第6章第二节粉末体烧结课件

6.2粉末体烧结烧结原理烧结工艺6.2粉末体烧结烧结原理1第二节粉末体烧结粉末成形存在的问题？

坯体经干燥或预烧结后仍是粉末颗粒之间的机械咬和，强度低，不能直接应用。解决办法？高温烧结技术----使粉末颗粒间增加粘结面，降低表面能，形成稳定和所需强度的块体材料。第二节粉末体烧结粉末成形存在的问题？2烧结：指在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化，由松散状态逐渐致密化，且机械强度大大提高的过程。一.烧结原理概述烧结分类：固相烧结液相烧结烧结单元系烧结多元系烧结烧结烧结：指在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化，由松散状态3一.烧结原理在烧结中的物理化学变化包括：a.有机物的挥发、坯体内应力的消除、气孔率的减少；b.原子的扩散、粘性流动和塑性流动；c.二次再结晶过程和晶粒长大；d.生成液相时还可能发生固相的溶解与析出。烧结的本质：

1949年，库钦斯基用实验证实烧结时的物质迁移机制主要为体积扩散。

一.烧结原理在烧结中的物理化学变化包括：烧结的本质：4烧结的驱动力：一般为体系的表面能和缺陷能

粉料越细则其比表面积越大，即表面能越高；物质的缺陷浓度越高，其缺陷能也越高。烧结实际上是体系表面能和缺陷能降低的过程，因此原料越细，烧结驱动力往往越大。烧结原动力：烧结颈部与粉末颗粒其它部位之间存在化学位差，有三种表现形式。1.烧结驱动力烧结的驱动力：一般为体系的表面能和缺陷能1.烧结驱动力5烧结原动力表现形式：a.表面张力造成的一种机械力，它垂直作用于烧结颈曲面上使烧结颈向外扩大，最终形成孔隙网。b.过剩空位浓度梯度,引起烧结颈表面下微小区域内的空位向粉末颗粒内扩散，造成原子在相反方向上的迁移，使颈部得以长大。c.烧结颈表面与克里表面间存在的蒸汽压之差，导致物质向烧结颈迁移。烧结原动力表现形式：a.表面张力造成的一种机械力，它垂6一.烧结原理烧结过程的传质机理很复杂，目前大体上有四种说法粘塑性流动过程扩散过程，包括体积、表面和界面的扩散溶解-沉析过程蒸发-凝结过程2.烧结时的物质迁移一.烧结原理烧结过程的传质机理很复杂，目前大体上有四种说法粘7表面迁移

---由物质在颗粒表面流动引起，表面扩散和蒸发-凝聚是主要的表面迁移机制；烧结体的基本尺寸不发生变化，密度保持原来的大小。体积迁移

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包括体积扩散、塑性流动以及非晶物质的粘性流动；引起烧结体基本尺寸的变化；主要发生在烧结的后期。烧结时物质的迁移机制：表面迁移、体积迁移表面迁移---由物质在颗粒表面流动引起，表面扩散和蒸发-8初期烧结颈形成阶段：通过形核、长大等原子迁移过程，颗粒间的原始接触点或面转变成晶粒结合，形成烧结颈。中间烧结颈长大阶段：原子向颗粒粘结面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距缩小，孔隙的结构变得光滑，形成连续的孔隙网络。最终烧结阶段：是一个缓慢的过程，借助于体积扩散机制将发生孔隙的孤立、球化及收缩。3.烧结的基本过程初期烧结颈形成阶段：通过形核、长大等原子迁移过程，颗粒间的原9第6章第二节粉末体烧结课件10材料的烧结过程TEM图像材料的烧结过程TEM图像11烧结气氛－由于粉末坯体烧结时往往具有较高的比表面积和温度，因此需要通入适当的气体防止有害反应的发生。压力－为了加速瓷料的烧结，提高瓷件的致密度，在给瓷料加高温的同时施加外力，以增加烧结驱动力。添加剂与活化烧结－采用化学或物理的措施，使烧结温度降低，加速烧结过程，或使烧结体密度和性能得以提高的方法称活化烧结。4.影响烧结的因素依靠外在条件变化活化烧结过程提高粉末本身活性烧结气氛－由于粉末坯体烧结时往往具有较高的比表面积和温度，因12a.烧结温度升高收缩率增大b.烧结时间延长收缩率增大c.粉末粒度越细收缩率越高d.压制压力越高烧结体密度越高e.压制压力越高烧结体密度增大的幅度越小f.粉末越细致密化速率越快烧结过程的实验规律a.烧结温度升高收缩率增大烧结过程的实验规律13二、烧结工艺烧结工艺无压烧结加压烧结反应烧结微波烧结电火花等离子烧结固相烧结液相烧结热压烧结热等静压烧结烧结-热等静压二、烧结工艺烧结工艺无压烧结加压烧结反应烧结微波烧结电火花等141.无压烧结

---指在大气压或真空状态下，将压制的坯体置于烧结炉中，按一定的烧结制度进行加热的普通烧结，是相对于加压烧结而言的。烧结过程要经历三个阶段：升温阶段，保温阶段和冷却阶段。液相烧结—凡有液相参加的烧结.固相烧结—传质机理主要是蒸发-凝聚和扩散传质。1.无压烧结---指在大气压或真空状态下，将压制的坯体152.加压烧结

---加压和加热同时并用，以达到消除孔隙的目的，从而大幅度提高粉末制品的性能。常用的加压烧结工艺有热压、热等静压及烧结-热等静压。热压---将粉末装在压模内，在加压的同时把粉末加热到熔点以下，使之加速烧结成比较均匀致密的制品。热等静压---把粉末压坯或把装入特制容器内的粉末置于热等静压机高压容器内，使其烧结成致密的材料或零件的过程。烧结-热等静压---

把压坯放入烧结-热等静压设备的高压容器内，先进行脱蜡、烧结，再充入高压气体进行热等静压。2.加压烧结---加压和加热同时并用，以达到消除孔隙的163.反应烧结—先将原材料（如制备Si3N4时使用Si粉）粉末以适当方式成形后，在一定气氛中（如氮气）加热发生原位反应合成所需的材料并同时发生烧结。4.微波烧结—材料内部整体地吸收微波能并被加热，使得在微波场中试样内部的热梯度和热流方向与常规烧结的试样相反。5.电火花等离子烧结—也叫等离子活化烧结或电火花等离子烧结，是利用粉末间火花放电多产生的等离子活化颗粒，同时在外力作用下进行的一种特殊烧结方法。3.反应烧结—先将原材料（如制备Si3N4时使用Si粉）粉末17二.烧结工艺4.微波烧结微波烧结过程的主要特点微波特性优点（与常规加热方式比较）缺点穿透辐射，直接整体加热从内部加热材料，试样的表面温度较低；倒置的温度梯度；临时功率/温度响应；在清洁环境下加热材料微波透明材料很难被加热；不良导体材料内部会形成大的温度梯度可控的能量（场）分布瞬时能量高度集中；优化功率-时间曲线，提高产量及改进质量；可以遥控操作，过程自动化设备较为复杂、贵重；设备需专门设计在临界温度以上材料的介电损耗迅速增加快速加热（比常规快5~50倍）；快速干燥、排胶、不会引起开裂；降低过程成本（节省能源、时间、空间、劳动力等）过快加热会导致“热斑”及“热失控”；试样内部温度难于精确测定对材料组分的耦合程度不同，选择性加热可选择地加热材料内部或表面相；通过添加剂或表面涂层等可实现对微波透明型材料的烧结有时会与不希望的杂质反应或与绝热层相污染自控加热当某一组分加热完成后，选择性加热可自行终止难于维持某个确定温度二.烧结工艺4.微波烧结微波烧结过程的主要特点优点（与常规18概念：是利用粉末间火花放电所产生的等离子活化颗粒，同时在外力作下用进行的一种特殊烧结方法。等离子在烧结方面的应用有以下特点：①烧结速率快；②烧结体具有较小的晶粒尺寸；③可烧成难烧结的材料，并且可获得较高烧结密度；④烧结材料的最终收缩和收缩率大；⑤烧结得到的材料具有较高的室温力学性能。

二.烧结工艺5.电火花等离子烧结概念：是利用粉末间火花放电所产生的等离子活化颗