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《材料合成与制备课件粉末烧结材料合成与制备》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第三章粉末烧结材料合成与制备第三章粉末烧结材料合成与制备°烧结过程是将粉体集合体经高温处理后，形成具有一定强度和形状的块状材料。高温粉末集气孔致密烧合体结体第三章粉末烧结材料合成与制备°金属材料：具有高熔点的金属和金属间化合物⊬硬质合金(WC，TiC,NbC,TaC)具有高硬度、耐磨性和金属粘结性相有足够的力学性能和抗热震性能。⊬高密度合金(W-Ni-Co)具有密度高、强度高、硬度高、导电和热性好、热膨胀系数小、抗腐蚀和氧化性好、机械加工性和焊接性好。°陶瓷材料中：一般陶瓷块(甚至薄膜)材料都是有烧结过程的。第三章粉末烧结材料合成与制备°烧结
2、类型第一节烧结过程1.1颗粒的烧结活性°烧结过程实际上是在固态下一个物质或原子的迁移或扩散过程。⊬(a)扩散性Ê(1)体积扩散系数D：原子在晶体内部或晶格内的扩v散能力,亦称为晶格扩散系数;Ê(2)晶界扩散系数D:原子沿晶界的扩散能力;gbÊ(3)表面扩散系数D:原子沿各种表面,主要是自由表s面的扩散能力。第一节烧结过程Ê其原子自扩散系数可表示为：⎛∆G⎞D=D0exp⎜−⎟⎝RT⎠式中D：对于纯固体为自扩散系数；D：指前因子;∆G0：自扩散激活能;R：气体常数;T：温度。Ê温度是外界影响最关键因素Ê在给定温度下，粉末的扩散系数值，可以代表粉
3、末本征的烧结活性。第一节烧结过程⊬(b)晶体缺陷对扩散的影响Ê空位：空位存在使原子扩散变得容易。在平衡状态下,原子的自扩散系数就可以与空位扩散系数及空位平衡浓度联系起来：⎛Qv⎞D=D'Nv=D'Aexp⎜−⎟⎝RT⎠式中D’：空位扩散系数；N：平衡的空位摩尔浓度；A：v常数；Q：空位形成能。第一节烧结过程Ê原子的扩散能力受空位浓度的高低所影响。这是粉末烧结活性的一个判据。Ê接近熔点的空位平衡浓度：Cu，N≈10-3,vSiC，N≈0vÊCu粉被称为易烧结粉末,烧结活性高,而SiC粉为难烧结粉末,烧结活性几乎等于零,甚至被称为不可烧结的物质。
4、第一节烧结过程1.2颗粒系统的烧结性与本征热力学驱动力°(a)本征过剩表面能驱动力(宏观角度来看)⊬以大量颗粒集合体,由于存在大量界面，其系统处于一个高能状态,与同质量的未细分晶体相比具有过剩的表面能。⊬颗粒系统具有的过剩的表面能越高，致密化的势越大，体系的烧结活性也就越大。⊬烧结是一个热力学无可逆过程。第一节烧结过程⊬本征过剩表面能驱动力简单估计。假定烧结前粉末系统的表面能为E,烧结成一个致密的立方体后的p表面能为E，忽略形成晶界能量的消耗,则本征驱d动力为。∆E=E-Epd⊬代入晶体材料的摩尔质量W(g/mol),固-气表面能mγ(J/m
5、2),粉末比表面S(cm2/g),致密固体密度svpd(g/cm3),则有2/32/3⎡⎛W⎞⎤6m⎛Wm⎞∆E=γsv⎢WmSp−⎜⎟⎥WS》6⎜⎟⎢⎣⎝d⎠⎥⎦mpd⎝⎠∆E≈γWSsvmp⊬粒度越细,比表面越大,本征表面能驱动力就越大，细粉比粗粉易于烧结。第一节烧结过程⊬烧结活性：动力学上的单颗粒自扩散性,热力学上颗粒结合体的表面能驱动力。⊬经验公式：在适当的烧结时间内获得烧结体的充分致密化Dv≈13(2a)式中D：体积扩散系数(cm2/s)；2a：粉末粒度(µm)。v第一节烧结过程°(b)本征Laplace应力(微观角度来看)⊬烧结前
6、，粉末总是大致呈球形、相互有一定接触。⊬表面的曲率半径、表面张力和表面所受的应力差值：11∆σ=γ(−)xρ式中负号表示ρ从孔洞内计算,正号表示x在颗粒内计算半径值。⊬颈部凹表面拉伸应力σ的存在,相当于有压应力P作用在两球接触面的中心线上,使两球靠近。第一节烧结过程⊬影响颈部Laplace应力的主要因素是颈部的曲率半径，而不是表面张力。Ê比如纯固体的表面张力γ在低于熔点的烧结温度下,其值变化不大,如铜,熔点下为1.65N/m，室温下为1.37N/m,可视为常数。第一节烧结过程⊬从微观结构变化来看大致有7个阶段：(l)颗粒之间形成接触(2)烧结
7、颈长大(颈长)(3)连通孔洞闭合(4)孔洞圆化(5)孔洞收缩和致密化(6)孔洞粗化(7)晶粒长第一节烧结过程⊬从烧结动力学来看：烧结初期(指的是颗粒之间形成接触和烧结颈长大阶段),烧结中期(包括了连孔洞闭合、孔洞圆滑和孔洞收缩与致密化阶段)；烧结后期(是指孔洞粗化和晶粒长大阶段。)⊬烧结动力学主要考察时间～收缩的关系。⊬不同烧结期意味着描述时间～收缩的关系数学表达式不同。第二节强化烧结第二节强化烧结°强化烧结是指能使烧结温度降低,增加烧结速率,能强化烧结体性能(抑制晶粒生长)的所有烧结过程。2.1活化剂扩散强化烧结°强化烧结的核心问题是强化原
8、子的扩散过程。扩散过程的强化可以通过下列途径实现：⊬提高烧结温度:T↑→D↑。但是,这种方法受到炉子设备能力的限制,另外使用过高的烧结温度往往也是经济的。第二节强化
