陶瓷工艺原理之精品坏体性质的控制

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1、陶瓷工艺原理之精品课件五第五章坏体性质的控制目的要求烧结的发展历史比较久远，从公元前烧结陶土到现如今广泛应用于陶瓷及硬质合金材料的制备等领域。几乎所有陶瓷材料的制备都有经历烧结丁艺，因此，熟悉烧结T艺过程，了解烧结的各种影响因素,分析烧结机理对丁制备高性能的陶瓷材料非常必要。课时16学时授课内容1概述2烧结参数及其对烧结性影响2.1烧结类型2.2烧结驱动力2.3烧结参数2.4烧结参数对于烧结样品性能的影响3固相烧结过程及机理3.1双球模型(two-particlemodel)3.2晶粒过渡生长现象4液相烧结

2、过程与机理4」液相烧结的阶段4.2液相烧结过程的致密化机理4.3晶粒生长和粗化5特色烧结方法5.1热压烧结5.2热等静压5.3放电等离子体烧结5.4微波烧结5.5反应烧结5.6爆炸烧结6烧结设备6.1间歇式窑炉6.2连续式窑6.3窑炉辅助设备7最佳烧成制度的确定7」温度制度的确定7.2气氛制度的控制7.3压力制度及系数授课重点和难点本章的重点在烧结机理、特色烧结方法和烧成制度的确定上，难点多，需要精心准备。教学方法用多媒体以讲授为主，并对学生在学习中遇到的问题进行解答。讲授重点内容提要1*烧结机理通常，烧结

3、过程可以分为固相烧结(Solidstatesintering)和液相烧结(Liquidphasesintering)两种类型。在烧结温度下，粉末坯体在固态情况下达到致密化过程称为固相烧结；同样，粉末坏体在烧结过程屮有液相存在的烧结过程称为液相烧结。1*1固相烧结固和烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，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。烧结过程中颗粒的排列过程如图1所示。在初始阶段,颗粒形状改变，相互之间形成了颈部连接，气孔由原来的柱状贯通状态逐渐过渡为

4、连续贯通状态，其作用能够将坯体的致密度提高1-3%；在中间阶段，所有晶粒都与最近邻晶粒接触，因此晶粒整体的移动已停止。通过晶格或晶界扩散，把晶粒间的物质迁移至颈表面，产生样品收缩，气孔由连续通道变为孤立状态，当气孔通道变窄无法稳定而分解为封闭气孔时，这一阶段将结束，这时，烧结样品一般可以达到93%左右的相对理论致密度；样品从气孔孤立到致密化完成的阶段为最终阶段。在此阶段，气孔封闭，主要处于晶粒交界处。在晶粒生长的过程中，气孔不断缩小，如果气孔中含有不溶于固相的气体，那么收缩时，内部气体压力将升高并最终使收缩

5、停止，形成闭气孔。烧结的每个阶段所发生的物理化学变化过程都有所区别，一般利用简单的双球模型(two・particlemodel)来解释初始阶段机理，用通路气孔模型(channelporemodel)來解释中间阶段机理，而最终阶段机理通常采用孤立气孔模型(isolatedporemodel)分析。图1不同烧结阶段晶粒排列过程双球模型如果烧结粉体的形貌假设都为规则的球形的话，那么整个粉末坯体可以看作为两个颗粒之间的烧结，其示意图如图2所示。图2(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

6、加，颈部尺寸会不断增加，烧结样品开始收缩，其收缩后儿何模型如图2（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。图2初始阶段的双球模型（a）未收缩，（b）收缩烧结的驱动力主要来源于由于颗粒表面曲率的变化而造成的休积压力差、空位浓度差和蒸汽压差。表1烧结中的物质传输机理物质扩散机理材料部位接触部位相关参数1.晶格扩散晶界颈部晶格扩散率，D]2.晶界扩散晶界颈部晶界扩散率，Db3.粘性流动整体晶粒颈部粘度，H4.表面扩散]粒表面颈部表面扩散率，Ds5.晶格扩散晶粒表面颈部晶格扩散率，D]6.气相传

7、输蒸发一凝聚”粒表面颈部蒸汽压差，△p气和扩晶粒表而颈部气相扩散图3烧结中物质扩散路径颗粒间距离的缩进主耍靠晶界处物质的扩散和原子运动及物质的粘性流动等作用来实现。物质从颗粒表面扩散到颈部对于颗粒间距离的减小并没有贡献，但是可以增大颈部尺寸。所以，陶瓷坯体在致密化过程中，对致密化主要贡献的物质扩散主要是在晶界处进行。具体的晶粒生长过程分为以下几个过程：(1)晶界处的晶格扩散(InterfacialLatticeDiffusion)原子从晶界到颈部发生的晶格扩散，在界面处形成了空位泯灭源。此过程中界血的作用与

8、Nabarro-Herring屈服理论中界面的作用相类似，在该理论中，认为原子的运动一般从压应力状态的晶界向拉应力的晶界移动，而空位的移动方向刚刚相反。如果原子的晶格扩散是从晶界向颈部扩散，则颈部区域必须是处于拉应力状态，而晶界处于压应力状态。因此，在界面处从颈部屮心到颈部表面就存在压力梯度。根据此烧结机理，无论是颈部的长人还是相邻两颗粒间距离的缩小(收缩)的进行，都是接触部分物质的迁移造成的。颈部长大和收缩动力