基于热-力-电-扩散强耦合理论的脉冲电流快速烧结机理研究

The research of mechanism of pulse electric current heat treatment (PECH) involve many subjects and gain characteristics of both basic and intersections simultaneously. Targets on SiC ceramics, the mechanism of rapid sintering will be investigated by means of built a thermal-mechanical-electric-diffusion strong coupling theoretical framework which combined the microstructure evolution with sintering molding in the overall process of non-isothermal and non-equilibrium states, and then a generalized phase field method for all-range analysis will be developed , in which the influence rule of effects of non-Fourier, discharge, electro-thermal (joule heat and Peltier effects) and skin effect on the diffusion are considered at different sintering stages. In the meanwhile, the representative element which packed with discrete particles into an characteristic dimensions will be established in order to give the thermodynamic response through evolutionary analysis. The equivalent physical quantities will be proposed by means of the apparent element method, and the quantitative correlation between the densifying rate and microstructural evolution can be obtained. Based on above works, focus on the two core problems of sintering, the driving force and diffusion mechanism, the rapid sintering mechanism will be disclosed from both microcosmic and macrocosmic. The achievement of study will give helpful to provide a complete theoretical basis and numerical method for studies of all kinds of quality migration mechanism under multi-physical fields coupling. It can be also applied in the similarity issue such as healing of micro flaws using PECH and reliability of integrated circuit.

脉冲电流快速烧结机理研究涉及众多学科，具有基础性与交叉性。项目以SiC陶瓷为研究对象，建立在大变温非平衡态下描述微结构演化与宏观烧结成型相结合、覆盖烧结全过程的热-力-电-扩散强耦合理论框架，发展一套在烧结不同阶段计及non-Fourier效应，放电效应，电流趋肤效应，以及电热效应等多因素影响的广义相场模拟方法。选取适当尺度颗粒堆积体为代表性单元，结合表观元法给出等效物理量表征，实现跨尺度分析的数据流通，实现在动态边界状态与多物理场强耦合的微结构演化与宏观（热）力学响应的关联，实现宏观致密化速率与微结构演化的定量关联，从而在微观和宏观两个层面，围绕烧结驱动力和物质扩散机制两大核心问题，揭示快速烧结的机理。项目研究成果为各类多物理场共同作用下质量迁移机制研究，从理论体系和模拟方法方面提供一个具有全局和全过程特点的路线，为脉冲电流下的微裂纹修补，集成电路可靠性等相似物理背景问题提供解决思路。

建立与完善热-力-电-扩散耦合演化和传播动力学的理论框架，发展一套以多物理场耦合与相场法相结合的非定常交互耦合问题的算法。对烧结中的成型机理、烧结驱动力的演化以及各物理场对烧结致密化的作用进行了研究。具体成果包括：在热压烧结模拟中，给出了浓度、温度和应变梯度驱动力在烧结中占比的变化趋势，发现在不同烧结阶段三种驱动力占比会发生明显转折，据此给出了烧结的三阶段假设与驱动力之间的联系；在电流辅助烧结模拟中，利用第一性原理与实验结合的方式，对电场强度对扩散激活能的影响机理展开了研究，给出了电流密度对烧结激活能的影响规律；随后将电流密度对烧结激活能的影响通过扩散系数引入耦合方程，实现了电流活化作用可实时影响扩散行为，以此模拟电流辅助烧结的快速致密化行为，实现从宏-细观跨尺度的研究，并形成与宏观实验的定量关系。此外，给出了一个完全改进的力-扩散全耦合压力辅助烧结的相场模型，来研究压力辅助烧结过程中颗粒之间的接触应力对微观结构演变的影响；寻求建立一个通用的预测模型，结合MSC和机器学习的优势，建立小样本烧结预测场景下的多源烧结迁移学习模型，在保证工程应用精度的前提下，快速估计目标材料在特定工艺条件下的致密化演化。. 在应用层面，对已建立的热-力-电-扩散耦合演化和传播动力学方程的应用领域拓展到陶瓷烧结收缩变形预测、微电子封装（Cu/Sn/Cu微焊点可靠性，金属互联中晶粒结构演化）以及复合材料制备（SiCf /Ti复合材料界面反应层生长）等领域并展开了详细研究。 . 在实验平台建设方面，自主设计完成热-力-电耦合实验平台建设。包含压力试验机，高频脉冲电源，真空箱及温控测试系统四个部分。设计指标达到最大试验力30kN，额定输出电流3000A，有效压缩空间750mm，真空度< 100Pa。可以完成在30kN载荷，2200°C下材料制备的电流辅助烧结实验。具有单周期内可设5段脉冲频率特点。. 项目培养博士生1名，硕士生6名。已发表文章（标注本项目号资助）共计15篇，已录用1篇。