陶瓷中的扩散

第四章陶瓷的烧结与扩散作业题一1举例分析陶瓷材料中离子晶体所占比例依据?

侧重电负性角度2试分析组群状硅酸盐中绿宝石的晶体结构。3石英晶体与石英玻璃的主要区别是什么？绘图说明。

旨在分析非晶态与晶态结构特征4试分析陶瓷烧结过程中的几种物质传递方式。CompanyLogo第二章非晶态与玻璃结构石英晶体：[SiO4]有着严格的规则排列。石英玻璃：各[SiO4]都通过顶点连接成为三维空间网络，而且[SiO4]的排列是无序的，缺乏对称性和周期性的重复。CompanyLogo第二章非晶态与玻璃结构晶体：原子排列具有长程有序（晶格具有周期性）非晶体结构晶体结构非晶体：原子排列具有长程无序，但短程有序（晶格无周期性）建议：1）课下阅读；2）总结归纳；

CompanyLogo第四章陶瓷的烧结与扩散4.1概述（了解烧结的过程与分类）4.2烧结参数及其对烧结性能的影响（掌握）4.3固相烧结过程及机理（了解）4.4液相烧结过程与机理（了解）4.5特色烧结方法（理解）4.6烧结设备（了解）4.7最佳烧成制度的确定（掌握）CompanyLogo第四章陶瓷的烧结与扩散4.5特色烧结方法4.5.1热压烧结4.5.2热等静压4.5.3放电等离子体烧结4.5.4微波烧结4.5.5反应烧结4.5.6爆炸烧结第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.1热压烧结4.5特色烧结方法热压烧结（hotpressing）是在烧结过程中同时对坯料施加一定的压力，加速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时间更短。热压技术已有70年历史，最早用于碳化钨和钨粉致密件的制备。现在已广泛应用于陶瓷、粉末冶金和复合材料的生产。第四章陶瓷的烧结与扩散

热压装置示意图4.5.1热压烧结4.5特色烧结方法第四章陶瓷的烧结与扩散ZRYS-真空热压烧结炉系列4.5.1热压烧结4.5特色烧结方法第四章陶瓷的烧结与扩散VHPSF真空热压烧结炉主要技术数据：specification○最高温度（maxtemp）:2000℃

○容量（capacity）15-180kg

○极限真空度（ultinmatepressure)2*10-3Pa

○压升率（pressurerisingrate）≤0.67Pa/h

○热区温度均匀性（Tempuniformity)±5℃

○最高充气压力（Maxgaspressure)0.18Mpa

○液压机压力（Loadofhydraulicpress)500T4.5.1热压烧结4.5特色烧结方法第四章陶瓷的烧结与扩散真空热压烧结炉主要技术参数：○最高温度：2000℃（也可做2300℃）○工作区尺寸：Ф160χ160mm○额定功率：40KW○极限真空度：6.67χ10-3Pa○液压系统压强：>16MPa○压力输入：电动压力线性可调○压头直径：80-120mm（由用户选择）○显示方式：位移、压力数字显示4.5.1热压烧结4.5特色烧结方法第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.1热压烧结4.5特色烧结方法（1）所需的成型压力仅为冷压法的1/10（2）降低烧结温度和缩短烧结时间，抑制了晶粒的长大。（3）易得到具有良好机械性能、电学性能的产品（烧成的陶

瓷晶粒度小）。（4）气孔率接近于零，密度接近于理论密度。（5）能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。（一）热压烧结的优点热压法的缺点:连续热压烧结生产效率高，但设备与模具费用较高，又不利于过高过厚制品的烧制。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.1热压烧结4.5特色烧结方法（二）热压装置和模具电阻间热式感应间热式电阻直热式感应直热式第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法等静压等静压技术是一种利用密闭高压容器内制品在各向均等的超高压压力状态下成型的超高压液压先进设备。等静压工作原理为帕斯卡定律：“在密闭容器内的介质（液体或气体）压强，可以向各个方向均等地传递。”等静压技术已有70多年的历史，初期主要应用于粉末冶金的粉体成型；近20年来，等静压技术已广泛应用于陶瓷铸造、原子能、工具制造、塑料、超高压食品灭菌和石墨等领域。等静压技术按成型和固结时的温度高低，分为冷等静压、温等静压、热等静压三种不同类型。

第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法等静压与常规成型技术相比的特点（1）制品密度高，一般要比单向和双向模压成型高5～l5。热等静压制品相对密度可达998％～99．09％。（2）压坯的密度均匀一致。在模压成型中，无论是单向、还是双向压制，都会出现压坯密度分布不均现象。这种密度的变化在压制复杂形状制品时，往往可达到10%以上。这是由于粉料与钢模之间的摩擦阻力造成的。等静压流体介质传递压力，在各方向上相等。包套与粉料受压缩大体一致，粉料与包套无相对运动，它们之间的摩擦阻力很少，压力只有轻微地下降，这种密度下降梯度一般只有1%以下，因此，可认为坯体密度是均匀的。

第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法等静压与常规成型技术相比的特点（3）因为密度均匀．所以制作长径比可不受限制，这就有利于生产棒状、管状细而长的产品。（4）等静压成型工艺，一般不需要在粉料中添加润滑剂，这样既减少了对制品的污染，又简化了制造工序。（5）等静压成型的制品，性能优异，生产周期短，应用范围广。等静压成型工艺的缺点：工艺效率较低，设备昴贵。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法等静压冷等静压技术(Cold

Isostatic

Pressing,简称CIP)冷等静压技术，是在常温下，通常用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质主要用于粉体材料成型，为进一步烧结，煅造或热等静压工序提供坯体。一般使用压力为100~630MPa。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法等静压美国AvureTechnologies公司冷等静压机超高压容器第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法等静压温等静压技术

温等静压技术，压制温度一般在80～120℃下．也有在250~450℃下，使用特殊的液体或气体传递压力，使用压力为300MPa左右。主要用于粉体物料在室温条件下不能成型的石墨、聚酰胺橡胶材料等。以使能在升高的温度下获得坚实的坯体。

第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法等静压热等静压技术(hot

isostatic

pressing，简称HIP)

热等静压技术(HIP)，是一种在高温和高压同时作用下，使物料经受等静压的工艺技术，它不仅用于粉末体的固结．睫传统粉末冶金工艺成型与烧结两步作业一并完成．而且还用于工件的扩散粘结，铸件缺陷的消除，复杂形状零件的制作等。在热等静压中，一般采用氩、氨等惰性气体作压力传递介质，包套材料通常用金属或玻璃。工作温度一般为1000~2200℃，工作压力常为100~200MPa第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法等静压美国AvureTechnologies公司热等静压机第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法基本原理：以气体作为压力介质，使材料（粉料、坯体或烧结体）在加热过程中经受各向均衡的压力，借助高温和高压的共同作用促进材料的致密化。目前，热等静压技术的主要应用有：金属和陶瓷的固结，金刚石刀具的烧结，铸件质量的修复和改善，高性能磁性材料及靶材的致密化。热等静压技术(hot

isostatic

pressing，简称HIP)第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法（一）热等静压的优点（1）陶瓷材料的致密化可以在比无压烧结或热压烧结低得多的温度下完成，可以有效地抑制材料在高温下发生很多不利的发应或变化；（2）能够在减少甚至无烧结添加剂的条件下，制备出微观结构均匀且几乎不含气孔的致密陶瓷烧结体；（3）可以减少乃至消除烧结体中的剩余气孔，愈合表面裂纹，从而提高陶瓷材料的密度、强度；（4）能够精确控制产品的尺寸与形状，而不必使用费用高的金刚石切割加工，理想条件下产品无形状改变。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法（一）热等静压设备结构特点热等静压设备由压力容器、加热炉、压缩机、真空泵、冷却装置和计算机控制系统组成第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.2热等静压烧结4.5特色烧结方法（二）热等静压烧结工艺直接HIP工艺流程图后HIP工艺流程图第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.3放电等离子烧结4.5特色烧结方法放电等离子体烧结工艺(SparkPlasmaSintering，简写为SPS)（1）相关概念放电等离子烧结（SPS），是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术。它是利用放电等离子体进行烧结的。等离子体是指包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统。SPS技术利用的是采用直流放电法产生的等离子体，是一种热等离子体，温度可达5000K以上。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.3放电等离子烧结4.5特色烧结方法放电等离子体烧结工艺(SparkPlasmaSintering，简写为SPS)（2）SPS烧结原理SPS技术是通过将特殊电源控制装置发生的ON-OFF直流脉冲电压加到粉体试料上，除了能利用通常放电加工所引起的烧结促进作用（放电冲击压力和焦耳加热）外，还有效利用脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象（瞬间产生高温等离子体）所引起的烧结促进作用通过瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.3放电等离子烧结4.5特色烧结方法放电等离子体烧结工艺(SparkPlasmaSintering，简写为SPS)（2）SPS烧结原理SPS的制造商Sumitomo公司的M.Tokita最早提出放电等离子烧结的观点，他认为：粉末颗粒微区还存在电场诱导的正负极，在脉冲电流作用下颗粒间发生放电，激发等离子体，由放电产生的高能粒子撞击颗粒间的接触部分，使物质产生蒸发作用而起到净化和活化作用，电能贮存在颗粒团的介电层中，介电层发生间歇式快速放电。

SPS烧结机理目前还没有达成较为统一的认识，其烧结的中间过程还有待于进一步研究。第四章陶瓷的烧结与扩散放电等离子体形成的机理示意图第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.3放电等离子烧结4.5特色烧结方法放电等离子体烧结工艺(SparkPlasmaSintering，简写为SPS)（3）SPS特点由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动，可使粉末吸附的气体逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化；由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，从而达到粉末烧结的快速化;第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.3放电等离子烧结4.5特色烧结方法放电等离子体烧结工艺(SparkPlasmaSintering，简写为SPS)（3）SPS特点ON-OFF快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件，都会快速移动，使粉末的烧结能够均匀化。使脉冲集中在晶粒结合处是SPS过程的一个特点。在烧结过程中，由于是局部发热，热量立即从发热中心传递到颗粒表面和向四周扩散，颈部快速冷却而使蒸汽压低于其他部位，气相物质凝聚在颈部而达成物质的蒸发-凝聚传递。SPS过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.3放电等离子烧结4.5特色烧结方法放电等离子体烧结工艺(SparkPlasmaSintering，简写为SPS)（3）SPS烧结优点①烧结温度低（比HP和HIP低200-300℃）、烧结时间短（只需3-10min，而HP和HIP需要120-300min）、单件能耗低；②烧结机理特殊，赋予材料新的结构与性能；③烧结体密度高，晶粒细小，是一种近净成形技术；④操作简单，不像热等静压那样需要十分熟练的操作人员和特别的模套技术。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.3放电等离子烧结4.5特色烧结方法（3）SPS烧结设备1.上电极2.上压头3.粉末4.下压头5.下电极6.模具

第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.3放电等离子烧结4.5特色烧结方法（3）SPS烧结设备第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.3放电等离子烧结4.5特色烧结方法（4）SPS烧结工艺第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.3放电等离子烧结4.5特色烧结方法（4）SPS烧结体界面第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.4微波烧结4.5特色烧结方法微波烧结（MicrowaveSintering）是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料在电磁场中的介质损耗使材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。目前，微波烧结技术已经被广泛用于多种陶瓷复合材料的试验研究。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.4微波烧结4.5特色烧结方法第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.4微波烧结4.5特色烧结方法（1）微波烧结的技术特点微波与材料直接耦合，导致整体加热

由于微波的体积加热，得以实现材料中大区域的零梯度均匀加热，使材料内部热应力减少，从而减少开裂、变形倾向。同时由于微波能被材料直接吸收而转化为热能，所以，能量利用率极高，比常规烧结节能80%左右。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.4微波烧结4.5特色烧结方法（1）微波烧结的技术特点微波烧结升温速度快，烧结时间短

某些材料在温度高于临界温度后，其损耗因子迅速增大，导致升温极快。另外，微波的存在降低了活化能，加快了材料的烧结进程，缩短了烧结时间。短时间烧结晶粒不易长大，易得到均匀的细晶粒显微结构，内部孔隙少，空隙形状比传统烧结的圆，因而具有更好的延展性和韧性。同时，烧结温度亦有不同程度的降低。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.4微波烧结4.5特色烧结方法（1）微波烧结的技术特点微波可对物相进行选择性加热

由于不同的材料、不同的物相对微波的吸收存在差异，因此，可以通过选择性和加热或选择性化学反应获得新材料和新结构。还可以通过添加吸波物相来控制加热区域，也可利用强吸收材料来预热微波透明材料，利用混合加热烧结低损耗材料。此外，微波烧结易于控制、安全、无污染。第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.4微波烧结4.5特色烧结方法（2）材料与微波的作用类型材料与微波的作用方式示意图第四章陶瓷的烧结与扩散4.5.5反应烧结4.5特色烧结方法

反应烧结（reaction-bo