材料科学基础10.ppt

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1、概述烧结机理晶粒生长与二次再结晶影响烧结的因素第10章烧结烧结理论研究的发展历史第一次飞跃第二次飞跃第三次飞跃第一节概述一、烧结的定义及分类1.定义粉末成型体在低于熔点的高温作用下，产生颗粒间的粘附，通过物质传递迁移，使成型坯体变成具有一定几何形状和性能，即有一定强度的致密体的过程，称为烧结。1）常规烧结（是否出现液相）2.分类固相烧结：在烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程液相烧结：有液相参与下的烧结，如多组分物系在烧结温度下常有液相出现，<45%。反应烧结热压烧结电火花烧结2）非常规烧结

2、（特种烧结）等静压烧结活化烧结微波烧结图1热压炉图2放电等离子体烧结炉（SPS）图3气压烧结炉（GPS）图4微波烧结炉二、与烧结有关的概念烧成：包括多种物理、化学变化，如：脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等，其包括范围宽。烧结：仅质粉料经加热而致密化的简单过程，是烧成过程的一个重要部分。1.烧结与烧成2.烧结与熔融相同点：都是由原子热振动而引起的不同点：熔融时全部组元都转变为液相烧结时至少有一组元是处于固态烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的。3.烧结与固相反应金属粉末Ts≈（0.3—0.4）Tm无机

3、盐类Ts≈0.57Tm硅酸盐类Ts≈（0.8—0.9）Tm泰曼指出，烧结温度Ts与其熔点Tm之间关系的一般规律：相同点：均在低于材料熔点或熔融温度之下进行的；过程自始至终都至少有一相始固态不同点：固相反应至少有两组元参加，并发生化学反应。烧结可只有单组元或两组元参加，但并不发生化学反应三、烧结过程及推动力（一）烧结过程1.烧结温度对烧结体性质的影响当密度达到理论密度的90～95％后，其增加速度显著减小，且常规条件下很难达到完全致密。说明坯体中的空隙(气孔)完全排除是很难的。1）随T↑，电阻↓（电导率↑）、强度↑，表明：在

4、颗粒空隙被填充之前(即气孔率显著下降以前)，颗粒接触处就已产生某种键合，使得电子可以沿着键合的地方传递，故电导率和强度增大2）随T继续↑，物质开始向空隙传递，密度↑粉状成型体的烧结过程示意图2.烧结过程的模型示意图烧结初期：坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失），固-气总表面积没有变化。烧结中期：传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道。烧结后期：传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密度达到95%以上，制品强度提高。烧结过程可以分为三个阶段：烧结初期、中期和后期。（二

5、）烧结推动力粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，这就是烧结的推动力。1.能量差能量差、压力差、空位差如：粒度为1μm的材料烧结后，△G↓8.3J/g；α-石英与β-石英之间的多晶转变时，△G1.7KJ/mol；一般化学反应前后能量变化超过200KJ/mol.烧结不能自发进行，必须对粉体加以高温，才能促使粉末体转变为烧结体烧结的难易以γGB晶界能/γSV表面能比值来衡量：γGB/γSV↑，烧结越困难由表面张力作用产生的压力差：或2.压力差3.空位差颗粒的弯曲表面上存在有压力差颗粒表面上的空位浓度与内部浓度之差四、烧结模

6、型双球模型双球模型平板球体球模型特征：适用：中心矩L不变坯体无收缩蒸发-凝聚传质中心矩L缩短坯体收缩扩散传质扩散传质例：（1）把两根新拉制的玻璃纤维相互叠放在一起，两根玻璃纤维在接触处会产生粘附作用。（2）水膜第二节烧结机理一、颗粒的粘附作用粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触面积，故粉状物料间的粘附作用特别显著。粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体颗粒间产生键合、靠拢和重排．并开始形成接触区的一个原因。(a)(b)ρ图被水膜包裹的两固体球的粘附二、物质的传递——传质过程气相传质——蒸发-凝聚传质扩散传质流动传质塑性流动

7、粘性流动溶解-沉淀传质固相烧结相结液烧（一）蒸发-凝聚传质固体颗粒表面的曲率不同，高温时在系统的不同部位有不同的蒸气压，质点通过蒸发，再凝聚实现质点的迁移，促进烧结。1、概念模型2、颈部生长速率关系式根据开尔文公式、朗格缪尔公式，可以推导出球形颗粒接触面积颈部生长速率关系式：x/r——颈部生长速率；x——颈部半径；r——颗粒半径；γ——颗粒表面能；M——相对分子量；P0——球形颗粒表面蒸气压；R——气体常数；T——温度；t——时间式中：3、影响因素r、P0、t、T例如：氯化钠球的烧结实验1）烧结时间t对蒸发-凝聚传质，延

8、长时间对烧结影响不大2）压力影响P0对于硅酸盐材料蒸气压低，其影响一般较小例如：Al2O3，在1200℃时，P＝10-41Pa3）颗粒半径r的影响当r↓↓，x/r↑↑.一般烧结r＝10μm左右。4）温度T的影响T↑，P0↑↑，x/r↑↑。4、蒸发-凝聚传质的特点1）坯体不发生收缩。烧结时颈部区域扩大，球的形状改变为椭