高二物理竞赛课件物理烧结过程

物理烧

结

过

程一种或多种固体（金属、氧化物、氮化物、粘土等）粉末经压制成为坯体，坯体中含有大量气孔，颗粒之间的接触面积较小，强度较低。烧结---将坯体加热到一定温度后，坯体中颗粒开始相互作用，气孔逐渐收缩，气孔率逐渐减少，颗粒接触界面逐渐扩大为晶界，最后数个晶粒相互结合，产生再结晶和晶粒长大，坯体在低于熔点温度下变成致密，坚硬的烧结体线收缩率、强度、容重或气孔率等物理指标衡量物料的烧结过程烧结是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高温材料等生产过程的一个重要工序材料性能不仅与材料的组成（化学组成和矿物组成）有关，还与材料显微结构密切相关当某种材料的配方、原料颗粒、混合与成型工艺确定后，烧结过程是材料获得预期显微结构的关键工序了解烧结过程现象及机理，掌握烧结过程动力学对材料显微结构影响规律，对材料的制备和应用具有重要的指导意义烧结是一个复杂物理化学过程，除了物理变化之外，有时还伴随有化学变化，如固相反应高纯物质的烧结体系在烧结温度下基本上不会出现液相，而多组分物系在烧结温度下常伴随有液相的产生无液相参与的烧结即只在单纯固体之间进行的烧结称为固相烧结，有液相参与的烧结称为液相烧结

烧结是一个古老的工艺过程，人类很早就利用烧结工艺来制备陶瓷、水泥、耐火材料系统开展烧结机理以及烧结动力学的研究从二十世纪才开始的。目前对烧结过程机理以及各种烧结机制动力学研究已经比较完善对解决各类材料烧结技术与工艺，有效控制材料制品的显微结构与性能以及发展各类新型的材料都有极为重要的意义。烧结过程影响因素很多，烧结动力学方程都是在一定的理想模型的条件下获得的，对真正定量解决复杂多变实际烧结问题还有相当距离，有待进一步研究

烧结定义国际标准组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）：加热至粉体主成分熔点以下温度，通过粉体颗粒间粘结使粉体或其压坯产生强度的热处理过程理化学词典（日本）：将粉体加热到熔点以下或生成部分液相的温度时，成为具有烧紧程度固体现象材料大词典：通过加热使粉体产生颗粒粘结，经过物质的迁移使粉体产生强度并导致致密化的再结晶过程烧结过程有两个共性的基本特征：一是需要高温加热，第二是烧结的目的是为了使粉体致密，产生相当强的机械强度

现代烧结理论研究1910年，Coolidge成功实现钨的粉末冶金工作，标志近代烧结技术的开始此后陆续开展了单元体系（单元氧化物如Al2O3、MgO，单元金属等）的烧结研究上世纪三十年代初，对金属粉末的烧结进行了详细研究，提出了烧结的定义：烧结是“金属粉末颗粒粘结和长大的过程”1938年，研究了液相烧结的溶解-析出现象，提出了解释大颗粒长大的理论模型这些烧结理论模型大多建立在对烧结过程中颗粒长大现象的维象解释上----最初期和原始的烧结理论二次世界大战期间军工产业繁荣极大地促进金属材料制备技术与相关科学理论的发展，烧结理论研究也进入新阶段苏联学者两篇论文“结晶体中的粘性流动”（TheViscousFlowinCrystalBodies）“结晶体表面蠕变与晶体表面粗糙度”（OntheSurfaceCreepofParticlesinCrystalandNaturalRoughnessoftheCrystalFaces）第一次建立了基于两个圆球粘结简化模型，提出由空位流动进行传质的烧结机制，考虑了颗粒表面微粒子的迁移对烧结传质过程的重要作用第一次将烧结理论研究深入到原子水平，考虑晶体内空位和晶体表面原子迁移等现象，代表了烧结理论第一次突破1949年论文“金属颗粒烧结过程中的自扩散”（Self-diffusioninSinteringofMetallicParticles），在板-球模型上建立了烧结初期基于各种扩散与蒸发-凝聚机制的较为系统的物质传质与迁移理论上世纪七十年代后，以量子力学等为代表的新兴物理学理论以及计算机科学技术在材料科学，包括烧结理论研究中得到广泛应用，烧结理论进入到了新的阶段Samsonov用电子稳定组态理论对活化烧结现象进行了解释Rhines和Kuczynski分别提出了烧结拓扑理论和统计理论Ashby提出了热压、热等静压等加压烧结条件下的蠕变模型这些理论建立在新兴物理学和现代烧结技术发展的基础上，反过来又极大地促进了烧结理论在金属、陶瓷及复合材料等先进材料的研究和开发

1965年，Nichols用计算机模拟技术对烧结颈演化过程进行了模拟研究1974年Ashby将计算机模拟用于压力-烧结图的预报八十年代后期多个研究小组开始用计算机模拟烧结过程中晶粒生长问题，计算机模拟烧结过程的相关研究进入了快速发展的阶段计算机模拟烧结过程对象经历了从简单烧结物理模型到复杂的、接近实际过程的复杂烧结物理模型的变化1990年Ku等人针对经反应烧结制备氮化硅陶瓷过程建立了晶粒模型（GrainModel）和尖锐界面模型（SharpInterfaceModel）目前对烧结过程的机理以及各种烧结机制的动力学研究已经比较完善。研究结果对解决各类材料的烧结技术与工艺，有效控制材料制品显微结构与性能以及发展各类新型材料有极为重要的意义烧结过程是一个复杂的工艺过程，影响因素很多，已有的烧结动力学方程都是在相当理想和简化的物理模型条件下获得的，对真正定量地解决复杂多变的实际烧结问题还有相当的距离，尚有待进一步研究三、烧结过程被烧结的对象是一种或多种固体（金属、氧化物、非氧化物类、粘土等）松散粉末，它们经加压等成型方法加工成坯体（又称粉末压块，Compact）坯体中通常含有大量气孔,一般约在35%~60%，颗粒之间虽有接触，但接触面积小且没有形成粘结，因而强度