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School of Materials Science & Engineering 第第1 14 4章章烧烧 结结SinteringSinteringSchool of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 烧结烧结材料性质材料性质  结构结构化学组成、矿物组成化学组成、矿物组成显微结构显微结构晶粒尺寸分布晶粒尺寸分布气孔尺寸分布气孔尺寸分布晶界体积分数晶界体积分数改变改变目的目的：粉状物料变成致密体粉状物料变成致密体陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高温材料陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高温材料……现代无机材料现代无机材料 如：功能瓷：热、声、光、电、磁、生物特性如：功能瓷：热、声、光、电、磁、生物特性 结构瓷：耐磨、弯曲、强度、韧性结构瓷：耐磨、弯曲、强度、韧性……应用应用School of Materials Science & Engineering 如何改变材料性质：如何改变材料性质： 1、、断裂强度断裂强度晶粒尺寸晶粒尺寸G    强度强度 2、气孔、气孔  强度强度(应力集中点应力集中点)；； 透明度透明度(散射散射)；； 铁电性和磁性。

铁电性和磁性School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 主要内容主要内容 1、烧结推动力及模型、烧结推动力及模型 2、固相烧结和液相烧结过程中的、固相烧结和液相烧结过程中的四种基本传质四种基本传质 产生的原因产生的原因、、条件、特点和动力学方程条件、特点和动力学方程 3、烧结过程中、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制晶粒生长与二次再结晶的控制 4、影响烧结的因素影响烧结的因素School of Materials Science & Engineering 收缩收缩a收缩收缩b收缩收缩无气孔的无气孔的多晶体多晶体c说明：说明：a: 颗粒聚焦颗粒聚焦b: 开口堆积体中颗开口堆积体中颗 粒中心逼近粒中心逼近c: 封闭堆积体中颗封闭堆积体中颗 粒中心逼近粒中心逼近烧结现象示意图烧结现象示意图§14§14－－1 1 概述概述School of Materials Science & Engineering a)烧结前烧结前 b)烧结后烧结后 图图 铁铁粉粉烧结的烧结的SEM照片照片School of Materials Science & Engineering 烧结过程中性质的变化：烧结过程中性质的变化：School of Materials Science & Engineering 一、烧结的定义及分类一、烧结的定义及分类物理性质物理性质变化：变化：V   、、气孔率气孔率  、强度、强度   、致密度、致密度 ……定义定义1：一种或多种粉末经成型，在加热到一定温：一种或多种粉末经成型，在加热到一定温 度后开始收缩，度后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体。

在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体缺点缺点：只描述宏观变化，未揭示本质只描述宏观变化，未揭示本质定义定义2：由于分子或原子的吸引，通过加热使粉体产生颗粒粘结，：由于分子或原子的吸引，通过加热使粉体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末产生强度并致密化和再结晶的过程经过物质迁移使粉末产生强度并致密化和再结晶的过程衡量烧结的衡量烧结的指标指标：： 收缩率、气孔率、吸水率、相对密度收缩率、气孔率、吸水率、相对密度School of Materials Science & Engineering o 按照烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类：按照烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类： 固相烧结固相烧结液相烧结液相烧结烧结温度下基本上无液相出烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化物之现的烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程间的烧结过程有液相参与下的烧结，如多组有液相参与下的烧结，如多组分物系在烧结温度下常有液相分物系在烧结温度下常有液相出现近年来，在研制特种结构材料和功能材料的同时，产近年来，在研制特种结构材料和功能材料的同时，产生了一些新型烧结方法如热压烧结，放电等离子体生了一些新型烧结方法。

如热压烧结，放电等离子体烧结，微波烧结等烧结，微波烧结等School of Materials Science & Engineering 图图1 热压炉热压炉School of Materials Science & Engineering o图图2 放电等离子体烧结炉（放电等离子体烧结炉（SPS））School of Materials Science & Engineering o图图3 气压烧结炉（气压烧结炉（GPS））School of Materials Science & Engineering o图图4 微波烧结炉微波烧结炉School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 二、与烧结有关的一些概念二、与烧结有关的一些概念 1、烧结与烧成、烧结与烧成烧成：在一定的温度范围内烧制成致密体的过程烧成：在一定的温度范围内烧制成致密体的过程。

烧结：粉料经加热而致密化的简单物理过程烧结：粉料经加热而致密化的简单物理过程 2、烧结与熔融、烧结与熔融 烧结：至少一组元为固态烧结：至少一组元为固态 熔融熔融 ：：固体熔化成熔体固体熔化成熔体 3、烧结与固相反应、烧结与固相反应 相同点：相同点： 反应进行温度均低于熔点反应进行温度均低于熔点 不同点：是否为化学反应不同点：是否为化学反应School of Materials Science & Engineering 三、烧结过程推动力三、烧结过程推动力 粉状物料的表面能粉状物料的表面能 > 多晶烧结体的晶界能多晶烧结体的晶界能 * 烧结能否自发进行？烧结能否自发进行？ 结论结论：由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比，：由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比， 很小，因而不能自发进行很小，因而不能自发进行，，必须加热必须加热!!School of Materials Science & Engineering 例例：： Al2O3 : 两者差别较大，易烧结；两者差别较大，易烧结； 共价化合物如共价化合物如Si3N4、、SiC、、AlN 难烧结。

难烧结烧结难易程度的判断：烧结难易程度的判断：愈小愈易烧结，反之难烧结愈小愈易烧结，反之难烧结School of Materials Science & Engineering *推动力与颗粒细度的关系：推动力与颗粒细度的关系： 颗粒堆积后，有很多细小气孔弯曲表面由于表面颗粒堆积后，有很多细小气孔弯曲表面由于表面张力而产生压力差，张力而产生压力差， 结论结论：粉料愈细，由曲率而引起的烧结推动力愈大：粉料愈细，由曲率而引起的烧结推动力愈大!!School of Materials Science & Engineering 四、烧结模型四、烧结模型 1945年以前：年以前：粉体压块粉体压块 1945年后，年后，G.C.Kuczynski (库津斯基库津斯基)提出：提出：双球模型双球模型 中中心心距距不不变变中中心心距距缩缩短短School of Materials Science & Engineering §14§14－－2 2 固态烧结固态烧结 对对 象：象： 单一粉体的烧结单一粉体的烧结主要传质方式：主要传质方式：蒸发－凝聚蒸发－凝聚扩扩 散散School of Materials Science & Engineering 一、蒸发－凝聚传质一、蒸发－凝聚传质rx表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压P分别低于和高于平分别低于和高于平面表面处的蒸气压面表面处的蒸气压Po，并可以用开尔文本公式表达：，并可以用开尔文本公式表达：对于球形表面对于球形表面 （（1））对于非球形表面对于非球形表面 （（2））表表面面凹凹凸凸不不平平的的固固体体颗颗粒粒，，其其凸凸处处呈呈正正压压，，凹凹处处呈呈负负压，故存在着使物质自凸处向凹处迁移。

压，故存在着使物质自凸处向凹处迁移School of Materials Science & Engineering 存在范围存在范围：在高温下蒸汽压较大的系统：在高温下蒸汽压较大的系统(NaCl KCl BeO PbO) 硅酸盐材料不多见硅酸盐材料不多见传质原因传质原因：曲率差别产生：曲率差别产生 P条件条件：颗粒足够小，：颗粒足够小，r <10 m定量关系定量关系：：  P ～～ School of Materials Science & Engineering 根据根据烧结的模型烧结的模型(双球模型双球模型中心距不变中心距不变) 蒸发－凝聚机理蒸发－凝聚机理(凝聚速率＝颈部体积增加凝聚速率＝颈部体积增加) 球形颗粒接触面积颈部生长速率关系式球形颗粒接触面积颈部生长速率关系式讨论讨论：：1、、x/r ～～t1/3 ，，证明初期证明初期x/r 增大很快，增大很快， 但时间延长，很快停止但时间延长，很快停止 说明说明：此类传质不能靠延长时间达到烧结。

此类传质不能靠延长时间达到烧结t2、温度、温度 T 增加，有利于烧结增加，有利于烧结3、颗粒、颗粒粒度粒度   ，愈小烧结速率愈大愈小烧结速率愈大4、特点：烧结时颈部扩大，气孔形状改变，但双球、特点：烧结时颈部扩大，气孔形状改变，但双球 之间中心距不变，因此之间中心距不变，因此坯体不发生收缩，密度不变坯体不发生收缩，密度不变School of Materials Science & Engineering 二、扩散传质二、扩散传质 对象对象：多数固体材料，由于其蒸汽压低多数固体材料，由于其蒸汽压低 (一一)、颈部应力模型、颈部应力模型(见书图见书图14－－6) School of Materials Science & Engineering 说明：颈部应力主要由说明：颈部应力主要由(张应力张应力)理理想想状状况况实实际际状状况况颗粒尺寸、形状、堆积方式不同，颗粒尺寸、形状、堆积方式不同， 颈颈部形状不规则部形状不规则接触点局部产生剪应力接触点局部产生剪应力晶界滑移，颗粒重排晶界滑移，颗粒重排 堆积密度堆积密度 ，气孔率，气孔率 ，坯体收缩，坯体收缩(但颗粒形状不变，气孔不可能完全消除。

但颗粒形状不变，气孔不可能完全消除)颈部应力颈部应力School of Materials Science & Engineering (二二)、颗粒中心靠近机理、颗粒中心靠近机理 中心距缩短中心距缩短，必有物质向气孔迁移，气孔作为，必有物质向气孔迁移，气孔作为空位源 空位消失的部位空位消失的部位：： 自由表面、晶界、位错自由表面、晶界、位错 考查考查空位浓度变化空位浓度变化 School of Materials Science & Engineering 有应力存在时空位形成所需的有应力存在时空位形成所需的附加功附加功(有张应力时有张应力时)(有压应力时有压应力时)空位形成能空位形成能：：无应力时：无应力时： EV结论结论：张应力区空位形成能：张应力区空位形成能<无应力区无应力区<压应力区，因而有浓度差异压应力区，因而有浓度差异1、、引起空位浓度差异的原因引起空位浓度差异的原因 School of Materials Science & Engineering 2、不同区域浓度、不同区域浓度School of Materials Science & Engineering 自自颈部颈部到到接触点接触点浓度差浓度差：： 1C = Ct－－Cc自自颈部颈部到到内部内部浓度差浓度差：： 2C = Ct－－C0 结论结论：： Ct>C0>Cc  1C>  2C 从式可见，在一定温度下从式可见，在一定温度下空位浓度差是与表面张空位浓度差是与表面张力成比例力成比例的，因此由扩散机理进行的烧结过程，的，因此由扩散机理进行的烧结过程，其推动力也是其推动力也是表面张力表面张力。

School of Materials Science & Engineering 3、扩散途径、扩散途径 ( 结论结论：： Ct>C0>Cc  1C>  2C )空位扩散空位扩散：：优先优先由颈表面由颈表面接触点；接触点； 其次其次由颈表面由颈表面内部扩散内部扩散原子扩散原子扩散：与空位扩散：与空位扩散方向方向相反，相反，扩散终点：颈部扩散终点：颈部扩散途径扩散途径：：(参见参见P264，图，图14－－8) 表面扩散表面扩散 界面扩散界面扩散 体积扩散体积扩散School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering (三三)、扩散传质的动力学关系、扩散传质的动力学关系 1、初期：、初期：表面扩散显著表面扩散显著。

(因为表面扩散温度因为表面扩散温度<<体积扩散温度体积扩散温度) 例：例：Al2O3 T体积体积＝＝900℃；；T表面表面＝＝330℃ 特点：特点：气孔率大，收缩约气孔率大，收缩约1％ 原因：表面扩散促使空隙表面光滑和气孔球形化，原因：表面扩散促使空隙表面光滑和气孔球形化，对空隙的消失和烧结体收缩无明显影响对空隙的消失和烧结体收缩无明显影响 School of Materials Science & Engineering 颈部生长速率颈部生长速率换成换成体积收缩体积收缩或或线收缩线收缩：：(中心距逼近速率中心距逼近速率)School of Materials Science & Engineering 讨论因素以扩散为主的初始烧结中，影响：讨论因素以扩散为主的初始烧结中，影响： (1)、烧结时间、烧结时间：：tAl2O3 1300℃原因：原因：School of Materials Science & Engineering (2)、原料起始粒度：、原料起始粒度：0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.250.50.40.30.20.1在在1600℃烧结烧结100hAl2O3的颗粒尺寸对接触的颗粒尺寸对接触面积生长的影响面积生长的影响说明说明：在扩散传质的烧结过程中，：在扩散传质的烧结过程中，控制起始粒度控制起始粒度很重要。

很重要School of Materials Science & Engineering (3)、温度对烧结过程的决定性作用温度对烧结过程的决定性作用Y：：烧结收缩率烧结收缩率  L/LK：烧结速率常数；：烧结速率常数； t：烧结时间烧结时间公式变形公式变形 前提前提：温度和粒径恒定：温度和粒径恒定烧结活化能烧结活化能Q值值自扩散系数随温自扩散系数随温度升高明显增大度升高明显增大School of Materials Science & Engineering 2、中期、中期 晶界和晶格扩散显著晶界和晶格扩散显著 特点特点：气孔率降为：气孔率降为5％，收缩率达％，收缩率达80％～％～90％％ 原因：颗粒粘结，颈部扩大，原因：颗粒粘结，颈部扩大， 气孔形状由不规则气孔形状由不规则圆柱形管道，圆柱形管道， 且相互连通；且相互连通； 晶界开始移动；晶粒正常生长晶界开始移动；晶粒正常生长 由于颈部生长由于颈部生长使球形颗粒逐渐变成多面体使球形颗粒逐渐变成多面体，此时晶粒分布，此时晶粒分布及空间堆积方式等均很复杂，科布尔图提出多面体模型及空间堆积方式等均很复杂，科布尔图提出多面体模型School of Materials Science & Engineering Coble 的的多面体模型多面体模型(十四面体十四面体)十四面体模型由正八面体沿其顶点在边长十四面体模型由正八面体沿其顶点在边长1/3处截去一部分而得到，截后有处截去一部分而得到，截后有6个四边个四边形形8个六边形的面，这种多面体可按体心立方紧密堆积在一起个六边形的面，这种多面体可按体心立方紧密堆积在一起 。

紧密堆积时，多面体紧密堆积时，多面体的每个边为三个多面体所共有，它的每个边为三个多面体所共有，它们之间近似形成一个圆柱形气孔、气孔表面为空位们之间近似形成一个圆柱形气孔、气孔表面为空位源每个顶点为四个多面体所共有每个顶点为四个多面体所共有 图图 十四面体模型及十二面体模型十四面体模型及十二面体模型School of Materials Science & Engineering 气孔率与时间气孔率与时间t成一成一次方关系，致密化次方关系，致密化速度快气孔率气孔率烧结时间烧结时间烧烧结结进进入入中中期期时时间间由此可见由此可见School of Materials Science & Engineering 3、后期、后期特点：气孔完全孤立，特点：气孔完全孤立，晶粒已明显长大，晶粒已明显长大， 坯体收缩率达坯体收缩率达90％～％～100％％ 相相对对密密度度1.00.90.80.70 10 100 1000t(min)结论结论：： 中期和后期中期和后期无明显差异。

无明显差异均呈线性关均呈线性关系School of Materials Science & Engineering §14§14－－3 3 液相参与的烧结液相参与的烧结一、特点和类型一、特点和类型 定义定义：凡有液相参加的烧结过程：凡有液相参加的烧结过程 对比对比：液相烧结与固相烧结：液相烧结与固相烧结 共同点共同点：推动力（能量差）、：推动力（能量差）、 过过 程程 （颗粒重排、（颗粒重排、 气孔填充、晶粒生长等）；气孔填充、晶粒生长等）； 异同点异同点 ：： 流动传质比扩散传质快，液相烧结致密化流动传质比扩散传质快，液相烧结致密化 速率高、温度低速率高、温度低 影响液相烧结的因素影响液相烧结的因素：液相数量、性质（粘度和表面：液相数量、性质（粘度和表面张力）、液固润湿性、固相在液相中的溶解度张力）、液固润湿性、固相在液相中的溶解度School of Materials Science & Engineering 二、流动传质二、流动传质 1、粘性流动、粘性流动(粘性蠕变传质粘性蠕变传质) (1) 定义定义：由于高温下粘性液体出现：由于高温下粘性液体出现牛顿型流动牛顿型流动而产生的传质而产生的传质dv/dx剪应力剪应力f牛牛顿顿型型宾宾汉汉型型剪应力剪应力f塑塑流流型型对比对比：：粘性蠕变粘性蠕变扩散传质扩散传质相同点相同点在应力作用下，由在应力作用下，由空位的定向流动而空位的定向流动而引起。

引起整排原子整排原子沿应力方向沿应力方向 移动一个质点一个质点的迁移的迁移区别点区别点受到剪切应力即开始流受到剪切应力即开始流动，剪切速度与剪切应动，剪切速度与剪切应力成正比，当应力消除力成正比，当应力消除后，变形不复原的流动后，变形不复原的流动School of Materials Science & Engineering 孤孤立立气气孔孔适用全过程适用全过程总结总结：影响粘性流动传质的：影响粘性流动传质的三参数三参数粘性流动坯体内的收缩方程：粘性流动坯体内的收缩方程：(近似法近似法)School of Materials Science & Engineering 实线实线：表示由式：表示由式计算结果计算结果虚线虚线：表示由式：表示由式计算结果计算结果 文文章章中中的的具具体体应应用用 School of Materials Science & Engineering 2、塑性流动、塑性流动(L少少)剪应力剪应力f塑塑流流型型School of Materials Science & Engineering 讨论讨论：： (1)、屈服值、屈服值 f   d /dt  ；； (2)、、 f=0时，属粘性流动，是牛顿型；时，属粘性流动，是牛顿型； (3)、、 当当[ ]0，， d /dt 0，此时即为，此时即为终点密度；终点密度； (4)、、 为达到致密烧结，应选择为达到致密烧结，应选择最小的最小的r、、 和较大的和较大的 。

School of Materials Science & Engineering 三、溶解－沉淀传质三、溶解－沉淀传质 液相多液相多固相在液相内有显著的可溶性固相在液相内有显著的可溶性液体润湿固相液体润湿固相1、条件、条件2.定义定义School of Materials Science & Engineering 3、推动力：表面能、推动力：表面能  颗粒之间形成的颗粒之间形成的毛细管力毛细管力每个颗粒之间的空间都组成一系列毛细管每个颗粒之间的空间都组成一系列毛细管表面能（表面张力）以毛细管力的方式使表面能（表面张力）以毛细管力的方式使颗粒拉紧颗粒拉紧，毛细管中的熔体起着把分散在，毛细管中的熔体起着把分散在其中的固态颗粒结合起来的作用其中的固态颗粒结合起来的作用实验结果实验结果：：0.1～～1 m的颗粒中间充满硅酸盐液相，其的颗粒中间充满硅酸盐液相，其 P = 1.23～～12.3MPa  毛细管力造成的烧结推动力很大毛细管力造成的烧结推动力很大!!School of Materials Science & Engineering A 第一阶段：颗粒重排第一阶段：颗粒重排School of Materials Science & Engineering B 溶解－沉淀传质溶解－沉淀传质P114School of Materials Science & Engineering 影响此种烧结机理的因素：影响此种烧结机理的因素：时间时间颗粒的起始粒度颗粒的起始粒度溶解度溶解度润湿性润湿性液相数量液相数量烧结温度。

烧结温度School of Materials Science & Engineering *四、各种传质机理分析比较四、各种传质机理分析比较 传质传质方式方式蒸发蒸发- -凝聚凝聚扩散扩散流动流动溶解溶解- -沉淀沉淀原因原因压力差压力差空位浓度差空位浓度差应力应力- -应变应变溶解度溶解度条件条件△P△P＞＞1010～～1Pa1Par r＜＜10μm10μm△C△C＞＞n0/Nr r＜＜5μm5μm粘性流动粘度小粘性流动粘度小塑性流动塑性流动ιι＞＞ηη可观的液相量可观的液相量溶解度大溶解度大固液润湿固液润湿特点特点蒸发蒸发- -凝聚凝聚△L/L△L/L=0=0扩散扩散中心距缩短中心距缩短流动并引起颗粒流动并引起颗粒重排重排致密化速率高致密化速率高溶解溶解- -沉淀沉淀传质同时又是晶传质同时又是晶粒生长粒生长公式公式工艺工艺控制控制温度、粒度温度、粒度温度、粒度温度、粒度粘度、粒度粘度、粒度温度、液相数量、温度、液相数量、粘度、粒度粘度、粒度School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering §14§14－－4 4 晶粒生长与二次再结晶晶粒生长与二次再结晶定义：定义： 晶粒生长：材料热处理时，平均晶粒连续增大的过程。

晶粒生长：材料热处理时，平均晶粒连续增大的过程 二次再结晶－－二次再结晶－－(晶粒异常生长或晶粒不连续生长晶粒异常生长或晶粒不连续生长) 少数巨大晶体在细晶消耗时成核少数巨大晶体在细晶消耗时成核-长大过程长大过程School of Materials Science & Engineering 一、晶粒生长一、晶粒生长 1、实质、实质 晶粒长大晶粒长大不是不是小晶粒相互粘结，小晶粒相互粘结，而是而是晶界移动的结果；晶界移动的结果； 晶粒生长取决于晶粒生长取决于晶界移晶界移 动的速率动的速率动力动力：：晶界两边物质的自由焓之差晶界两边物质的自由焓之差 G使使晶界向曲率中心晶界向曲率中心移动；移动；小晶粒长大，界面能小晶粒长大，界面能  晶界结构晶界结构(A)及原子跃迁的能量变化及原子跃迁的能量变化最终：晶界平直化，界面两侧自由能最终：晶界平直化，界面两侧自由能相等为止相等为止School of Materials Science & Engineering 晶界移动速率（晶粒生长取决于晶界移动速率）晶界移动速率（晶粒生长取决于晶界移动速率）温度越高，曲率半径越小，晶界向其曲率中心移动的速率也越快。

温度越高，曲率半径越小，晶界向其曲率中心移动的速率也越快School of Materials Science & Engineering 2、晶粒长大的几何情况：、晶粒长大的几何情况：   晶界上有界面能作用，晶粒形成一个与肥皂泡沫相似晶界上有界面能作用，晶粒形成一个与肥皂泡沫相似 的三维阵列；的三维阵列；   边界表面能边界表面能相同相同，界面夹角呈，界面夹角呈1200夹角，晶粒呈正六边形；夹角，晶粒呈正六边形； 实际表面能实际表面能不同不同，晶界有一定曲率，，晶界有一定曲率，  使使晶界向曲率中晶界向曲率中 心移动心移动   晶界上杂质、气泡如果不与主晶相形成液相，晶界上杂质、气泡如果不与主晶相形成液相， 则阻碍晶界移动则阻碍晶界移动 School of Materials Science & Engineering 晶粒长大定律：晶粒长大定律：t=0时，晶粒平均尺寸时，晶粒平均尺寸讨论讨论：：(1)、当晶粒生长、当晶粒生长后期后期(理论理论)：：D>>D0(2)、实际、实际：直线斜率为：直线斜率为1/2～～1/3，， 且更接近于且更接近于1/3。

原因原因：：晶界移动晶界移动时时遇到杂质或遇到杂质或 气孔气孔而限制了晶粒的生长而限制了晶粒的生长界面界面通过通过夹杂夹杂物时物时形状形状变化变化School of Materials Science & Engineering 3、晶界移动、晶界移动 气孔位于气孔位于晶界晶界上上移动移动？？阻碍阻碍？？影响因素影响因素：： 晶界曲率；晶界曲率； 气孔直径、数量；气孔直径、数量； 气孔作为空位源向晶界扩散的速度气孔作为空位源向晶界扩散的速度 气孔内气体压力大小；气孔内气体压力大小； 包裹气孔的晶粒数包裹气孔的晶粒数School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering (A) Vb=0 (B) Vb = Vp (C) Vb > Vp_晶界移动方向晶界移动方向气孔移动方向气孔移动方向Vb－晶界移动速度；－晶界移动速度；Vp－－气孔移动速度。

气孔移动速度气孔通过气孔通过空位传递空位传递而汇集或消失而汇集或消失实现烧结体的致密化实现烧结体的致密化于烧结体致密于烧结体致密化不利初期初期中、后期中、后期后期后期School of Materials Science & Engineering 后期：后期：当当Vp=Vb时，时，A：：要严格要严格控制温度控制温度B：：在晶界上产生在晶界上产生少量液相少量液相，， 可抑制晶粒长大可抑制晶粒长大原因原因：界面移动推动力降低，：界面移动推动力降低， 扩散距离增加扩散距离增加School of Materials Science & Engineering 4、、讨论讨论：坯体理论密度与实际密度存在差异的原因？：坯体理论密度与实际密度存在差异的原因？ 晶粒长大是否无止境？晶粒长大是否无止境？(1) 存在因素存在因素：气孔不能完全排除气孔不能完全排除随烧结进行，随烧结进行，T升高，气孔逐渐缩小，升高，气孔逐渐缩小，气孔内压增大，当等于气孔内压增大，当等于2 /r时，烧结停止时，烧结停止但温度继续升高，引起膨胀，对烧结不利。

但温度继续升高，引起膨胀，对烧结不利2) 采取措施采取措施气氛烧结、真空烧结、热压烧结等气氛烧结、真空烧结、热压烧结等School of Materials Science & Engineering 讨论：讨论： a、、(3) 晶粒生长极限尺寸晶粒生长极限尺寸d－－夹杂物或气孔的平均直径夹杂物或气孔的平均直径f－夹杂物或气孔的体积分数－夹杂物或气孔的体积分数Dl－晶粒正常生长时的极限尺寸－晶粒正常生长时的极限尺寸原因原因：相遇几率：相遇几率 小b、、 初期初期：：f 很大，很大，d小，小，D0 > Dl，，所以晶粒不会长大；所以晶粒不会长大； 中期中期：： f 下降下降，，d 增大增大，， Dl增大 当当D0 < Dl，，晶粒开始均匀生长晶粒开始均匀生长 后期：后期：一般一般f=10%时，晶粒停止生长时，晶粒停止生长 普通烧结中坯体终点密度低于理论密度的原因普通烧结中坯体终点密度低于理论密度的原因School of Materials Science & Engineering 二、二次再结晶二、二次再结晶二次再结晶是坯体中少数大晶粒尺寸的二次再结晶是坯体中少数大晶粒尺寸的异常增加，其结果是个别晶粒的尺寸增异常增加，其结果是个别晶粒的尺寸增加，这是区别于正常的晶粒长大的。

加，这是区别于正常的晶粒长大的概念概念：：School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 晶粒异常长大的根源：晶粒异常长大的根源：造成二次再结晶的原因造成二次再结晶的原因主要主要是是原始物料粒度不原始物料粒度不均匀及烧结温度偏高均匀及烧结温度偏高School of Materials Science & Engineering 控制温度控制温度(抑制晶界移动速率抑制晶界移动速率)；；起始粉料粒度起始粉料粒度分布均匀分布均匀；；加入少量加入少量晶界移动抑制剂晶界移动抑制剂（（MgO加入到加入到Al2O3）） 晶粒生长公式为：晶粒生长公式为：采取措施：采取措施：School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 三、晶界在烧结中的应用三、晶界在烧结中的应用晶界上溶质的偏聚可以延晶界上溶质的偏聚可以延缓晶界的移动缓晶界的移动晶界对扩散传质烧结过程晶界对扩散传质烧结过程是有利的。

是有利的School of Materials Science & Engineering §14§14－－5 5 影响烧结的因素影响烧结的因素一、原始粉料粒度一、原始粉料粒度(细而均匀细而均匀)School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 1、外加剂与烧结主体形成、外加剂与烧结主体形成固溶体固溶体 两者离子产生的晶格畸变程度越大，越有利两者离子产生的晶格畸变程度越大，越有利于烧结 例例：：Al2O3中加入中加入3％％Cr2O3可在可在1860℃烧结；烧结； 当加入当加入1～～2％％TiO2只需在约只需在约1600℃就能致密化就能致密化 二、外加剂（适量）的作用二、外加剂（适量）的作用School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 2、外加剂与烧结主体形成、外加剂与烧结主体形成液相液相烧结时若有适当的液相，（烧结时若有适当的液相，（1）往往会大大促进颗粒重排）往往会大大促进颗粒重排和传质过程；（和传质过程；（2）能在较低温度下产生液相，以促进烧）能在较低温度下产生液相，以促进烧结。

液相的出现，可能是添加物本身熔点较低；也可能结液相的出现，可能是添加物本身熔点较低；也可能与烧结物形成多元低共熔物与烧结物形成多元低共熔物 例例：制：制95％％Al2O3材料，加入材料，加入CaO、、SiO2，， 当当CaO:SiO2=1时，产生液相在时，产生液相在1540℃即可烧结即可烧结 制备制备MgO瓷时，加入瓷时，加入V2O5或或CuO,促使液相的生成促使液相的生成 School of Materials Science & Engineering 3、外加剂与烧结主体形成、外加剂与烧结主体形成化合物（化合物（抑制晶界移动抑制晶界移动）） School of Materials Science & Engineering 4、外加剂、外加剂阻止多晶转变阻止多晶转变 例：例：ZrO2中加入中加入5％％CaO，抑制晶型转变，使之致密化抑制晶型转变，使之致密化5、外加剂、外加剂(适量适量)起起扩大烧结范围扩大烧结范围的作用的作用 例例：：在锆钛酸铅材料中加入在锆钛酸铅材料中加入适量适量La2O3和和Nb2O5，， 可使烧结范围由可使烧结范围由20～～40℃ 增加到增加到80℃。

School of Materials Science & Engineering 三、烧结温度和保温时间三、烧结温度和保温时间lgD高温高温低温低温1/TDSDV扩散系数与温度的关系扩散系数与温度的关系结论：结论：高温短时间高温短时间烧结是烧结是 制造致密陶瓷材料制造致密陶瓷材料 的好方法但烧成的好方法但烧成 制度的确定必须综制度的确定必须综 合考虑o 延长烧结时间一般都会不同程度地促使烧结完成，然而在烧结延长烧结时间一般都会不同程度地促使烧结完成，然而在烧结后期，不合理地延长烧结时间，有时会加剧二次再结晶作用，反而后期，不合理地延长烧结时间，有时会加剧二次再结晶作用，反而得不到充分致密的制品得不到充分致密的制品 School of Materials Science & Engineering 四、盐类的选择及其煅烧条件四、盐类的选择及其煅烧条件 1、煅烧条件、煅烧条件结论结论：煅烧温度愈高，烧结活性愈低的：煅烧温度愈高，烧结活性愈低的原因是原因是 由于由于MgO的结晶良好，烧结活化能增高所造成的。

的结晶良好，烧结活化能增高所造成的低温煅烧低温煅烧MgO，晶格常数，晶格常数大，结构缺陷比较多大，结构缺陷比较多School of Materials Science & Engineering 2、盐类的选择、盐类的选择 结论结论：用能够生成粒度小、晶格常数较大、微晶较小、结构松弛：用能够生成粒度小、晶格常数较大、微晶较小、结构松弛的的MgO的原料盐来获得活性的原料盐来获得活性MgO，，其烧结活性良好其烧结活性良好School of Materials Science & Engineering 五、气氛的影响五、气氛的影响(扩散控制因素、气孔内气体的扩散和溶解扩散控制因素、气孔内气体的扩散和溶解能力能力) 氧化气氛：阳离子扩散氧化气氛：阳离子扩散 还原气氛：阴离子扩散（氧化铝瓷：还原气氛：阴离子扩散（氧化铝瓷：O2-扩散控制）扩散控制） 中性气氛中性气氛六、成型压力的影响六、成型压力的影响七、其它七、其它 如：如：生坯内粉料的堆积程度；生坯内粉料的堆积程度； 加热速度；加热速度； 保温时间；保温时间； 粉料的粒度分布等。

粉料的粒度分布等School of Materials Science & Engineering 作业：作业： 1、、4、、5、、10 School of Materials Science & Engineering 第14章完This is the last one!This is the last one!School of Materials Science & Engineering 。