航空等领域有着重要的应用，然而其性能却在很大程度上受制于其制备过程（烧结过程）。本项目结合新型微波烧结技术和同步辐射CT技术，对陶瓷烧结过程进行实时和无损的研究，由实验结果定量计算晶粒大小、孔隙率、晶界尺寸等烧结参数，分析烧结过程中的晶粒生长指数等烧结动力学参数演化特征和物质传输机制，此基础上利用Monte Carlo、相场动力学等方法对陶瓷烧结过程进行数值模拟，结合SR-CT实验数据对数值模型进行评价和改进，从而给出最符合实际的烧结模型。本项目对发展极端条件下的材料无损检测技术、完善烧结理论和探索新的烧结技术具有重要的科学意义，同时对利用数值模拟技术预测和提高陶瓷性能、优化烧结工艺、降低生产能耗等具有重要实用价值。

本项目按照各年度计划执行，基本完成了《项目任务计划书》中的各项研究内容：1）、设计并研制了SR-CT微波烧结专用实验装置，目前未见同类设备。该设备微波输出功率0~3KW连续可调，最高温度达1700℃，可实现亚微米空间分辨率（0.37um）的SR-CT微波烧结实验。2）、首次实现了陶瓷微波烧结的SR-CT在线实验，利用实验结果分析了微波烧结微观动力学特征及金属和非金属材料微波烧结机制的异同，探讨了第二相加入对烧结过程和陶瓷性能的影响，为进一步利用数值模拟等方法研究烧结机制提供实验数据支持。3）、完善了Monte Carlo算法，采用了守恒动态算法，实现了烧结过程中的晶粒生长、致密化等典型烧结现象的二维数值模拟；通过引入不均匀温度场来实现微波电磁场在烧结中独特的加热机制，同时通过引入刚体运动从力学分析角度进一步完善相场模型，从而实现了烧结过程的三维相场模拟；并结合烧结理论分析了各模拟特征参数对模拟结果的影响。4）、将SR-CT实验结果和数值模型进行有效结合，首次实现了基于SR-CT实验的Monte Carlo二维和相场动力学三维烧结过程数值模拟，目前尚未见到类似的研究报道。. 并在原计划的基础上，对SR-CT技术进行了进一步的研究：通过改进滤波反投影算法和提出新型迭代重建算法有效改善了重建图像质量； 实现了基于小波变换和希尔伯特变换的SR-CT局部重建，确保了实验的顺利实施；自行编写并开发了基于GPU并行计算的SR-CT重建软件，将计算时间压缩为原来的三十分之一。