郑州大学复合材料学课件第六章1.ppt

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1、第6章陶瓷材料的烧结6.1概述6.1.1烧结的定义烧结现象示意图a-颗粒聚集b-开口堆积体中颗粒中心逼近c-封闭堆积体中颗粒中心逼近7/22/2021国家精品课程——陶瓷工艺原理7/22/2021国家精品课程——陶瓷工艺原理根据烧结粉末体所出现的宏观变化可以认为，一种或多种固体(金属、氧化物、氮化物、粘土……)粉末经过成型，在加热到一定温度后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体，这种过程称为烧结（sintering）。国际上某些学者为了揭示烧结的本质，认为：由于固态中分子(或原子)的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致

2、密化和再结晶的过程称为烧结。7/22/2021国家精品课程——陶瓷工艺原理6.1.2与烧结有关的一些概念烧结与烧成烧成包括多种物理和化学变化。例如脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等。而烧结仅仅指粉料经加热而致密化的简单物理过程。显然烧成的含义及包括的范围更宽，一般都发生在多相系统内。烧结仅仅是烧成过程的一个重要部分。烧结和熔融烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的。烧结和熔融这两个过程都是由原子热振动引起的，但熔融时全部组元都转变为液相，而烧结时至少有一组元是处于固态。7/22/2021国家精品课程——陶瓷工艺原理烧结与固相反应这两个过程均在低于材料熔点

3、或熔融温度之下进行，并且自始至终都至少有一相是固态。不同之处是固相反应必须至少有两组元参加如A和B，并发生化学反应，最后生成化合物AB。AB的结构与性能不同于A与B。而烧结可以只有单组元，或者两组元参加，但两组元并不发生化学反应，仅仅是在表面能驱动下，由粉体变成致密体。烧结体除可见的收缩外，微观晶相组成并未变化，仅仅是晶相显微组织上排列致密和结晶程度更完善。实际生产中往往不可能是纯物质的烧结。例如纯氧化铝烧结时，除了为促使烧结而人为地加入一些添加剂外，往往“纯”原料氧化铝中还或多或少含有杂质。少量添加剂与杂质的存在，就出现了烧结的第二组元、甚至第三组元。因此固态物质烧结时

4、，就会同时伴随发生固相反应或局部熔融出现液相。实际生产中，烧结、固相反应往往同时穿插进行。7/22/2021国家精品课程——陶瓷工艺原理粉料在粉碎与研磨过程中消耗的机械能以表面能形式贮存在粉体中，而且粉碎还能引起晶格缺陷。由于表面积大而使粉体具有较高的活性，粉末体与烧结体相比是处在能量不稳定状态。近代烧结理论认为：粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，这就是烧结的推动力。粉体经烧结后、晶界能取代了表面能，这是多晶材料稳定存在的原因。烧结推动力与相变和化学反应的能量相比还是极小的。烧结不能自发进行，必须对粉体加以高温，才能促使粉末体转变为烧结体。6.1.3烧结过程推动力(

5、Drivingforce)7/22/2021国家精品课程——陶瓷工艺原理关于烧结现象及其机理的研究还是从1922年才开始的。当时是以复杂的粉末团块为研究对象。直至1949年，库津斯基(G.c.Kuczynski)提出孤立的两个颗粒或颗粒与平板的烧结模型，为研究烧结机理开拓了新的方法。G.c.Kuczynski提出粉末压块是由等径球体颗粒组成的。随着烧结的进行，各接触点处开始形成颈部，并逐渐扩大，最后烧结成一个整体。由于各颈部所处的环境和几何条件相同，所以只需确定二个颗粒形成的颈部的成长速率就基本代表了整个烧结初期的动力学关系。6.1.4烧结模型7/22/2021国家精品课

6、程——陶瓷工艺原理ρ-颈部曲率半径；v-颈部体积；A-颈部表面积；r-颗粒半径；x-接触颈部半径烧结模型上述三个模型对烧结初期一般是适用的，但随烧结的进行，球形颗粒逐渐变形，因此在烧结中、后期应采用其它模型。7/22/2021国家精品课程——陶瓷工艺原理6.2固相烧结(SolidStateSintering)单一粉末体的烧结常常属于典型的固态烧结。固态烧结的主要传质方式有：蒸发－凝聚、扩散传质和塑性流变。蒸发—凝聚传质6.2.1蒸发—凝聚传质特点：是烧结时颈部区域扩大，球的形状改变为椭圆，气孔形状改变，但球与球之间的中心距不变，也就是在这种传质过程中坯体不发生收缩。气孔形

7、状的变化对坯体一些宏观性质有可观的影响，但不影响坯体密度。气相传质过程要求把物质加热到可以产生足够蒸气压的温度。7/22/2021国家精品课程——陶瓷工艺原理6.2.2扩散传质扩散传质是指质点借助于空位浓度梯度推动而迁移的一种传质机理。经过计算，在颈部表面、正常区域和粒界中心三者的空位浓度大小依次为：c’>c0>c”因此，颈部起着提供空位的空位源的作用，而迁移出去的空位最终将在粒界、颗粒表面、位错等处消失。实际上，由扩散传质机理进行的烧结过程的推动力也是表面张力。7/22/2021国家精品课程——陶瓷工艺原理固相烧结时的传质途