大连轻工 （硅酸盐物理化学 课件） 12章 烧结

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1、第十二章烧结烧结目的：把粉状物料转变为致密体。当原料配方、粉体粒度、成型等工序完成以后，烧结是使材料获得预期的显微结构以使材料性能充分发挥的关键工序。一般说来，粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多晶材料。其显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成。烧结过程直接影响显微结构中晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布。本章重点讨论粉末烧结过程的现象和机理，介绍烧结的各种因素对控制和改进材料的性能的影响。12.1烧结概论宏观定义：粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度，发生固结、气孔率下降、收缩加大、致密度提高、晶粒增大，变成坚硬的烧结体，这个现象称为烧结。微观定义：固态中

2、分子（或原子）的相互吸引，通过加热，质点获得足够的能量，进行迁移使粉末体产生颗粒粘结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。一、烧结定义二、烧结示意图粉料成型后颗粒之间只有点接触，形成具有一定外形的坯体，坯体内一般包含气体（约35％～60％）在高温下颗粒间接触面积扩大→→颗粒聚集→→颗粒中心距逼近→→形成晶界→→气孔形状变化，体积缩小→→最后气孔从晶体中排除，这就是烧结所包含的主要物理过程。烧结体宏观上出现体积收缩，致密度提高和强度增加，因此烧结程度可以用坯体收缩率、气孔率、吸水率或烧结体密度与理论密度之比（相对密度）等指标来表示。同时，粉末压块的性质也随

3、这些物理过程的进展而出现坯体收缩，气孔率下降、致密、强度增加、电阻率下降等变化。随着烧结温度升高，气孔率下降；密度升高；电阻下降；强度升高；晶粒尺寸增大。三、相关概念烧成：在多相系统内产生一系列物理和化学变化。例如脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等。顾名思义，是在一定的温度范围内烧制成致密体的过程。烧结：指粉料经加热而致密化的简单物理过程，不包括化学变化。烧结仅仅是烧成过程的一个重要部分。烧结是在低于固态物质的熔融温度下进行的。熔融：固体融化成熔体过程。烧结和熔融这两个过程都是由原子热振动而引起的，但熔融时全部组元都转变为液相，而烧结时至少有一组

4、元是处于固态。烧结温度（TS）和熔点（TM）关系：金属粉末：TS≈（0.3～0.4）TM盐类：TS≈0.57TM硅酸盐：TS≈0.8～0.9TM烧结与固相反应区别：相同点：两个过程均在低于材料熔点或熔融温度之下进行，并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。不同点：固相反应发生化学反应，固相反应必须至少有两组元参加如A和B，最后生成化合物AB，AB结构与性能不同于A与B。而烧结不发生化学反应，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。实际生产中烧结、固相反应往往是同时穿插进行的。四、烧结过程推动力烧结过程推动

5、力是：能量差、压力差、空位差。1、能量差根据近代烧结理论的研究认为，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，即粉状物料的表面能与多晶烧结体的晶界能的能量差。任何系统降低能量是一种自发趋势、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。粒度为lμm的材料烧结时所发生的自由焓降低约8.3J/g。而α-石英转变为β-石英时能量变化为1.7kJ／mol，一般化学反应前后能量变化＞200kJ／mol。因此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。常用γGB晶界能和γ

6、SV表面能之比值来衡量烧结的难易，γGB/γSV愈小→→愈容易烧结，为了促进烧结，必须使γSV>γGB。一般Al2O3粉的表面能约为1J/m2，而晶界能为0.4J/m2，两者之差较大，比较易烧结；而Si3N4、SiC,AlN等，γGB/γSV比值高，烧结推动力小，因而不易烧结。2、压力差粉末体紧密堆积以后，颗粒间仍有很多细小气孔通过，在这些弯曲的表面上由于表面张力的作用而造成的压力差为其中γ-粉末体表面张力；r-粉末球形半径．若为非球形曲面，可用两个主曲率r1和r2表示以上两个公式表明，弯曲表面上的附加压力与球形颗粒（或曲面）曲率半径成反比，与粉料表面张力成正比

7、。由此可见，粉料愈细．由曲率引起的烧结动力愈大。颗粒表面上的空位浓度一般比内部空位浓度为大，二者之差可以由下式描述：式中：ΔC为颗粒内部与表面的空位差；γ为表面能；δ3空位体积；ρ曲率半径；Co为平表面的空位浓度。这一浓度差导致内部质点向表面扩散，推动质点迁移，可以加速烧结。3、空位差五、烧结模型烧结分烧结初期、中期、后期。中期和后期由于烧结历程不同烧结模型各样，很难用一种模型描述。烧结初期因为是从初始颗粒开始烧结，可以看成是圆形颗粒的点接触，其烧结模型可以有下面三种形式。(A)模型是球型颗粒的点接触，烧结过程中心距离不变。（B）模型是球型颗粒的点接触，但是烧结

8、过程中心距离变小。（C）