《无机材料科学基础》第9章烧结

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1、第九章要点相关定义烧结推动力、种类、传质方式及机理晶粒生长和二次再结晶的方式、推动力影响烧结的因素烧结体的显微结构晶体晶界玻璃体气孔材料组成材性显微结构工艺因素化学组成矿物组成晶体的尺寸及分布气孔的尺寸及分布晶界的体积分数玻璃相的数量及分布原料的颗粒级配成型方法烧成制度温度制度压力制度气氛第九章烧结9.1概述9.1.1烧结定义：1、传统定义：（宏观定义）一种或多种固体粉末经过成型，在加热到一定温度后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体的过程2、微观定义：由于固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末产

2、生强度并导致致密化和再结晶的过程3、烧结程度表征（１）、气孔率　（２）烧结体密度　（３）电阻（４）强度（5）晶粒尺寸　（6）吸水率（7）坯体收缩率(8)相对密度９．１．２与烧结有关的一些概念１、烧结与烧成烧结：仅指粉料经加热而致密化的物理过程烧成：包括粉料在加热过程中发生的一切物理和化学变化例如：气体排除、相变、熔融；氧化、分解、固相反应等２、烧结和熔融烧结是在远低于熔融温度下进行的，至少有一组元处于固态熔融则所有组元转变为液相烧结和熔融的关系：金属粉末：Ts≈(0.3---0.4)TM盐类：Ts≈0.57TM硅酸盐：Ts≈(0.8---0.9)TM3

3、、烧结与固相反应固相反应：至少有两个组份参加，产物不同于任一反应物烧结：可单或多组分，不发生化学反应，表面能推动下实现致密化的过程９．３烧结过程推动力１、推动力：粉料的表面能大于多晶体的晶界能２、烧结难易程度的衡量：（晶界能／粉体表面能）越小越易烧结3、烧结不能自发进行（推动力较小）例如：粉末堆积弯曲表面上由于表面张力而造成的压力差ΔP＝２γ／r非球形曲面ΔP＝γ(1/r1+1/r2)Cu:r=10-4γ=1.5N/mΔP＝２γ／r=3*106ΔG=VΔP=7.1ΔP=21.3J/mol结论：表面能造成的推动力较小，烧结必须在高温下进行9.4烧结模型1

4、、孤立双球模型、颗粒与平板模型ρ=χ2/2rπρ=χ2/4rπρ=χ2/2rA=π2χ3/rA=π2χ3/2rA=πχ3/rV=πχ4/2rV=πχ4/4rV=πχ4/2r(9—3a)(9—3b)(9—3c)2、适用：烧结初期9.2固态烧结定义：粉体团块在固体状态下进行的烧结传质方式：蒸发－凝聚传质、扩散传质、塑性流变传质９．２．１蒸发――凝聚传质1、定义：在高温过程中，由于表面曲率不同，　导致不同部位存在蒸汽压差，在蒸汽压差作用下进行的气相传质2、传质模型及颈部生长公式烧结初始阶段颈部的形成-------颗粒的粘附作用（1）微观本质：固体表面力（2）

5、大小：取决于物质的表面能和接触面积粘附力----接触点塑性变形接触面增大粘附力增加(3)动力学关系式据开尔文公式：（９――３）式中：Р１：曲率半径为ρ初的蒸汽压Р０：球形颗粒表面蒸汽压d：密度γ：表面张力∵很小据数学原理　㏑(1+X)≈X∴　　又因(9---4)ΔΡ：颈部与颗粒表面的饱和蒸汽压差据朗格缪尔公式(9—5)Um:凝聚速率α：调节系数ΔΡ：凹面与平面之间蒸汽压当　凝聚速率等于颈部体积增加时(9—6)将烧结模型公式（９――３）代入9--7移相并积分　的颈部生长速率公式９――８讨论：（1）---不能用延长时间促进烧结（２）原料起始粒径越小，烧结速

6、率越大（3）温度提高，χ／r增大（4）致密化速率与物质的自身性质有关3、蒸发―凝聚传质的特点：颈部区域扩大，颗粒及气孔形状改变，坯体不发生收缩，不影响坯体密度9.2.2扩散传质1、晶界滑移作用力------局部剪应力---颗粒重排从两球形颗粒接触颈部取一弯曲基元ABCD,ρ和x为两个主曲率半径设：ρ的主曲率半径为正、x主曲率半径为负，且夹角均为θ曲颈基元上的表面张力可由表面张力的定义计算(很小,)同理作用在垂直于ABCD元上的力将代入，考虑，得表明：作用在颈部的应力主要由产生，且为张应力2、晶粒中心靠近机理无应力晶体内空位为浓度：9--10N:晶体内原

7、子总数no:晶体内空位数EV:空位生成能颈部张应力区空位生成附加功9—11压应力区空位生成附加功9---12相应区域空位生成能:压应力无应力张应力区空位浓度,则如:,则:同理:颈部与接触区浓度差:颈部与晶体内无应力区浓度差空位浓度差导致的晶格扩散是颗粒中心逼近的原因3、扩散传质途径4、扩散分期（1）初期：表面扩散显著，空隙表面光滑和气孔球形化，坯体收缩小（1%）由9—16知颈部与晶体内浓度差代入得9—17每秒从每厘米周长上扩散离开颈部的空位扩散流量9—18DV:空位扩散系数，如D*自扩散系数，DV=由于空位扩散速度扩散等于颈部体积增长速度9—19将

8、9—3b、17、18代入，积分得9---20颗粒中心逼近速度体积收缩9—21讨论；①表面扩散不