无机材料工艺原理07烧成

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1、无机材料工艺原理烧成本章讲授的主要内容基本概念烧成原理烧成制度烧成技术与设备现代烧成技术基本概念烧成：无机非金属材料坯体在高温中通过热化学反应，形成预期的矿物组成和显微结构，从而获得所要求性能的产品的工序。基本概念烧成是一个复杂的过程，它包括燃料的燃烧，物料或坯体的加热及其在加热过程中发生的一系列物理化学反应，直至制品冷却。整个过程存在着复杂的热量传递、质量传递的过程，它们互相影响、相互制约。基本概念热量传递：燃烧过程：燃料→窑体和制品，窑体→制品；制品传热：表→里冷却过程：制品→窑体和气体；环境空间：窑体→散失给周围的气体和物体。基

2、本概念质量传递：自扩散和相互扩散分解、氧化和还原生成新相，或低共熔物，或液相而填入各种孔隙。条件：主要决定于温度和物质的浓度。基本概念动量传递：窑内气体处于流动状态。燃料和助燃空气不断进入窑内，燃烧产物（火焰、烟气）不断地被排除；热气流通过制品表面，直接影响到制品热量的传递；而在冷却时又希望隔离热源，避免热气体的流入，往往用外加冷气流的办法，一可阻挡热气流，二可加快制品的冷却，使热气流上下搅动也可使窑内上下温度均匀。动量传递可直接影响热量的传递和质量的传递。基本概念只有很好地组织好这三种传递过程，才能圆满地完成烧成过程。基本概念最明显

3、的现象：外型尺寸收缩；密度增加；硬度和机械强度显著提高；对水和酸的稳定性大大增强；电气性能及其它性能的改善。基本概念烧成的方式：一次烧成：要求坯釉的成熟温度一致，施釉要求较严格，但省能。二次烧成：坯、釉分做二次烧成的烧成方式。当生坯的烧成温度较高，或生坯强度较差，釉的成熟温度比坯的低很多时，为保证产品质量和便于施釉操作的机械化，常采用此种方式。烧成原理-推动力粉末颗粒增大，表面能减少。缺陷减少，存在各种晶格缺陷。－－烧成是系统总能量减少的过程，这就是烧成过程的动力。烧成过程实质上是烧成制品是由介稳态向稳定态转变的过程。由于本身所具有的

4、能量难以克服能垒，故烧成一般不能自动进行，须升到一定的温度才可。烧成原理-原动力烧结颈部与粉末颗粒其它部位之间存在化学位差。表面张力造成的一种机械力，它垂直作用于烧结曲面上，使烧结颈向外扩大，最终形成孔隙网。过剩空位浓度梯度引起烧结颈表面下微小区载内的空位向粉末颗粒内扩散，从而造成原子在相反的方向上的迁移，使颈部得以长大。烧结颈表面与颗粒表面之间存在的蒸气压之差，将导致结颈迁移。烧成原理-物质迁移烧成过程中的传质机理很复杂，可分为：①粘塑性流动过程；②扩散过程，有体积、表面和界面扩散；③蒸发－凝结过程；④溶解－沉析过程；从物相传质角度

5、看，坯体烧结有固相烧结和液相烧结。固相烧结，出现②、③过程；固－液烧结，出列①、④过程；复杂烧结中，上述四种情况并存。烧成原理-物质迁移表面迁移：物质在颗粒表面流动而引起的迁移，表面扩散与蒸发－凝结，此时烧结体的基本尺寸、密度不变。体积迁移：体积扩散、塑性流动以及非晶物质的粘性流动，通常发生在烧结的后期。两球烧结模型的物质迁移类型烧成原理－基本过程初期：表面扩散作用明显，颗粒间的原始接触点或面转变成晶粒结合，形成烧成颈，其长大速度与物质迁移机制有关。此阶段中由于粉末颗粒结合面增大，烧结体的强度和导电性有明显增加，但对颗粒内晶粒尚末发生

6、变化，颗粒外形也基本上没有改变。坯体气孔率大，收缩约在1%左右。烧成原理－基本过程中期：以晶界和晶格扩散为主，颗粒开始粘结，烧结颈扩大，颗粒间距缩小，孔隙结构变得光滑，形成连续的孔隙网络。气孔由不规则形状逐渐变成有三个颗粒包围的圆柱形管道，气孔相互连通，晶界开始移动，晶粒正常生长，坯体气孔率降低为5%，收缩达80%～90%。此阶段开始发生再结晶及晶粒长大。烧成原理－基本过程后期，最终烧结阶段：借助于体积扩散，气孔已孤立、球化及收缩。由于晶粒的长大，孔隙与晶界脱离而成为孤立孔隙。空位扩散到晶界处，孔隙才继续收缩。坯体收缩达90%～100

7、%。烧成原理－影响烧结因素<1>原始粉料的粒度从理论上计算，当起始粒度从2μm缩小到0.5μm，烧结速率增加64倍。这相当于粒径小的粉料烧结温度降低150～300℃。烧成原理－影响烧结因素MgO起始粒度为＞20μm时，即使在1400℃保持很长时间，仅能达相对密度70%；若粒径在＜20μm，温度为1400℃或粒径在1μm以下，温度为1000℃时，烧结速率很快；如果粒径在＜0.1μm，其烧结速率与热压烧结相差无几。烧成原理－影响烧结因素为防止二次再结晶，起始粒径必须细而均匀，如果细颗粒内有少量大颗粒存在，则易发生晶粒异常生长而不利烧结。一

8、般氧化物材料最适宜的粉末粒度为0.05～0.5μm。烧成原理－影响烧结因素原始粉末的粒度不同，烧结机理有时也会发生变化。例如AlN烧结，据报道当粒度为0.78～4.4μm时，粗颗粒按体积扩散机理进行烧结，而细颗粒则按晶界