陶瓷材料的烧结

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1、第五章陶瓷材料的烧结5.1概述烧结（sintering）是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其具体的定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。只有掌握了坯体在高温烧成过程中的变化规律，正确地选择和设计窑炉，科学地制定和执行烧成制度，严格地执行装烧操作规程，才能提高产品质量，降低燃料消耗，获得良好的经济效益。10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理5.2烧结参数及其对烧结性影响5.2.1烧结类型T1T3T2TmBTmA液相烧结（Liquidphaseintering）固相烧结（Solidstatesintering）烧结过程示意相图1

2、0/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理(a)固相烧结(Al2O3)和(b)液相烧结样品(98W-1Ni-1F2(wt%))的显微结构10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理5.2.2烧结驱动力烧结的驱动力就是总界面能的减少。粉末坯体的总界面能表示为γA，其中γ为界面能；A为总的比表面积。那么总界面能的减少为：其中，界面能的变化（Δγ）是因为样品的致密化，比表面积的变化是由于晶粒的长大。对于固相烧结，Δγ主要是固/固界面取代固/气界面。10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理在烧结驱动力的作用下烧结过程中的基本现象10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理5

3、.2.3烧结参数材料参数粉体形貌，粒度，粒度分布，团聚，混合均匀性等化学特性化学组分，纯度，非化学计量性，绝对均性等工艺参数烧结温度，烧结时间，压力气氛，升温和降温度等10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理5.2.4烧结参数对于烧结样品性能的影响一、材料参数对烧结的影响（1）颗粒尺寸对烧结的影响在一定温度下，半径为r1的一列球形颗粒所需要的烧结时间为t1，半径为r2的另一列排列相同的球形颗粒烧结时间为t2，则：如果颗粒尺寸从1m减小到0.01m，则烧结时间降低106到108数量级。同时，小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高，同时降低烧结温度、减少烧结时间。10/3/2021

4、河南省精品课程——陶瓷工艺原理（2）粉体结块和团聚对烧结的影响结块的概念是指一小部分质量的颗粒通过表面力和/或固体桥接作用结合在一起；而团聚描述的是颗粒经过牢固结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团聚形成的粗大颗粒都是通过表面力结合。细小颗粒在液体和固体介质中承受吸引力和排斥力形成结块和团聚体示意图10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理（3）颗粒形状对烧结的影响颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形状的陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理（4）颗粒尺寸分布对烧结的影响颗粒

5、尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力学过程来研究，即分析由不同尺寸分布的坯体内部，在烧结过程中“拉出气孔”（poredrag）和晶粒生长驱动力之间力的平衡作用。研究表明，较小的颗粒尺寸分布范围是获取高烧结密度的必要条件。10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理二、影响陶瓷材料烧结的工艺参数（1）烧成温度对产品性能的影响烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即操作时的止火温度。烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸和数量。对固相扩散或液相重结晶来说，提高烧成温度是有益的。然而过高的烧成温度对特瓷来说，会因总体晶粒过大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，因

6、而产品的机电性能变差。10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理（2）保温时间对产品性能的影响在烧成的最高温度保持一定的时间，一方面使物理化学变化更趋完全，使坯体具有足够液相量和适当的晶粒尺寸，另一方面组织结构亦趋均一。但保温时间过长，则晶粒溶解，不利于在坯中形成坚强骨架，而降低机械性能。（3）烧成气氛对产品性能的影响①气氛对陶瓷坯体过烧膨胀的影响②气氛对坯体的收缩和烧结的影响③气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响（4）升温与降温速度对产品性能的影响10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理5.3固相烧结过程及机理初始阶段中间阶段最终阶段固相烧结一般可分为三个阶段：初始

7、阶段，主要表现为颗粒形状改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为气孔尺寸减小。10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理5.3.1双球模型（two-particlemodel）图(a)为未收缩的模型，颗粒之间的距离不发生变化，但是随着烧结时间的增加，颈部尺寸会不断增加，烧结样品开始收缩，其收缩后几何模型如图(b)所示，颈部增大主要是颗粒接触间物质扩散和坯体收缩造成的。10/3/2021河南省精品课程——陶瓷工艺原理烧结