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1、特种陶瓷工艺学学院：材料科学与工程授课人：臧传义特种陶瓷生产工艺特种陶瓷粉体性能及其制备技术特种陶瓷的成型方法特种陶瓷的烧结机制及其方法特种陶瓷的加工，以超硬材料金刚石、CBN烧结体为主特种陶瓷烧结烧结烧结（sintering）是使材料获得预期的显微结构，赋予材料各种性能的关键工序。坯体在高温作用下，随着时间的延长，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，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体，这种现象称为烧结。烧结是减少成形体中气孔，增强颗粒之间结合，提高机械强度的工艺过程。在
2、热力学上，所谓烧结是指系统总能量或者Gibbs自由能减少的过程。特种陶瓷烧结烧结现象特种陶瓷烧结烧结现象烧结过程微观形貌球形颗粒烧结模型特种陶瓷烧结烧结现象ZrO2陶瓷微观形貌Al2O3陶瓷微观形貌正常烧结非正常烧结特种陶瓷烧结烧结现象烧结过程中,主要发生晶粒和气孔尺寸及其形状的变化。三阶段①颗粒的粘结—烧结初期，颗粒间接触点通过成核、结晶长大等过程形成烧结颈。但颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形基本保持不变，烧结体没有收缩，密度增加极少。②烧结颈长大—烧结中期，原子向颗粒结合面迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络。随着晶粒
3、长大，晶界或孔隙一起运动，或越过孔隙使之残留于晶粒内部。烧结体的密度和强度都增加。③孔隙球化和缩小—烧结后期，一般当烧结体密度达到90％，烧结就进入烧结后期。大多数孔隙被分隔，晶界上的物质继续向气孔扩散填充，致密化继续进行，晶粒也继续长大。烧结体主要通过小孔隙的消失和孔隙数量的减少来实现收缩，收缩比较缓慢。特种陶瓷烧结烧结过程（固相烧结）①颗粒之间形成接触②烧结颈形成及长大③连通气孔闭合④孔洞圆化⑤孔洞收缩和致密化⑥晶粒长大⑦孔洞粗化烧结过程中,主要发生晶粒和气孔尺寸及其形状的变化。烧结过程特种陶瓷烧结特种陶瓷烧结烧结过程（液相烧结）①熔
4、化（初始液相生成）（0）②浸润③固相溶解④颗粒重排（I）⑤溶解－沉淀（II）⑥气孔闭合及排除（III）⑦晶粒生长和粗化特种陶瓷烧结烧结过程（液相烧结）特种陶瓷烧结烧结现象烧结温度与熔点：对纯物质而言，存在近似关系金属粉末烧结温度0.3~0.4Tm（熔点）无机盐类0.57Tm硅酸盐类0.8～0.9Tm烧结动力：①烧结过程既无外力作用，又无化学反应，其驱动力何来？？②粉体特征：和块状相比，粉体具有较高的的比表面积和表面自由能。③粉体的过剩表面能为烧结驱动力④粉体表面能和化学反应中的能量变化比，驱动力太小⑤烧结不能自动进行，要加以高温特种陶瓷烧
5、结过剩表面能驱动力粒度越细，比表面越大，驱动力越大，所以细粉更容易烧结固气表面能晶体材料摩尔质量粉末比表面特种陶瓷烧结物质传递烧结过程除了要有推动力外,还必须有物质的传递过程,这样才能使气孔逐渐得到填充,使坯体变得致密。物质传递方式：⑴蒸发和凝结⑵扩散⑶粘滞流动与塑性流动⑷溶解和沉淀特种陶瓷烧结⑴蒸发和凝结任一弯曲表面,在表面张力σ作用下,将产生一个曲面压力P，跟平面相比，存在多余表面自由能△Z曲面压：平面：P=0,△Z=0凹表面：P<0，曲面蒸气压低于平面凸表面：P>0，曲面蒸气压高于平面从自由能来说，凸表面自由能最大，凹表面自由能最小
6、。所以，高温下具有较高蒸气压的系统，由于存在表面曲率的差异，物质从蒸气压高的凸表面蒸发，在凹表面凝聚，如颗粒间的颈部，从而使颗粒间接触面积增加，坯体致密化。特种陶瓷烧结⑴蒸发和凝结特种陶瓷烧结⑴蒸发和凝结特种陶瓷烧结稳定颈长方程体积扩散表面扩散蒸发凝聚颈长方程的意义判断烧结初期的物质迁移机制做出lg(x/a)～lgt曲线，斜率的倒数即为n，并由此判断物质迁移机制特种陶瓷烧结⑵扩散陶瓷原料物质主要通过表面扩散和体积扩散进行传递,烧结是通过扩散来实现的。实际晶体中往往有许多缺陷,当缺陷出现浓度梯度时,它就会由浓度大的地方向浓度小的地方作定向扩
7、散。若缺陷是填隙离子,则离子的扩散方向和缺陷的扩散方向一致;若缺陷是空位,则离子的扩散方向与缺陷的扩散方向相反。晶体中的空位越多,离子迁移就越容易。两球状颗粒接触处的颈部是凹曲面,表面自由能最低,因此容易产生空位,空位浓度最大,可以说颈部是个空位源。即，从颈部到晶粒内部存在着一个空位浓度梯度,这样物质可以通过体扩散、表面扩散和晶界扩散向颈部作定向传递,使颈部不断得到长大,从而逐渐完成烧结过程。特种陶瓷烧结⑵扩散特种陶瓷烧结⑵扩散对于固相烧结机理中的烧结收缩，烧结速率或者说线收缩率有如下近似关系：△L/L：线收缩；a3:原子体积；t:时间；
8、γ：表面能；D：扩散系数；T：温度；r：粒子半径①烧结速度随时间延长而下降②烧结速度与颗粒尺寸成反比③晶界扩散、晶粒扩散增加时，烧结速率提高④扩散与温度有关系，因此烧结速度依赖于温度烧结速度和
