脉冲电流与微波耦合作用下亚微米高导电粉体的合成与耦合作用机制

In the present study, the sub-micron composite metal oxides conductive powder Ti2CO﹒Al2O3 was fabricated by the China first pulse current and microwave coupling sinter device, and its conductive capacity enhanced 1000 times in compared with the same type of materials. However, the synthesis mechanism and coupling working mechanism are not clear. Thus, the distribution and influence law of electric field, magnetic field and thermal field will be studied via the advanced and reliable HFSS and ANSYS soft. The influence law and mechanism of elements diffusion, atom replacement and nucleation, growth, structure, size, shape, phase selection of grain as well as the microstructure evolution will be studied by the new technology, synchrotron radiation online technology. The synthetic mechanism will be obtained, at the same time to optimist the fabricated parameters. The preparation technology of the controllable morphology and size adjustable conductive powder with high conductivity will be obtained. In the studies, the basis is established for perfecting the theories of crystal growth and atom diffusion at the non-equilibrium and extreme condition. The condition will be build for building the theoretical system of powder materials sinter via pulse current and microwave. The evidence will be provided for the fabrication of high conductivity ultra-fine grained powder materials.

本项目通过国内首台脉冲电流与微波耦合烧结设备，采用耦合烧结方式合成了亚微米高导电复合金属氧化物导电粉体Ti2CO．Al2O3，其导电能力比同类型粉体材料提高了1000倍，但合成过程相关机理与电磁场耦合作用机制尚不清晰。因此，本研究以三维电磁仿真软件HFSS和ANSYS研究合成过程中电、磁、热等场的分布规律；借助同步辐射技术，研究了在微波和脉冲电流所耦合的电场、磁场、热场等对元素的扩散，原子的置换，晶体的形核、生长、结构、尺寸、形状、相位选择以及微结构演化等的影响规律和作用机制，阐明材料的合成机理，优化制备参数，获得形貌可控、尺寸可调的亚微米高导电粉体制备技术。本项目为完善在极端、非平衡条件下物质扩散、晶体生长等理论体系提供条件，为构建脉冲电场和微波场耦合下粉体材料的烧结理论体系提供基础，为形貌可控、尺寸可调、超细晶高电导率粉体材料的制备提供技术支撑。

随着工业技术进一步发展、科技水平逐步提高，对导电粉体的质量、性能、使用效果等有着更高的要求，尤其是在国防军工方面，在电磁屏蔽和核领域，需要更高的综合性能。基于此，课题开展了TiO2和C原材料的颗粒基本物性与电流强度、微波功率之间的关系，建立了三者之间的匹配关系模型，开展了两场作用下电流和磁场的分布规律，构建了相互作用的理论关系；开展了TiO2和C原材料在固定微波和电流下热场的分布情况，分析了在不同的热作用下Ti2CO﹒Al2O3粉体的形成过程及反应机理，探索了基本的物质反应规律和影响因素；根据电流与微波协同作用下电磁场的特征，研究了电流的变化对Ti、O、C等元素扩散、传输的影响因素及其作用规律，分析了Ti2CO﹒Al2O3的晶体结构特征，探讨了不同的烧结工艺条件下晶体的形核和成长的影响；研究了反应物比例、粒度、紧实率、加热速率等反应参数对Ti2CO﹒Al2O3晶粒结构、尺寸、形状、相位及选择性生长等的影响，探讨了不同反应参数、动力学条件下Ti2CO﹒Al2O3生长方式的影响规律和机制，建立了烧结参数与晶体的生长的关系。根据微波、脉冲电流的相互关系，优化出了微波和脉冲电流耦合作用下制备Ti2CO﹒Al2O3最优参数，形成形貌可控、尺寸可调、性能稳定的导电粉体制备工艺。最后进行了粉体应用性的探索。完成了脉冲电流与微波耦合作用下亚微米高导电粉体的合成与耦合作用机制的研究工作。本研究获得微波和脉冲电流耦合合成材料的关键理论问题，为获得理想的导电粉体，完善脉冲与微波耦合作用下材料合成的基本理论提供支撑。执行期实际发表SCI检索论文12篇，EI检索论文1篇，申请发明专利2件，其中1件已授权；培养贵州省青年科技奖、贵州省优秀科技工作者各1人次，1人入选贵州省优秀青年科技人才培养计划，1人晋升为正高级职称，2人晋升为副高级职称，培养硕士研究生1名。