Micro-FAST的电热聚焦及其对粉末快速致密化的作用机制

Due to the broad prospects of net-shape forming for micro parts and the unique advantages of rapid sintering technology, our research group effectively combined micro components manufacturing and rapid sintering technologies and developed a new micro-parts rapid manufacturing technology named as micro-forming fields activated sintering technology (Micro-FAST). According to previous researches, it was found that electric field and thermal field highly concentrated on the contact surfaces between grains, resulting in rapid densification of the powder system at a low sintering temperature. In this context, the concept of “Electrothermal Focusing” effect was firstly proposed. Scientific issues such as basic features of the electrothermal focusing, the rapid integration mechanism of atoms during densification process and the contribution of electrothermal focusing to the densification in the Micro-FAST process will be addressed. The fabrication of micro parts will be investigated by combining the simulation and experiment process. Distribution of electrical and thermal fields, influence factors of electrothermal focusing in sintering process, evolution mechanism of rapid integration among particles and the influence of electrothermal focusing on the densification process are to be studied to reveal the low temperature densification of Micro-FAST. The research proposed will promote the development of low-temperature solid-state sintering technology, and pave a new way to produce net-shape micro-parts in a fast way.

针对微型零件近净成形的广阔前景和粉末快速烧结技术的独特优势，本课题组将微型零件制造与粉末快速烧结有效结合，形成了一种新型的微型零件快速制造技术——微成形场活化烧结技术（Micro-FAST）。根据前期基础研究中发现的粉末颗粒接触处电场和热场高度集中，导致粉末体系在表观低温下实现快速致密化的现象，首次提出了“电热聚焦”效应。针对Micro-FAST中电热聚焦的本质特征、致密化过程中颗粒间快速融合的微观机制以及电热聚焦对粉末体系快速致密化的贡献等科学问题，本项目以微型零件制备为载体，拟采用模拟计算与实验研究相结合的方法，研究粉末体系中电场及热场的分布特征、烧结过程中电热聚焦的影响因素、粉末颗粒间快速融合的演变机制以及电热聚焦对粉末快速致密化的影响规律等，以揭示Micro-FAST的低温快速致密化机制，促进低温固态烧结技术的发展，在微型零件的近净成形方面开辟出一条全新的快速制备的新途径。

针对Micro-FAST中电热聚焦的本质特征、致密化过程中颗粒间快速融合的微观机制以及电热聚焦对粉末体系快速致密化的贡献等科学问题，本项目以微型零件制备为载体，采用模拟计算与实验研究相结合的方法，系统且深入地研究了粉末体系中电场及热场的分布特征、烧结过程中电热聚焦的影响因素、粉末颗粒间快速融合的演变机制以及电热聚焦对粉末快速致密化的影响规律。研究发现，利用粉末材料采用Micro-FAST制备微型零件的过程中，微型零件的快速成型过程分为三个阶段：第一阶段——预热与重排阶段，即外加压力使粉末颗粒重排，粉末逐渐升温致使烧结体开始致密化；第二阶段——快速升温阶段，即粉末颗粒间因电热聚焦的存在使得颗粒间温度迅速上升，导致原子快速扩散而迅速致密化；第三阶段——继续致密化阶段，即保温过程中较慢的原子扩散使粉末材料继续致密化。粉末材料在快速升温过程中，电场和热场在粉末颗粒中的分布极不均匀，颗粒接触处外部孔隙区域的电场强度是颗粒内部的数十倍，是颗粒接触处的数倍；同时，颗粒接触处的温度远高于颗粒内部，且越接近颗粒之间的接触位置其温度梯度越大，而颗粒心部附近的温度梯度明显较小。研究发现，快速升温过程中当烧结试样的表观温度还比较低时，此时粉末颗粒接触处的瞬时温度已经处于较高温度，甚至超过了粉末材料的熔点，导致颗粒间产生微区液相。粉末材料快速升温过程中电场和热场的高度聚焦，致使粉末材料能够在较低温度和极短时间内实现快速致密化。因此，Micro-FAST中的电热聚焦对粉末材料的快速致密化具有极为重要的作用，快速升温过程是微型零件快速制备的最重要阶段。本项目研究揭示了Micro-FAST的低温快速致密化机制与传统烧结方法完全不同，促进了低温固态烧结技术的发展，为微型零件的近净成形和快速制造开辟了一条新途径并提供了一种新思路。