第九章材料科学基础武汉理工大学陆佩文.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑第九章材料科学基础武汉理工大学陆佩文 第九章 烧结 内容提要：本章表达1、烧结定义、推动力和根本模型2、分析纯固态和有液相参与的烧结过程中，四种根本传质产生的理由、条件、特点和动力学方程3、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的操纵和影响烧结的因素4、特种烧结原理简介 重点：1、四种根本传质产生的理由、条件、特点和动力学方程2、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的操纵和影响烧结的因素 烧结的目的：是把粉状物料转变为致密体 烧结致密体的显微布局：是由晶体、玻璃体和气孔组成 §9-1概述 一、烧结定义 1、烧结的物理过程 颗粒间接触面积扩大；颗粒聚集；颗粒中心距迫近；逐步形成晶界；气孔外形变化；体积缩小；从连通的气孔变成各自独立的气孔并逐步缩小，以致结果大片面甚至全部气孔从晶体中摈弃 2、烧结的定义 （1）根据烧结粉末体所展现的宏观变化： 烧结过宏观定义是：一种或多种固体（金属、氧化物、氮化物、粘土等）粉末经过成型，在加热到确定温度后开头收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体，这种过程称为烧结 （2）烧结的微观本质认为：由于固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。

（3）衡量烧结程度的指标： ①坯体收缩率 ②气孔率 ③ 吸水率 ④相对密度 二、与烧结有关的概念 1、烧结与烧成 烧结：包括多种物理和化学变化 烧成：仅指粉料经加热而致密化的简朴物理过程 2、烧结与熔融 烧结是在低于固态物质的熔融温度下举行的 烧结温度和熔融温度的关系： 金属粉末 Ts ≈ ( 0.3 ～ 0.4 ) TM 盐 类 Ts ≈ 0.57 TM 硅 酸 盐 Ts ≈ ( 0.8 ～ 0.9 ) TM 3、烧结与固相回响 一致点：均在低于材料熔点或熔融温度下举行，并且过程中都至少有一相是固相 不同点：固相回响至少有两组分加入，并发生化学回响，生成化合物；烧结可以是单组分或两组分加入，两组分间不发生化学回响烧结使材料更加致密，但布局并不发生变化 三、烧结过程推动力 粉状物料的外观能大于多晶烧结体的晶界能，这是烧结过程的推动力粉体经烧结后，晶界能取代了外观能，这是烧结后多晶材料稳定存在的理由 通常用γGB∕γSV之比来衡量烧结的难易，愈小愈轻易烧结。

对球形曲面：弯曲外观由于外观张力而造成的压差 △P = 2γ∕r 对非球形曲面：△P = γ∕（1∕r1 + 1∕r2） 烧结的推动力：△G = V ﹡△P 结论：△P ∝ γ，△P ∝1∕r ，故粉料越细，烧结的推动力越大 四、烧结模型 G·C·Kuczynski首先提出粉末压块用两个等径球体作为烧结模型随着烧结的举行，各接触点处开头形成颈部，并逐步扩大，结果烧结成一个整体由于各颈部所处环境和几何条件一致，所以只需确定二个颗粒颈部成长速率就根本代表粉体烧结初期的动力学关系双球模型的中心距可以有二种处境：一种中心距不变；另一种中心距缩短 §9-2固态烧结 固态烧结的主要传质方式有：蒸发-凝结、分散传质和塑性滚动 一、蒸发-凝结传质 1、理由： 蒸发-凝结传质产生的理由是粉末体球形颗粒凸面与颗粒接触点颈部之间的蒸汽压差物质将从蒸汽压高的凸面蒸发，通过气相传递而凝结到蒸汽压低的凹形颈部，从而使颈部逐步被填充 2、条件： 蒸发-凝结传质发生的条件是几微米的粉末体，蒸汽压最低为10~1Pa，显示出传质效果 3、颈部增长速率： ?3??MP0??33?r?2R2T2d2?x32?21??r?3?t3???13注：①接触颈部的生长ｘ/r∝t1/3 ，对蒸发-凝结传质用延长烧结时间不能达成促进烧结的效果。

②从工艺操纵考虑，两个重要的变量是原料起始粒度r和烧结温度T ｘ/r ∝ r-2/3 ，r越小，ｘ/r越大 ｘ/r ∝ Po1/3/T1/2 ， Po ∝ Tn ，T ↑，Po↑，ｘ/r↑ o 由于蒸汽压Po随温度呈指数地增加，因而提高温度对烧结有利 4、蒸发-凝结传质的特点： 颈部区域扩大，球的外形变更为椭圆，气孔外形变更，但球与球之间的中心距不变，坯体不收缩，即?LL?0坯体致密度不变 二、分散传质 1、理由： 产生分散传质的理由是颗粒不同部位空位浓度差 2、传质机理： 由于不同部位空位浓度不同，就产生了一种传质趋势颈外观张应力区空位浓度大于晶粒内部，受压应力的颗粒接触中心空位浓度最低 分散首先从空位浓度最大部位（颈外观）向空位浓度最低的部位（颗粒接触点）举行其次是由颈部向颗粒内部分散空位分散即原子或离子的反向分散因此分散传质时，原子或离子由颗粒接触点向颈部迁移，达成气孔充填的结果 3、分散传质的动力学（各阶段坯体的变化、烧结时需操纵的变量） （1）烧结初期 ①坯体变化： 气孔率大，以外观分散为主，收缩约在1﹪左右。

②动力学方程： 颈部增长速率： 颗粒中心距迫近速率： xr?(160??DkT?3*1)5r?351t5*2652?VV?LL?3(5??DkT)5r?t5由方程启程，从工艺操纵考虑，在烧结时需操纵的变量： I 烧结时间：由于ｘ/r ∝ T1/5 ΔL/L ∝ T2/5 ，故以分散传质为主要传质手段的烧结，延长烧结时间来达成坯体致密化的目的是不妥当的此类烧结宜采取较短的保温时间 II 原料的起始粒度：ｘ/r ∝ r-3/5 在分散传质的烧结过程中，起始粒度的操纵相当重要 III 烧结温度：温度对烧结过程有抉择性作用从公式中，温度T展现在分母上，貌似温度升高，ΔL/L、ｘ/r会减小但实际上温度升高，自分散系数D*明显增大，故升高温度必然加快烧结的举行 （2）烧结中期 ①坯体变化： 颗粒开头粘结，颈部扩大，气孔由不规矩外形变成由三个颗粒包围的圆柱形管道，气孔相互连通晶界开头移动，晶粒正常生长以晶界和晶格分散为主气孔率5﹪，收缩达80﹪～90﹪ ②动力学方程： 坯体气孔率与烧结时间的关系： Pc ∝ t ,因而烧结中期致密化速率最快。

（3）烧结后期 ①坯体变化：气孔完全孤立，晶粒明显长大，坯体收缩达90﹪～100﹪ ②烧结后期空隙率： §9-3液相参与的烧结 液相烧结：凡有液相加入的烧结过程称为液相烧结 液相烧结与固相烧结的异同点： 共同点：液相的推动力都是外观能 不同点：由于滚动传质速率比分散传质快，因而液相烧结致密化速率高液相烧结速率与液相数量、性质、固-液润湿处境等因素有关因而定量研究比固相烧结更为繁杂和困难 液相烧结的类型： 根据液相数量及液相性质可分为两类三种处境如表9-3 液相参与的烧结传质方式主要有滚动传质（粘性滚动和塑性滚动）和溶解-沉淀传质 一、滚动传质 1、粘性滚动 粘性滚动传质是大多数硅酸盐材料烧结的主要传质过程在液相烧结时，由于高温下粘性液体（熔融体）展现牛顿型滚动而产生的传质称为粘性滚动传质 （1）理由 （2）动力学关系： 颈部增长速率： PC?10?D*???KTL3(tf?t)Pt?6?D*???2KTL3(tf?t)xr?(3?2?)?r12?12?t12由颗粒间中心距迫近而引起的收缩： ?VV?3?LL?9?4?r?t抉择烧结速率的三个主要参数是：颗粒起始粒度r、粘度?和外观张力γ。

尤为留神操纵的是粘度随温度的急速变化 2、塑性滚动： 当坯体中液相含量很少时，高温下的滚动传质属于塑性滚动也即只有作用力超过屈服值f，滚动速率才与作用的剪切应力成正比 溶解-沉淀传质：当存在有固液两相的烧结中，当固相在液相中有可溶性，这时烧结过程就由凸面（或小颗粒）溶解，通过液相传质而到凹面（或大颗粒）上沉淀，直至晶粒长大和获得致密的烧结体 二、溶解-沉淀传质 1、条件 （1）显著的液相量 （2）液相润湿固相 （3）固相在液相中有确定的溶解度 2、理由（推动力）：外观能 （溶解度差） 3、过程 （1）颗粒重排 即通过粘性滚动在一些颗粒接触点上由于局部应力的作用而举行重新排列，结果得到了更精细的聚积这阶段致密化速率是与粘性滚动相应，线收缩与时间呈线性关系ΔL/L ～t1+χ （2）溶解-沉淀传质 根据液相量不同分两种处境：颗粒在接触点处溶解到自由外观沉积和小晶粒溶解至大晶粒处沉积 线收缩：ΔL/L ∝ r-4/3 t1/3 当T、r确定时，ΔL/L = K t1/3 4、影响因素： （1）颗粒起始粒度 （2）粉末特性 （3）液相数量 （4）烧结温度 三、不同烧结及传质机理对比 以上简述了四种烧结传质过程，在实际烧结过程中，这四种传质过程可以单独举行或几种传质同时举行。

但每种传质的产生都有其特有的条件，下图列出了各种传质的综合对比见P297表9-4 §9-4晶粒生长与二次再结晶 再结晶与晶粒长大是与烧结并行的高温动力学过程，更加是晶粒长大与二次再结晶过程往往与烧结中期、后期的传质过程是同时举行的，它对烧结过程和烧结体的显微布局和性能有不成忽略的影响 一、 初次再结晶 — 8 —。