第7章 热压烧结

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1、热压烧结第7章7.1热压烧结的发展1826年索波列夫斯基首次利用常温压力烧结的方法得到了白金。而热压技术已经有70年的历史，热压是粉末冶金发展和应用较早的一种热成形技术。1912年，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉制造致密件的专利。1926～1927年，德国将热压技术用于制造硬质合金。从1930年起，热压更快地发展起来，主要应用于大型硬质合金制品、难熔化合物和现代陶瓷等方面。2热压烧结优点：许多陶瓷粉体(或素坯)在烧结过程中，由于烧结温度的提高和烧结时间的延长，而导致晶粒长大。与陶瓷无压烧结相比，热压烧结能降低烧结和缩短烧结时间，可获得细晶粒的陶瓷

2、材料。例如：热压氮化硅材料的抗弯强度和断裂韧性分别可达1100MPa和9MPa·m1/2；热压氧化铝增韧陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别为1500MPa和15MPa·m1/2。7.1热压烧结的发展37.2热压烧结的原理一、热压烧结的概念烧结：是陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象的总称。随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为坚硬的只有某种显微结构的多晶烧结体。烧结是减少成型体中气孔，增强颗粒之间结合，提高机械强度的工艺过程。烧结过程分类：不加压烧结和加压烧结。4

3、7.2热压烧结的原理一、热压烧结的概念固相烧结：是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中，在一定的气氛保护下保温一段时间的操作过程。所设定的温度为烧结温度，所用的气氛称为烧结气氛，所用的保温时间称为烧结时间。加压烧结：对松散粉末或粉末压坯同时施以高温和外压。热压烧结：是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧结过程。57.2热压烧结的原理一、热压烧结的概念热压法优点：热压时由于粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密化。由于同时加温、加压，有助于粉末颗粒的接触和扩

4、散、流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，因而抑制了晶粒的长大。热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得到细晶粒的组织，容易实现晶体的取向效应和控制台有高蒸气压成分纳系统的组成变化，因而容易得到具有良好机械性能、电学性能的产品。能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。热压法的缺点是生产率低、成本高67.2热压烧结的原理二、热压烧结的原理1、固体粉末烧结的过程和特点坯体烧结宏观变化：体积收缩，致密度提高，强度增加。烧结程度表征：坯体收缩率、气孔率或体积密度与理论密度之比。热力学表现：烧结是系统总能量减少的过程。烧结过程变化：伴随着

5、气孔率的降低，颗粒总表面积减少，表面自由能减少及与其相联系的晶粒长大等。77.2热压烧结的原理二、热压烧结的原理1、固体粉末烧结的过程和特点烧结阶段：烧结前成型体中颗粒间接触有的彼此以点接触，有的则相互分开，保留着较多的空隙。随着烧结温度的提高和时间的延长，开始产生颗粒间的键合和重排过程，这时粒子因重排而相互靠拢，大空隙逐渐消失，气孔的总体积迅速减少，但颗粒间仍以点接触为主，总表面积并没减小。烧结初期87.2热压烧结的原理二、热压烧结的原理1、固体粉末烧结的过程和特点烧结阶段：颗粒间由点接触逐渐扩大为面接触，粒界面积增加，固-气表面积相应减少，但气

6、孔仍然是联通的，此阶段晶界移动比较容易。在表面能减少的推动力下，相对密度迅速增大，粉粒重排、晶界滑移引起的局部碎裂或塑性流动传质，物质通过不同的扩散途径向颗粒间的颈部和气孔部位填空，使颈部渐渐长大，并逐步减少气孔所占的体积，细小的颗粒之间开始逐渐形成晶界，并不断扩大晶界的面积，使坯体变得致密化。烧结中期97.2热压烧结的原理二、热压烧结的原理1、固体粉末烧结的过程和特点烧结阶段：随着传质的继续，粒界进一步发育扩大，气孔则逐渐缩小和变形，最终转变成孤立的闭气孔。与此同时颗粒粒界开始移动，粒子长大，气孔逐渐迁移到粒界上消失，但深入晶粒内部的气孔则排除比

7、较难。烧结体致密度提高，坯体可以达到理论密度的95%左右。烧结后期107.2热压烧结的原理二、热压烧结的原理2、固体粉末烧结的本征热力学驱动力本征过剩表面能驱动力：Ep为烧结前粉末系统的表面能，Ed为烧结成一个致密立方体后的表面能Wm为晶体材料的摩尔质量(g/mol)，γsv为固-气表面能(J/m2)，Sp为粉末比表面(cm2/g)，d为致密固体密度(g/cm3)117.2热压烧结的原理粉末粒度/µm比表面积km2·g-1固体密度kg·mol-1摩尔质量kg·cm-1γsv/J·mol-1本征驱动力Cu1505×1028.963.551.65.1N

8、i104×1038.958.691.94.5×10W0.310419.3183.862.95.3×102Al2O30.21