孔隙边界镶嵌技术在定量表征粘结剂喷射3D打印及烧结金属微观结构孔隙演变中的应用：以Ni-Mn-Ga为例的案例研究及文献验证

《Micron》：Applicability of Pore Boundary Tessellation for Quantitative Characterization of Pore Evolution of Binder Jet 3D Printed and Sintered Metal Microstructures: A Ni-Mn-Ga Case Study and Literature Validation

烧结金属孔隙演变与PBT技术分析，研究通过1070-1090°C不同烧结温度及0.5h时效，揭示孔隙网络断裂、收缩与选择性消除规律，验证PBT在孔隙分布定量分析中较传统stereology误差更小（±30%）的优势。

　　在材料科学领域，尤其是涉及烧结微结构的研究中，孔隙的尺寸及其空间分布对于制造用于过滤、轻量化以及功能应用的多孔结构具有重要意义。传统上，研究人员依赖于光学显微镜图像进行立体学分析，以计算平均孔隙尺寸和孔隙之间的间距。然而，这种方法在处理复杂形状的孔隙结构时可能会引入较大的系统误差。因此，本文提出了一种新的分析方法——孔隙边界镶嵌（Pore Boundary Tessellation, PBT），用于提升显微图像分析的准确性，特别是在量化局部空间均匀性和最小二维孔隙间距方面展现出优势。

PBT方法通过分析镶嵌单元的孔隙面积比例，揭示了烧结参数对孔隙结构演变的影响。具体而言，在1070 °C的烧结温度下，孔隙网络在没有明显孔隙缩小的情况下发生断裂，表明此时孔隙的结构变化主要体现在其连通性的破坏。而在1080 °C的烧结温度下，孔隙出现了显著的缩小，但并未出现系统性的消除。这说明在此温度下，孔隙的缩小是一个渐进的过程，而不是完全的消失。当温度进一步升至1090 °C时，观察到孔隙面积的显著减少，特别是在烧结初期的0.5小时，较小的孔隙部分被优先消除，而较大的孔隙则保留下来。这一现象表明，随着烧结温度的升高，孔隙的尺寸分布发生了变化，且孔隙的消除行为呈现出选择性特征。

此外，本文还探讨了固相中相邻孔隙部分之间的距离，即所谓的“有效晶界厚度”。通过PBT方法计算得到的这一距离与传统立体学方法测得的晶粒尺寸值在中间放大倍数下显示出相似性，误差范围在±30%以内。这表明PBT方法不仅能够有效描述孔隙结构的变化，还能为烧结过程中晶粒尺寸的估算提供可靠的依据。更进一步，该方法在多孔金属材料的烧结分析中展现出广泛的应用潜力，尤其是在涉及晶界孔隙的材料系统中，如烧结后的SS316L不锈钢微结构图像分析中已经得到了验证。

为了更好地理解烧结过程中的孔隙演变，本文选择了一种典型的多孔金属材料——Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金作为研究对象。该材料因其独特的磁致应变效应（Magnetic Field Induced Strain, MFIS）而受到关注，其在多孔结构中的表现尤为突出。研究表明，在具有62%孔隙率的多孔Ni-Mn-Ga样品中，MFIS值可以达到2-8.7%，而在致密的多晶样品中，MFIS则几乎可以忽略不计（<0.01%）。这种差异主要归因于晶界对孪晶边界移动的限制作用，而孔隙的存在则有助于缓解晶界应力，将材料分割为更小的固相亚结构，每个亚结构中只包含一组活跃的孪晶。因此，孔隙的演变不仅影响材料的致密化程度，还可能对磁性性能产生深远影响。

本文的研究目标是通过PBT方法对Binder Jet Printing（BJP）技术制备的多孔金属结构进行光学显微镜下的孔隙演变分析，并进一步验证PBT方法在多孔金属材料烧结分析中的适用性。BJP是一种快速成型技术，其原理是通过逐层铺设粉末并使用粘结剂进行绑定，最终通过烧结实现材料的致密化。该技术在制造多孔金属结构方面具有显著优势，但同时也伴随着一些挑战，如层间堆积的不均匀性可能导致材料密度分布的不一致，而粘结剂的沉积过程可能引发粉末颗粒的弹出，从而影响最终结构的完整性。此外，由于层间区域通常比单层区域更加多孔，BJP材料在烧结过程中往往表现出各向异性收缩的现象。

在研究过程中，本文首先对BJP制备的Ni-Mn-Ga样品进行了烧结处理，并在不同的烧结温度下（1070 °C、1080 °C和1090 °C）分析了孔隙的演变行为。通过光学显微镜图像分析和PBT方法，研究人员能够更精确地追踪孔隙的尺寸变化及其空间分布的动态过程。这种方法不仅能够识别出孔隙在烧结过程中的断裂、缩小或消除行为，还能为不同烧结温度下的材料性能变化提供直观的依据。

从图像分析的角度来看，孔隙的演变行为可以通过分析孔隙区域的比例变化来量化。在烧结初期，孔隙的面积比例较高，随着烧结温度的升高，孔隙面积逐渐减少，而孔隙之间的间距则可能增加。这种变化反映了烧结过程中材料致密化的趋势，同时也揭示了孔隙结构的复杂性。例如，在1070 °C的烧结条件下，孔隙的断裂发生在没有明显缩小的情况下，这可能与高温下材料的流动性增强有关，使得原本连通的孔隙结构被破坏。而在1080 °C的烧结条件下，孔隙的缩小更为明显，但并未完全消失，这表明该温度下烧结过程主要表现为孔隙的逐渐闭合，而不是彻底的消除。当温度进一步升高至1090 °C时，孔隙的缩小过程更加剧烈，较小的孔隙部分被优先消除，而较大的孔隙则保留下来，这可能与材料内部的应力分布和晶界行为有关。

PBT方法的应用不仅限于孔隙尺寸的分析，还能够提供关于孔隙空间分布的详细信息。通过计算相邻孔隙部分之间的最小间距，研究人员可以更准确地评估材料的孔隙结构是否均匀，以及是否存在局部的孔隙聚集或分散现象。这种信息对于理解材料在烧结过程中的微观演变至关重要，因为它直接关系到材料的宏观性能，如强度、导热性、磁性等。此外，PBT方法还可以用于评估烧结过程中孔隙结构的变化趋势，从而为优化烧结参数提供理论支持。

在传统立体学方法的基础上，PBT方法通过引入镶嵌单元的概念，使得孔隙结构的分析更加系统和全面。例如，Voronoi模型和改进的Voronoi模型被广泛用于预测烧结过程中颗粒之间的表面积变化，而这些模型的假设条件之一是颗粒或晶粒在初始阶段的均匀分布。然而，实际烧结过程中，由于颗粒的不规则形状和分布不均，传统的立体学方法可能无法准确反映孔隙结构的演变。相比之下，PBT方法能够更灵活地处理这些复杂情况，因为它不仅考虑了孔隙的尺寸变化，还关注了孔隙之间的空间关系。这种综合性的分析方式有助于揭示烧结过程中孔隙结构的动态变化，从而为材料设计和工艺优化提供更加可靠的依据。

除了对孔隙结构的分析，本文还探讨了PBT方法在其他多孔材料中的适用性。例如，在研究烧结后的ZrO₂-3 mol% Y₂O₃（YSZ）多孔复合材料时，PBT方法被证明能够有效识别出细小孔隙的优先消除现象，并且这种现象与孔隙间距的增加密切相关。这表明，PBT方法不仅适用于Ni-Mn-Ga材料，还可以推广到其他具有类似烧结行为的多孔金属材料。此外，PBT方法在预测烧结机制方面也表现出一定的优势，例如在烧结过程中，通过分析孔隙区域的变化，可以更准确地判断材料是否处于致密化阶段或仍处于孔隙演化阶段。

本文的研究结果表明，PBT方法在烧结微结构分析中具有重要的应用价值。首先，它能够提供比传统立体学方法更精确的孔隙结构信息，特别是在处理具有复杂形状和分布的孔隙时。其次，PBT方法可以用于自动化的孔隙演变分析，从而提高研究效率并减少人为误差。此外，PBT方法还可以与传统立体学方法相结合，为多孔金属材料的烧结过程提供更加全面的描述。例如，在优化烧结参数时，研究人员可以通过PBT方法评估不同温度下的孔隙演变行为，并据此调整烧结工艺，以达到所需的孔隙率和材料性能。

总的来说，本文通过引入PBT方法，为Binder Jet Printing技术制备的多孔金属材料提供了新的分析视角。这种方法不仅能够有效描述孔隙的尺寸变化和空间分布，还能揭示烧结过程中孔隙结构的动态演变，从而为材料科学领域的研究提供有力支持。同时，本文的研究结果也为其他多孔材料的烧结分析提供了借鉴，表明PBT方法在多孔金属材料研究中具有广泛的应用前景。通过结合图像分析和PBT方法，研究人员可以更深入地理解烧结过程对材料性能的影响，进而推动新型多孔材料的开发和应用。