陶瓷固相燒結(jié)的同步輻射CT技術(shù)研究.pdf

1、本文闡述了對陶瓷固相燒結(jié)過程進行無損、實時研究的必要性和重要性，概述了陶瓷固相燒結(jié)演化過程和現(xiàn)象、熱力學(xué)機制、理論模型和控制方程；總結(jié)了同步輻射CT(SR-CT)技術(shù)的原理以及目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，利用相場法對陶瓷燒結(jié)過程進行了二維和三維的數(shù)值模擬，分析了利用SR-CT技術(shù)對陶瓷固相燒結(jié)過程進行實時觀測的實驗難點，提出了利用加窗傅立葉濾波提高SR-CT重建圖像的質(zhì)量的方法并進行了可行性分析，設(shè)計了實驗方案，利用SR-CT技術(shù)對

2、多種陶瓷樣品固相燒結(jié)過程的微結(jié)構(gòu)演化過程進行了實時的實驗觀測，并結(jié)合現(xiàn)有燒結(jié)理論和模型對實驗的結(jié)果進行分析。 本文主要研究內(nèi)容如下： 一、總結(jié)了固相燒結(jié)理論，對固相燒結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)演化進行了二維和三維的數(shù)值模擬，其中三維的數(shù)值模擬目前國內(nèi)尚未見到公開的報道，在國際上也僅見少數(shù)幾篇報道。 1、對固相燒結(jié)過程進行了分析，探討了關(guān)于固相燒結(jié)過程的熱力學(xué)驅(qū)動力和物質(zhì)傳輸機制以及致密化過程的一些經(jīng)驗方程和唯象動力學(xué)方程。

3、 2、對固相燒結(jié)過程現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法進行了綜述。重點討論了基于Cahn-Hilliard守恒參量和Ginzburg-Landau非守恒參量的擴散相場模型。 3、利用擴散相場模型，結(jié)合Cahn-Hilliard守恒參量和Ginzburg-Landau非守恒參量控制方程，對初始顆粒四方堆積情形和初始顆粒氣孔耦合拓撲情形固相燒結(jié)過程的微結(jié)構(gòu)形貌演化進行了二維的數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果展現(xiàn)了固相燒結(jié)過程的諸多微觀結(jié)構(gòu)演化現(xiàn)象，如

4、顆粒和氣孔的遷移等。 4、在二維模擬的基礎(chǔ)上，進一步利用擴散相場模型對初始顆粒堆積情形和初始顆粒氣孔耦合拓撲情形固相燒結(jié)過程的微結(jié)構(gòu)形貌演化進行了三維的數(shù)值模擬，更加直觀的反映了在固相燒結(jié)過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，通過對不同模擬時間的材料孔隙率的統(tǒng)計并結(jié)合燒結(jié)理論驗證了模型的有效性。 二、提出了利用加窗傅立葉濾波提高SR-CT重建圖像質(zhì)量的方法，為將SR-CT技術(shù)應(yīng)用于陶瓷固相燒結(jié)過程的研究提供了算法和技術(shù)支持。

5、 1、以提高SR-CT技術(shù)重建圖像質(zhì)量為主線，對SR-CT技術(shù)進行了探討，詳細介紹了濾波反投影算法和加窗傅立葉變換技術(shù)。 2、通過對濾波反投影重建算法和同步輻射光場空間非均勻性的討論，分析了濾波反投影算法中影響重建圖像質(zhì)量的因素，提出了利用加窗傅立葉濾波改進重建圖像質(zhì)量的方案并分析了方法的可行性。 3、利用基于加窗傅立葉變換的濾波反投影算法得到了兩組實驗重建圖像，和未經(jīng)過加窗傅立葉變換重建圖像的對比，其重建圖像質(zhì)量有了明

6、顯提高，同步輻射光場空間非均勻性噪聲得到了有效抑制。 三、在國內(nèi)率先實現(xiàn)了利用SR-CT技術(shù)對陶瓷固相燒結(jié)過程的實時和無損的觀測，為改進燒結(jié)模型和指導(dǎo)燒結(jié)提供了有效的實驗支持。 1、設(shè)計實驗方案并制備了系列具有代表性的陶瓷粉末和素坯樣品。利用SR-CT技術(shù)完成了對幾種樣品固相燒結(jié)過程的觀測實驗，得到了樣品在不同燒結(jié)時刻的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的二維和三維重建圖像，通過重建圖像觀測到了陶瓷固相燒結(jié)過程的三個階段及諸多燒結(jié)現(xiàn)象(晶界形

7、成、顆粒長大、氣孔球化等)。 2、利用數(shù)字圖像處理方法統(tǒng)計了樣品在不同燒結(jié)時刻的孔隙率變化，得到了孔隙率隨燒結(jié)時間和燒結(jié)時間對數(shù)的變化曲線。通過曲線分析了各樣品在燒結(jié)過程中的致密化規(guī)律，得到了在不同燒結(jié)階段致密化的特點。 3、根據(jù)孔隙率一燒結(jié)時間對數(shù)曲線得到了燒結(jié)中期孔隙率隨燒結(jié)時間對數(shù)的線性關(guān)系，提出了相對致密化速率的概念，并根據(jù)一組不同初始孔隙率樣品的孔隙率—燒結(jié)時間對數(shù)曲線分析了初始孔隙率對燒結(jié)開始時間、燒結(jié)中期致