关于颗粒状多孔氧化铟锡粉末在压实过程中因断裂而引起的致密化行为的数值研究

《Materials Today Communications》：Numerical investigation on the breakage induced densification behavior of granulated porous Indium tin oxide powder during compaction

基于离散元法研究脆性ITO粉末压制成型中的破碎与致密化机制，揭示两阶段 densification过程：低压阶段以颗粒重组为主，高压阶段因局部应力集中引发破碎，破碎小颗粒填充微孔主导后续致密化。发现平均配位数随密度增加而降低，与常规理论相悖，为陶瓷粉末成型工艺优化提供新机制。

　　本文探讨了用于生产透明导电薄膜的氧化铟锡（ITO）靶材在粉末冶金（PM）过程中的压实行为。研究重点在于分析ITO粉末在压实过程中由于颗粒破碎所引发的致密化机制，旨在揭示其微观演变路径，从而为优化其他陶瓷粉末的致密化过程提供理论依据。研究采用离散元法（DEM）进行模拟，以系统地探究不同压强条件下颗粒排列、应力分布以及颗粒破碎对最终致密化效果的影响。

在工业应用中，ITO因其优异的光电性能被广泛用作透明导电材料。随着太阳能电池等高性能透明导体的需求不断增长，研究者对高密度ITO靶材的制备技术表现出浓厚兴趣。粉末冶金方法因其在材料致密化、成形以及微观结构控制方面的独特优势而成为制备ITO靶材的主流工艺。该工艺包括多个相互关联的阶段，这些阶段共同决定了最终产品的致密化程度。其中，颗粒的初始排列、接触力网络以及孔隙分布等关键物理特性是在粉末合成和颗粒分级设计阶段建立的。这些上游工艺条件为后续致密化过程提供了良好的基础。

然而，压实（或称为成型）作为将“粉末材料”转化为“烧结体”的关键环节，其过程中的颗粒位移、重新排列以及破碎行为对最终产品的结构和性能具有重要影响。在这一过程中，颗粒之间的相互作用决定了致密化路径和微观结构演化。传统的实验方法在揭示压实过程中微观动态特征方面存在局限性，主要体现在难以准确获取和追踪颗粒接触、局部孔隙率以及力网络等关键数据。此外，对于颗粒破碎行为的实时捕捉也较为困难，这限制了对致密化机制的深入理解。

为了解决这些问题，研究者们提出了多种数值模拟方法，其中离散元法因其在模拟颗粒动态行为方面的优势而被广泛应用。该方法基于颗粒动力学理论，能够准确地再现颗粒在压实过程中的行为，包括宏观和微观层面的变化。通过DEM，可以实时跟踪颗粒的破碎、重新排列、应力分布以及接触力变化等关键信息，为研究压实过程中的微观机制提供了有力工具。

研究还指出，现有的DEM模型在模拟颗粒破碎行为方面存在一定的不足。一些模型虽然考虑了颗粒破碎，但其模拟方式较为简化，无法准确再现颗粒破碎的演化过程。例如，某些模型采用碎片替换法，当颗粒达到断裂条件时，直接将其替换为一组预定义的较小碎片，但这种替换过程是瞬时的，无法反映破碎的逐步发展。而另一些模型则采用基于水平集的DEM破碎方法，虽然能够模拟真实的破碎路径和碎片形状，但其计算成本较高，难以应用于大规模的粉末压实系统。

因此，本文在已有研究的基础上，提出了一种新的颗粒破碎模型，结合DEM方法，对ITO粉末在压实过程中的致密化行为进行了系统研究。通过分析不同压强条件下的颗粒行为，研究揭示了致密化过程中的两个阶段特征。第一阶段发生在较低的压强下，主要由颗粒的重新排列主导，此阶段中宏观孔隙迅速填充。第二阶段则发生在较高的压强下，颗粒破碎成为致密化的主要机制，此阶段中局部应力集中引发断裂，破碎后的微小颗粒填充剩余的微孔，成为进一步致密化的驱动力。

研究还发现了一个有趣的现象，即随着压实过程中颗粒排列密度的增加，颗粒的平均配位数反而降低。这一现象与传统的压实理论相悖，表明颗粒破碎对微观结构演化具有独特的贡献。通过分析颗粒的重新排列和破碎行为，研究不仅揭示了颗粒致密化过程的完整微观动力学路径，还为理解和优化其他陶瓷粉末的致密化过程提供了关键的微观机制洞察。

此外，本文通过DEM模拟方法，对颗粒在压实过程中的动态行为进行了系统研究。研究结果表明，颗粒的破碎行为在高应力条件下对致密化过程具有显著影响，不仅改变了颗粒的排列方式，还影响了整体的致密化程度。通过这些研究，可以更好地理解压实过程中颗粒的相互作用机制，为优化制造工艺提供理论支持。

综上所述，本文的研究成果不仅揭示了ITO粉末在压实过程中的两个阶段致密化行为，还为其他陶瓷粉末的致密化过程提供了重要的理论依据。通过结合DEM方法和颗粒破碎模型，研究者能够更全面地理解压实过程中颗粒的动态行为，从而为提高材料性能和优化制造工艺提供新的思路。这些研究成果对于推动透明导电材料的进一步发展具有重要意义。