09陶瓷烧结工艺

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1、第22章陶瓷烧结工艺烧结温度Ts和熔融温度Tm之间的关系有一定的规律：ò金属粉末Ts=(0.3~0.4)Tm，ò盐类Ts=0.57Tm，ò硅酸盐(0.6~0.8)Tm。§22.1固相烧结22.1.1烧结驱动力ò烧结致密化的驱动力是固气界面消除所造成的表面积减少和表面自由能降低，以及新的能量更低的固-固界面的形成所导致的烧结过程中自由能发生的变化。ò细小的陶瓷颗粒，不仅有利于可塑性成型的制造过程，它所产生的表面能在烧成时也成为有利于致密化的推动力。22.1.2烧结模型ò1949年库钦斯基(Kukansky)提出等径球体作为粉末压块的模型，随

2、烧结的进行，球体的接触点开始形成颈部并逐渐扩大，最后烧结成一个整体。ò由于颈部所处环境和几何条件基本相同，因此只需确定两个颗粒形成颈的生长速率就基本代表了整个烧结初期的动力学关系。22.1.3传质机理一、蒸发—凝聚ò在高温过程中，由于颗粒表面曲率的不同，必然在系统的不同部位有不同的蒸气压，在蒸气压差的作用下，存在一种传质趋势。图22-1蒸发—凝聚烧结的起始阶段ò可以观察到，烧结初期的烧结速率随t的1/3次方而变化，随烧结的进行，颈部生长很快就停止了。可以认为这种传质过程用延长烧结时间不能达到促进烧结的效果。ò除了时间因素．在蒸发-凝聚过程

3、中，起始颗粒尺寸及蒸气压也是影响接触颈部生长速率的重要因素。起始颗粒尺寸越小，烧结速率越大。提高温度有利于提高蒸气压，因而对烧结有利。-4-5ò对微米级的颗粒尺寸，气相传质要求蒸气压的数量级为10~10大气压，这高于氧-46化物或类似材料在烧结时的蒸气压，如Al2O3在1200℃时的蒸气压只有10大气压，因而这种传质方式在一般陶瓷材料的烧结中并不多见。二、扩散过程ò对大多数高温蒸气压低的固体材料，物质的传递可能更容易通过固态过程产生；颈部区域和颗粒表面之间的自由能或化学势之差，提供了固态传质可以利用的驱动力。除了气相传质外，物质还可以通过

4、表面扩散、晶格扩散和晶界扩散从颗粒表面、颗粒内部或晶界向颈部传输。22-1图22-3烧结初期物质可能的传输路径，1从表面到颈部的表面扩散，2从表面到颈部的晶格分散，3从表面到颈部的气相传质，4从晶界到颈部的晶界扩散，5从晶界到颈部的晶格扩散，6从位错到颈部的晶格扩散ò随着扩散，颗粒中心也互相靠近。ò颗粒间结合面积的生长随时间的l/5次方而增大(这与许多金属和陶瓷烧结所观察到的结果一致)，坯体所产生的致密化收缩正比于时间的2/5次方。ò单纯采用延长烧结时间来改善材料性质是不现实的，时间并非致密化过程最主要和关键性的变量。ò烧结速率和颗粒尺寸

5、大致成反比关系。对大颗粒来说，延长烧结时间无助于彻底致密化，而当颗粒尺寸减小则有利于提高烧结速率。ò陶瓷由固态反应所产生的烧结过程，与材料初始颗粒度、颗粒分布、烧结温度、成分，以及烧结气氛有密切关系。ò在烧结的早期阶段，最重要的扩散机制是表面扩散，这种扩散影响颗粒间的颈部直径，但并不影响气孔率和坯体的收缩；随后，晶界扩散和体积扩散成为主要的主要机制。§22.2液相烧结ò凡有液相参加的烧结称为液相烧结。纯粹的固相烧结在实际上是不容易实现的，在工业生产上为了促进烧结，在液相条件下进行烧结的例子很多，例如粘结碳化物、少量液相存在的MgO等等。ò

6、除了表面能的降低仍然是液相烧结致密化的推动力外，来自细小团体颗粒之间液相的毛细管压力也具有驱动力的作用。由于流动传质比扩散传质速度要快的多，因而烧结速率高，可在较低的温度下获得致密烧结体。ò液相烧结一般需要具备以下几个条件：①液相对固体颗粒的润湿；②固相在液相中有相当的溶解度；③液相具有合适的粘度；④具有相当数量的液相。22.2.1流动传质—玻璃化粘性流动过程ò弗仑克尔(Flank)提出了粘性流动的烧结模型，模拟了两个晶体粉末颗粒烧结的早期烧结过程。高温粘性流动传质可以分为两个阶段：第1阶段，相邻颗粒之间接触面积增大，颗粒粘合，直至孔隙封

7、闭；第2阶段，封闭气孔的缩小。ò决定玻璃化粘性流动过程烧结速率的主要变量是颗粒尺寸、粘度和表面张力。ò在通过改变粘度提高致密化速率的同时，必须注意粘度与颗粒尺寸的相对数值。过低粘度的玻璃相会使得在致密化过程中坯体在重力作用下变形，通过颗粒尺寸范围的控制，可以使得表面张力所产生的应力显著大于重力所产生的应力，最好的办法是采用非常细、颗粒分布非常均匀的材料。同时对液态过程致密化的材料必须加以支撑，防止发生变形。22.2.2流动传质—玻璃化塑性流动过程22-2ò玻璃化流动过程传质的重要前提是系统在高温能形成粘性玻璃，在细小气孔造成的压力作用下粘

8、性流动完成了主要的致密化过程。值得考虑的另一个问题是系统中能够出现多少液相，以及出现液相的性质。ò烧结时坯体中液相含量很少，或者因为成分使液相粘度很高，这时整个流动过程相当于具有屈服点的塑性流