第三章烧结MicrosoftWord文档

1、第三章烧结Microsoft Word 文 档第三章烧结Microsoft Word 文 档第三章电子瓷烧结原理 第一节综合热分析 略 第二节烧结机理 一、定义及分类 1定义： 在T熔温度之下， 物料通过增大接触面、 颗粒重排、形成晶界、排除气孔，达到致密和增 大强度的过程。 宏观：致密提高，强 3 微观：晶界形成，晶 2分类： Z 1 固相烧结：没有液相参加（或液 -液相烧结：有液相参加， 热压烧结：烧结有特殊机理， 烧结动力学（推动力） 1曲面压差 P 2颈部浓度差C 对于一个不受应力（无附加压差T的晶体，空位EV 浓度与 有关，和形成空位所需的能量 有关 C。唱=exp（寻） 3 4 若

2、质点（离子）直径为 /可近似地令空位体 积为 颈部曲面特性所引起的毛细管力 （数值）， P 则形成一个空位时，毛细管力所做的功5 （体积功） 3气相传质 ,p 2二 M 1 In po -RT r P凸 Po 凹 导致:p 气相 凹 凝聚 蒸 发 颈部 在空位浓度差推动下，空位即从颈部不断地向颗 粒其它EV P 故在颈部表面形成一个空位所需的能量为 3 邑 3) 相应空位浓度为：二嗚附 6 部位扩散，而固体质点则向颈部逆向扩7 散，颈部空位源的作用， 与 成正比, 由扩散机理进行的烧结过程可知：烧结推动力也 为表面能作用的结果 三、烧结的几种机理 1、 体积扩散机理 颗粒凸部向凹部传质，使颈部

3、长大，形成晶 界，相当于颈部空位向凸部扩散，凹空位 凸 空位 气孔周围的空位源，向晶体其它部位（主 要是表面、晶界）扩散，这些部位质点反向迁移 到气孔间隙 2、 蒸发一凝聚机理（气相沉积） 凸部质点进行蒸发，然后通过气相传质到凹部 （颈部）凝聚，使颈部长大 3、溶解一沉淀机理（液相烧结） 8 在液相中的颗粒 ，造成小颗粒溶解， 溶解后通过熔体在大颗粒和两颗粒的颈部沉淀 （形成晶界，颈部长大） 4、粘滞流机理 A在液相烧结时，液相量达到一定数量时，物料 出现类似液相的粘滞流动现象，导致颗粒重排 （液相烧结初期，在液相中的颗粒） B热压烧结 当外力P大于此时颗粒临界强度时，能使物 料发生晶面（颗粒

4、）滑动，增大接触面 第三节烧结动力学 、烧结中传质途径 1） 从颗粒表面向颈部的表面扩散; 2） 从粒界向颈部的界面扩散； L0 2 二 SLM 9 3） 从颗粒表面向颈部的体积扩散； 4） 从粒界向颈部的体积扩散； 5） 从颗粒内部位错向颈部的扩散； 6） 从颗粒表面向颈部的蒸发-冷凝； 7） 从颗粒表面向颈部或从小颗粒向大颗粒的 溶解-沉淀 二、烧结模型 烧结是从粉状集合体转变成致密集合体的过程， 故颗粒的形状和大小直接影响着颗粒间的堆积 状态，以及相互的接触情况。并最终影响烧结。 为了便于定量研究，须建立合理化的模 型。 模型：采用等径球体 接触方式烧结模型 烧结一般都会引起宏观尺寸的缩

5、小和 致密度的增加，常用收缩和密度值来衡量烧结程 度。10 由b图可见：收缩是由于颈部长大和双球间的距 离缩短引起的。 设：烧结前两球间中心距离为 L,烧后收缩值 为 L 对图b则有： :L _ y _ r _(r * )cos丁 L r r 由于烧结初期6很小，cos =1故得 p r C1&-3) F=ff74T m _1L = L z2 图15-3烧紬模型 p = 3c( (2 Kzxsr U5-S 11 dV dt cC 心 C 二 AD ADr 勾股定理: （ J2 二（- y）2 （x ）2 二（- J2 （x ）2 (x ? )2 则: 4r 三、固体烧结动力学 1、烧结

6、初期：双球模型 基本前提：通过颈部表面空位扩散速度等于颈 部体积长大速度 12 为颈部表面曲率半径， 颈部表面与平面间空 位浓度差，设扩散距离也为 Ds = Dve x p ( EV KT Ds = DV Co 匹=e x pEV K/T ) Co (1) 2r 4 二 x DV 3 ag_ KT Co A P 为空位扩散系数， Ds Co 2 4r A = 13 代入（1）式后，积分求解化简后得：x2二葺严r2t KT14 (Do = DvC) 卿格尔 Kingery推导出三种不同传质途径下 （体、晶界和表面）的一般式： n kjaoD m m x r t = k r t KT 3 = L、

7、q k2”-Go D s. () -r t L KT 扩散机理: n q 体扩散 4-5 3-2.5 表面扩 散 7 3-3.22 晶界扩 散 6-7 讨论：（1） （*）q=kit In = -l nkj I nt L q 收缩率： - 2 6 2 丄 X (5a-DS)5 r -5t5 2=( ) r t L 4r2 4 KT x5 1 3 1 4_a o D o 2 5 -5 T ( 0 0 r2t)5r 5t5 ) KT / 颈部增长率: 15 例如：AI2O3烧结初期- L/L对数与时间作图，测 出的斜率为2/5,此结果与式（2）相符。 （2）温度不高 低于T泰曼温度下保温是没有意义

8、的（低温收 缩大，+小时达到烧结） （3）粒度的影响 r 烧结速度- r 2烧结中期（气孔排除，晶界长大）颈部长大， 颗粒重排 （1） 模型正十四面体或正十二面体 （颗粒包围的气孔呈现圆筒状） 设正十二面体共24条边，共有管状气孔24个, 分属3个正十二面体所有，而一个正十二面体有 8个管状气孔 气孔的半径为r，十二面体的边长为L 对一个十二面体来说，气孔体积为：V = 8-： r2L 整个十二面体体积为：16L3/3、3 2 则坯体的气孔为：P汀為寺T 2.6叱2 （2） 前提：气孔的排除速度（dV）应等于其面上 dt对L/L-Int作图，可求出斜率 tg：二丄 3 16 的扩散流量 二面体

9、共用） 单位时间内每一个面上总流量为: dV 12 , J dt 2 散，表面冷却，中心部分加热的圆筒形导体） 类比：D C T 令：L=2r （ r为气孔的半径） 3 J =8二 rDV ：Ca0 考虑到分支扩散 2 J =16二 DV Ca0 则： dV 96 二 Ds；JdV =8叼2L 0 dV dt 12J （一个接触面由两个单面合成，两个十 =6J 借用中心筒传热公式， J 3 4 ：DV. ：（放射状扩 dV dt =6 J =96：rDV=Ca0 对圆筒 ；i 二 a3Co DS =DV Cao Co nv Na。（单位体积内所含空位 数） nv N -Ca。 2 r 3 8兀

10、r L 0 =96兀 DSba0 96 Do 二 ao 8KTL tf t 17 将（2）式代入（1）中 FCL 98 空聲（tf -t） KTL3 PC =0所需的时间（常数），t为任意 在一定温度时，PC与t成线性，随时间t延长Pei 3烧结末期（气孔排除） （末期气孔封闭，互相独立，包围于四个颗粒 间） （1） 模型正十四面体 气孔集中于角顶呈球状，为四个多面体共 有，故有二十四个气孔， 每个正十四面体 占有今=6个气孔 4 （2） 前提：d =246J借用同心球壳热扩散 公式 J =45，C（JbrH 讥 rb rb -G J =4二 DV C ra pl / H =6J =24二 D

11、V Q q3 dt 3 将DV二詈 C =着討代入上式 Cao KT ra 3 积分后 v =48 D；、a。（tf t） v =8一2L3 （十四面 KT 18 体）19 第四节晶体长大动力学 晶体的长大始于烧结中期，是烧结末期的 主要过程之一，表现为晶界的移动。 1、晶界移动的推动力 * （凸）凸） 07 （凹） 则A方质点有自发移向B方的趋势 2晶粒的等温生长（模型多面体） 所有晶界移动的结果均趋向于夹角为 1200 的直晶界，如果边数大于6的颗粒（截面），因 120呈凹边界（晶界），小于6的颗粒为使夹角 120呈凸边界。 晶粒等温长大总是边数多的晶粒长大，而 小于6的晶粒缩小 凸，凹小

12、于6，大于6PC = 3 6 二 Ds；a0 、2(tf -t) （仅适用于j：2% ） =GB 20 3动力学方程 ：G为颗粒移动动力，推动力兰丄（成正比） 细分散的物料，烧结时取 - T晶粒半径长大速度推动力（，G）数值 y 积分r2-02冷t二kt （ r0为t=0时半径，r dt r 2 瞬时半径，t为烧结时间） InrInt作图斜率为* （气孔、杂质的影响） 影响烧结的主要因素 溶解-沉淀机理 温度与保温扩时散 利于烧结冃 蒸发-凝聚机理T 乂 P气 综合考虑确定烧结温度 r L ro Inr inklnt 2 2 第五节 1、T =GB - G A 2 P :0 21 2、保温时间

13、 由烧结机理可知，只有体积扩散才导致坯体 的致密化，表面扩散只能改变气孔的形状，而不 能引起颗粒中心距的逼近，因此，不出现致密化 过程，在烧结高温阶段主要以体积扩散为主， 而 在低温阶段以表面扩散为主，如果材料在低温时 间长，不仅不引起致密化，反而会因表面扩散而 给制品性能带来损害，因而理论上应尽可能快地 从低温升到高温，以为体积扩散创造条件。低温 保温没有意义。 3、 二、原料活性，晶格活化 1预烧得到高活性的原料 预烧时间不宜长，温度要合适 2原料具有一定的细度，比表面大，活性高 、添加物的影响 1、 形成固溶体，都可因缺陷的生成或晶格的 畸变，而促进烧结 TQ2心3Ti*Ai VAI O

14、O r相近，连续固溶体 畸 变，电价不同，丁宀置换AI3+而产生V”AI 高温下Ti Ti3加剧晶格畸变 更22 促进烧结 2、 形成液相，生成少量的液相可促进固相烧 结 3、抑制晶型转变，有些氧化物烧结时，发生 晶转，并伴有体积效应，这就给致密化带来 困难，造成制品开裂，在工艺上需适当的添 加物加以抑制这种转化。 如:ZO多晶转变，V大，加入5%的CaO （稳 定剂）Ca2+TZr“置换（晶格），电价不等，产 生阴离子空位，同时抑制晶转，促进烧结。 CaO ZrO2 CaZr V % OO 四、 烧成气氛 1、 材料的化学性质，采用氧化或还原性气 氛，非氧化物应在真空或惰性气氛中烧结， 一般难烧结的往往选择真空烧结。 2、 气氛中气体分子大小 在分子小的气氛中易