快速脉冲电流烧结技术(Pulse Electric Current Sintering,PECS)已广泛用于特种陶瓷、纳米材料、功能梯度材料、超细晶粒材料以及异质复合材料的制备。烧结过程中强脉冲电流直接通过上下压头和石墨模具在粉末试样上形成高温升率(高达2000K/min),高温度梯度,从而实现快速烧结并致密化。与传统无压和热压烧结相比,具有升温速度快,烧结温度低,烧结时间短,产品晶粒细小、均匀、致密度高等优点。尽管粉末颗粒的快速烧结在现代工程中占举足轻重的地位,但是,时至今日,其烧结机理的探索远未取得与丰硕的应用成果相适应的研究进展。由于非导电粉体中并不存在电流贯穿,其颈部形成和长大的驱动力机制研究便成为需要着重推进的一个热点课题。压缩后的粉末烧结体具有显著细结构或非均匀内结构的特性,在高温升率与高温度梯度下的短时程传热中表现出显著的非Fourier特征。表征非Fourier特征的关键材料参数——热流对温度梯度的滞后时间,目前已得到实验的证实和测试。在非导电粉体烧结机理的探索中,引入包含了考虑非Fourier热传导和非Fick效应的热-力-扩散耦合传播原理的广义热弹性理论框架的必要性和可行性均已成熟。本文以非导电Al2O3粉体为研究对象,以高温升率和高温度梯度作用下计及非Fourier热传导和非Fick效应的热-力-扩散耦合传播问题的分析和讨论为基础,研究脉冲电流烧结初期的烧结驱动力问题。本文的主要工作及研究成果是提出并实施在包含了考虑非Fourier热传导和非Fick效应的热-力-扩散耦合传播原理的广义热弹性理论框架下探索非导电粉体的烧结机理:(1)在考虑非Fourier热传导定律的热力耦合广义热弹性理论框架下,对等径两颗粒烧结模型给出烧结初期热力耦合波传播的数值解,得出在颗粒接触部位产生局部高温,并促进烧结颈部长大的解释。延迟时间决定了热力耦合波传播的存在和接触部位产生局部高温的存在,但对初期烧结温度最大值影响不大。(2)提出颗粒颈部自由表面曲率驱动力在脉冲电流烧结下应计及热-力耦合作用的影响。对等径两颗粒模型,引入L-S(Lord和Shulman)广义热弹性理论,推导脉冲电流烧结初期考虑热应力的空位浓度差表达式,并进一步得到激活能与空位浓度差的关系。对表面扩散、体积扩散、表面和体积耦合扩散机制下的脉冲电流烧结与传统无压和热压烧结浓度差计算对比表明:在烧结初始阶段,考虑了瞬态热应力的影响后,脉冲电流烧结的空位浓度差相比传统热压和无压烧结有3-5倍的提高,使得烧结颈部一直处于高浓度差状态,提高烧结驱动力。空位浓度差和激活能的关系表明,随着烧结过程的进行,烧结颈长大,颈部空位浓度差减小,激活能随着空位浓度差的降低而减小,当空位浓度差减小到某一值时,并在一个很窄的范围内时,激活能迅速减小,但是仍高于传统热压和无压烧结。(3)在前述理论框架下,以含单延迟时间的广义热弹性理论为基础,采用直接有限元方法在空间和时间上离散,开发一套基于GID前后处理的有限元计算程序。与温度传播速度理论值对比,验证了程序的正确性。(4)研究温度梯度对热扩散通量的影响。热扩散作为传统烧结理论中自由表面曲率驱动的一个补充驱动力,对烧结颈部的物质迁移产生较大影响。在脉冲电流烧结情况下,高温度梯度对热扩散的影响尤为显著,远远大于自由表面曲率驱动空位扩散通量。论文以非等径颗粒系统为例,说明了温度梯度引起的热扩散在提供烧结初期颈部物质迁移的驱动力中占主要地位。热扩散通量随着颈部的长大而减小,随着颗粒半径比的增加而减小,说明颗粒越小时烧结越迅速,这与烧结实验结论一致。(5)在热-力-扩散耦合作用下,探究浓度扩散通量对烧结驱动力的影响。在包含了考虑非Fourier热传导和非Fick效应的热-力-扩散耦合传播原理的广义热弹性理论框架下,浓度梯度引起的扩散通量与热扩散通量一起作为脉冲电流烧结初期的额外驱动力。计算结果表明对等径两颗粒系统不论是体积扩散还是耦合扩散,由颈部非均匀温度形成高温度梯度驱动的热扩散通量以及局部浓度梯度驱动的浓度扩散通量对烧结驱动力的影响占主要地位,尤其是在烧结初始阶段后期,能够显著的提高烧结驱动力。