烧结Microsoft Word 文档

1、第节烧结机理一、 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，强度增加微观：晶界形成，晶体长大，气孔变小2 分类：固相烧结：没有液相参加（或液相很少2%-5%）液相烧结：有液相参加，液相量达10-30%热压烧结：烧结有特殊机理，提高烧结推动力二、 烧结动力学（推动力）1 曲面压差2 颈部浓度差 C对于一个不受应力（无附加压差）的晶体，空位浓度与 有关，和形成空位所需的能量 有关若质点（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），则形成一个空位时，毛细管力所做的功 （体积功）故 在

2、颈部表面形成一个空位所需的能量为相应空位浓度为： 3 气相传质>>导致：凸 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部位扩散，而固体质点则向颈部逆向扩散，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

3、颈部长大3、溶解沉淀机理（液相烧结）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）滑动，增大接触面第节烧结动力学一、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；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

4、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小和致密度的增加，常用收缩和密度值来衡量烧结程度。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： 由于烧结初期很小，cos =1 故得可见勾股定理：则：三、固体烧结动力学1、烧结初期：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 （1） 为

5、空位扩散系数， 为扩散面积， 为颈部表面曲率半径， 颈部表面与平面间空位浓度差，设扩散距离也为代入（1）式后，积分求解化简后得： （）颈部增长率：）收缩率：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：扩散机理：nq体扩散4-5表面扩散7晶界扩散6-7 讨论：（1） 对 作图，可求出斜率 例如： 烧结初期 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的（低温收缩大，小时达到烧结）（3）粒度的影响烧结速度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

6、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，十二面体的边长为对一个十二面体来说，气孔体积为：整个十二面体体积为： 则坯体的气孔为：（2） 前提：气孔的排除速度 应等于其面上的扩散流量（一个接触面由两个单面合成，两个十二面体共用）单位时间内每一个面上总流量为：借用中心筒传热公式， （放射状扩散，表面冷却，中心部分加热的圆筒形导体）类比：令： （r 为气孔的半径）考虑到分支扩散对圆筒 （单位体积内所含空位数） 则：将（2）式代入（1）中=0 所需的时间（常数），t为任意在一定温度时，与成线性，随时间t延长3 烧结末

7、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个气孔（2） 前提： 借用同心球壳热扩散公式将 代入上式积分后 （十四面体） （仅适用于）第节 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) （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120的直晶界，如果边数大于6的颗粒（截面），因呈凹边界（晶界），小于6的颗粒为使夹角呈凸边界。晶粒等温长大总是边数多的晶粒长大

8、，而小于6的晶粒缩小凸凹 小于6大于6 3 动力学方程为颗粒移动动力，推动力（成正比）细分散的物料，烧结时取晶粒半径长大速度推动力（）数值 积分 （为时半径，瞬时半径，为烧结时间）作图斜率为（气孔、杂质的影响）溶解-沉淀机理 ，第节 影响烧结的主要因素扩散机理 一、 温度与保温时间 1、利于烧结蒸发-凝聚机理综合考虑确定烧结温度2、保温时间 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

9、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，活性高三、 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 r 相近，连续固溶体畸变，电价不同，置换而产生高温下加剧晶格畸变更促进烧结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：多晶转变，大，加入5%的（稳定剂）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。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于烧结3、 氧化气氛常常可促进烧结氧化物表面吸附相当数量的氧，形成非化学计量的化合物，产生阳离子空位，促进烧