先进陶瓷材料第三讲结构陶瓷材料(ii)-结构陶瓷材料的制备科学

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1、先进陶瓷材料中国海洋大学材料科学与工程研究院第二讲结构陶瓷材料（II）结构陶瓷材料的制备科学（三）陶瓷材料的烧结陶瓷材料的烧结陶瓷材料的制备过程原料制备配料制备坯体成型烧结后处理陶瓷材料的烧结本讲内容陶瓷材料的烧结理论添加剂的作用及影响陶瓷材料的烧结方法陶瓷材料的烧结陶瓷材料的烧结理论烧结现象烧结概念：通过高温处理，使坯体发生一系列的物理化学变化，形成预期的矿物组成和显微结构，从而达到固定外形并获得所要求性能的工序。随着温度的升高及时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙和晶界渐趋减少，通过物质

2、的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体，这种现象成为烧结通过高温处理，使坯体致密化的过程——烧结陶瓷材料的烧结烧结现象分析45～55%>90%烧结前期烧结后期陶瓷材料的烧结几个问题（1）合理烧结时间控制防止晶粒异常长大根据材料性能要求，合理利用（2）估计材料烧结温度（纯物质）金属粉末T=0.3~0.4Tm无机盐类T=0.57Tm硅酸盐类T=0.8～0.9Tm熔点（3）烧结程度的判断收缩率气孔率相对密度（4）烧结分类烧结机理：固相烧结、液相烧结烧结方法：常压烧结、加

3、压烧结、真空烧结、气氛烧结。陶瓷材料的烧结粗略判断：吸蓝法陶瓷材料的烧结烧结驱动力从动力学的角度，烧结的驱动力——粉体颗粒的表面能降低烧结过程：103J/mol引入能量化学反应：105J/mol自发烧结过程中的物质传递（烧结机理）（1）蒸发——凝聚（2）扩散（3）粘滞流动与塑性流动（4）溶解——沉淀陶瓷材料的烧结蒸发——凝聚（固相烧结机制之一）体系的蒸汽压为P0由物理化学理论弯曲表面将产生附加压力rρP0+P1P0+P2P1>0(凸曲面)P2<0（凹曲面）P0+P1>P0+P2物质将由凸表面蒸发，向

4、凹表面处扩散（气相），然后在凹表面上凝聚高温下挥发性大的物质烧结通常服从蒸发——凝聚机制陶瓷材料的烧结扩散（固相烧结机制之二）高温下挥发性小的陶瓷粉体，烧结通过扩散来实现实际缺陷扩散——填隙离子扩散、空位扩散以空位扩散来描述烧结过程的扩散机制空位源：颈部（自由能低）晶粒内部刃位错颗粒表面空位阱：使空位消失的地方晶界、表面、刃位错陶瓷材料的烧结四种扩散烧结模型——R.L.Coble模型（1）空位源：颈部表面扩散途径：体扩散表面扩散空位阱：晶界扩散结果：物质向颈部迁移颈部生长颗粒靠近坯体收缩体扩散晶界扩

5、散陶瓷材料的烧结（2）空位源：晶体内刃位错扩散途径：体扩散空位阱：晶界扩散结果：物质向内部迁移坯体收缩刃位错体扩散陶瓷材料的烧结（3）空位源：颈部表面扩散途径：体扩散表面扩散空位阱：颗粒表面扩散结果：颈部生长颗粒直径减小不产生收缩表面扩散体扩散陶瓷材料的烧结（4）空位源：颈部扩散途径：体扩散空位阱：内部刃位错扩散结果：不产生收缩刃位错体扩散陶瓷材料的烧结粘滞流动和塑性流动（液相烧结机制之一）（1）粘滞流动（形成较多的液相）形成液相——流动传质（牛顿性流体）高温下晶体颗粒——流动性（弗仑克尔）粘滞流动

6、两个阶段第一节段：高温下，物质形成粘性流体，相邻颗粒中心逼近，增加接触面积，颗粒间粘结，形成封闭气孔；第二节段：封闭气孔的粘性压紧（即小气孔在液相压力下缩小或消失）决定烧结致密化速率有三个参数颗粒起始粒径、粘度、表面张力陶瓷材料的烧结（2）塑性流动液相量少——塑性流动传质溶解——沉淀机制固相分散与液相中，通过液相的毛细管作用在颈部重新排列，形成更紧密的堆积。细小颗粒（溶解）→液相液相→粗颗粒表面（沉淀）该机制的发生条件：足量的液相、液相能润湿固相、固相在液相中有适当的溶解度陶瓷材料的烧结添加剂的作用

7、及影响添加剂对陶瓷材料显微结构的影响陶瓷的显微结构显微镜下观察到的组织结构相分布晶粒大小、形状与取向气孔的大小、形状与分布晶界的特征陶瓷材料的烧结晶粒生长添加剂引入，有利于主晶粒的充分生长陶瓷材料的烧结第二相晶粒钉扎作用力学性能：阻止裂纹扩展烧结过程：阻止晶界移动有利于晶粒细化有利于气孔排除晶粒的快速生长和致密化足够的液相量——增加快速扩散通道陶瓷材料的烧结添加剂对晶界的影响“晶界工程”——通过改变晶界结构改善陶瓷材料的性能提高玻璃相的粘度——高温力学性能陶瓷材料的烧结晶界晶化——高温力学性能及热性

8、能Sc2Si2O7Kleebe(1999)LaNdGdYbChong-MinWang(1996)陶瓷材料的烧结晶界相与晶粒作用，使晶界相消失氮化硅陶瓷的Al2O3-Y2O3体系添加剂烧结前期Al2O3-Y2O3-SiO2液相——促进烧结烧结后期Al与O取代Si和N进入晶格——塞隆陶瓷（sialon)陶瓷材料的烧结添加剂促进陶瓷致密化的作用改变点缺陷浓度，提高扩散系数提高表面/界面能比之，直接提高致密化推动力晶界形成第二相，提供原子快速扩散通道第二相在晶界的钉扎作用，阻