热动力学软件应用实例 - Al2O3 烧结行为的模拟

在烧结工艺中存在着如下两个临界阶段:

  1. 聚合物粘结剂的烧出
  2. 材料本身的烧结

在粘结剂烧出过程中必须对升温速率作严格控制,以使失重保持在接近恒定的速率,以防止微小的裂纹的产生。

烧结终产物的性质在很大程度上决定于温度程序。通常收缩速率越慢,烧结产物密度越大。温度程序设置得当,则能够达到恒速收缩的效果。

为达到恒速收缩的效果,需要确定相应的温度程序,其通常步骤如下:

  1. 进行三个以上不同升温速率(按对数比率)的烧结实验
  2. 将测量数据导入动力学软件中,进行动力学分析
  3. 根据动力学结果,对特定的收缩速率推算相应的温度程序

相比于直接的实验测定,动力学方法的优势在于仅仅基于三次测量,我们便能够对任意给定值的收缩速率进行相应温度程序的推算。方便,快捷,大大减少了烧结工艺优化的实验成本。

实验部分

分析部分

模型拟合结果

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对 Al2O3 烧结过程的热膨胀测量,及通过多步反应机理对其进行的拟合

随着升温速率的提高,产物的总收缩率也相应增加,这一现象似乎有点反常。使用平行反应机理,则能够对这类总收缩率依赖于升温速率的现象作出很好的解释。

对速率控制烧结过程的模拟

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使用动力学分析推算合适的温度程序,以达到恒定收缩速率 0.1%/min 的烧结效果。

将推算得到的温度程序进行实验验证,发现实验数据与理论预测相差很小,处于测量正常误差范围之内。(J. R. Opfermann, J. Blumm, W.-D. Emmerich: Thermochimica Acta 318 (1998) 213- 220)

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理论推算与实测数据的比较,证明了动力学预测有着很高的可信度。

使用动力学方法进行烧结模拟的最大优势在于,仅仅通过有限的几次实验测量,加上动力学分析,便能够对各种实际情况作出很好的理论预测,节省了时间与研究成本,加快了工艺研发的进度。