无机材料科学第十章烧结

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1、第十章烧结Sintering烧结的定义宏观定义:一种或多种固体粉末经过成型,加热到一定温度后开始收缩,在低于熔点的温度下变成致密坚硬烧结体的过程微观定义:由于固态分子(或原子)的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒粘结、经过物质迁移位粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结烧结的目的:粉体转化成致密体烧结过程中结构及性能变化烧结的意义显微结构材料性能烧结应用领域:陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高温材料……现代无机材料显微结构晶粒尺寸分布气孔尺寸分布晶界体积分数多晶多相材料的显微结构显

2、微结构影响材料性质：σ断裂强度G晶粒尺寸G强度应力集中点强度散射透明度)G(f21-=s气孔晶粒显微结构主要内容1、烧结推动力及模型2、固相烧结和液相烧结过程中的四种基本传质产生的原因、条件、特点和动力学方程。3、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制。4、影响烧结的因素。收缩a收缩b收缩无气孔的多晶体c说明：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烧结现象示意图§10－1概述烧结过程中性质的变化：烧结与烧成:物理变化/化学变化烧结与熔融:液相烧结与固相反应:反

3、应与烧结有关的一些概念烧结过程推动力结论：由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比很小，因而虽然能自发进行，必须加热!!粉状物料的表面能>多晶烧结体的晶界能粉料烧结石英相变化学反应变化类型能量变化几焦/克几千焦/克几百千焦/克离子化合物Al2O3:两者差别较大，易烧结；共价化合物Si3N4:两者差别较小，难烧结。烧结难易程度的判据愈小愈易烧结，反之难烧结。颗粒堆积后有很多细小气孔,弯曲表面产生压力差粉料愈细，由曲率而引起的烧结推动力愈大!纳米粉体的优点烧结过程推动力四、烧结模型1945年以前：粉体

4、压块颗粒形状不一颗粒大小不一无法进行定量化研究颗粒在不同部位堆积密度不一1945年后，G.C.Kuczynski(库津斯基)提出：双球模型等径球模型:各处环境和几何条件完全相同只要研究任意两个球之间变化,代表了整个压块烧结过程中的变化中心距不变中心距缩短烧结模型:适用烧结初期球形颗粒§10－2固态烧结对象：单一粉体的烧结。主要传质方式：蒸发－凝聚扩散塑性流变一、蒸发－凝聚传质适用范围：高温下蒸汽压较大的系统。硅酸盐材料不多见。rx根据开尔文公式：传质原因：曲率差别产生P条件：颗粒足够小，r<10

5、m定量关系：P～根据烧结的模型(双球模型中心距不变)蒸发－凝聚机理(凝聚速率＝颈部体积增加)球形颗粒接触面积颈部生长速率关系式tx/r～t1/3初期x/r增大很快;时间延长，很快停止。温度T增加，有利于烧结。颗粒粒度愈小烧结速率愈大。烧结时颈部扩大，气孔形状改变，但双球之间中心距不变。因此坯体不发生收缩，密度不变。此类传质不能靠延长时间达到烧结。二、扩散传质对象：多数固体材料，由于其蒸汽压低。(一)、颈部应力模型(见书图9－6)说明：颈部应力主要由(张应力)理想状况实际状况颗粒尺寸、形状

6、、堆积方式不同，颈部形状不规则接触点局部产生剪应力晶界滑移，颗粒重排密度，气孔率(但颗粒形状不变，气孔不可能完全消除。)颈部应力(二)、颗粒中心靠近机理中心距缩短，必有物质向气孔迁移，气孔作为空位源。空位消失的部位：自由表面、晶界、位错。考查空位浓度变化。有应力存在时空位形成所需的附加功(有张应力时)(有压应力时)空位形成能：无应力时：EV结论：张应力区空位形成能<无应力区<压应力区，因而有浓度差异。1、引起浓度差异的原因2、不同区域浓度自颈部到接触点浓度差：1C=Ct－Cc自颈部到内

7、部浓度差：2C=Ct－C0结论：Ct>C0>Cc1C>2C3、扩散途径(结论：Ct>C0>Cc1C>2C)空位扩散：优先由颈表面接触点；其次由颈表面内部扩散原子扩散：与空位扩散方向相反，扩散终点：颈部。扩散途径(三)、扩散传质的动力学关系1、初期：表面扩散显著。(因为表面扩散温度<<体积扩散温度)例：Al2O3T体积＝900℃；T表面＝330℃特点：气孔率大，收缩约1％。原因：表面扩散对空隙的消失和烧结体收缩无明显影响。根据从颈部晶粒内部的空位扩散速度＝颈部V增长的速度和颈部生长速

8、率换成体积收缩或线收缩：(中心距逼近速率)讨论：(1)、烧结时间：tAl2O31300℃原因：措施：保温，但时间不宜过长。(2)、原料起始粒度：00.050.100.150.200.250.50.40.30.20.1在1600℃烧结100hAl2O3的颗粒尺寸对接触面积生长的影响说明：在扩散传质的烧结过程中，控制起始粒度很重要。(3)、温度对烧结过程的决定性作用。Y：烧结收缩率L/LK：烧结速率常数；t：烧结时间。公式变形a、前提：温度和粒径恒定烧结活化能Q值b、综合各种烧结过程