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烧结18317.ppt

烧 结 胡志强 主编 李世春 设计 烧结(sintering) 烧结(sintering)是把粉状物料转变为致密体的工艺过程。 烧结的定义: 1) 宏观定义:粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度(烧结温度),发生固结、气孔率下降、收缩加大、致密度提高、晶粒增大,变成坚硬的烧结体,这个现象称为烧结。 2) 微观定义:固态中分子(原子)间存在相互吸引,通过加热使质点获得足够的能量进行迁移,使粉末体产生颗粒黏结,产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。 烧成 — 烧成是在一定的温度范围内烧成致密体的过程。 烧结 — 指粉料经加热而致密化的简单物理过程,不包括化学反应,烧结仅是烧成过程的一个重要部分。烧结是在低于固态物质的熔融温度下进行的。 烧结的物理过程 烧结的物理过程:粉料成型后颗粒之间只有点接触,形成具有一定外形的坯体,坯体一般包含气体(约35—60%)。在高温下,颗粒间接触面积扩大、颗粒聚集、颗粒中心距逼近,逐渐形成晶界,气孔形状变化、体积缩小,从连通的气孔变成各自孤立的气孔并逐渐缩小,以致最后大部分甚至全部气孔从晶体排除。 烧结体宏观上出现体积收缩、致密度提高、强度增加,因此烧结程度可以用坯体收缩率、气孔率、吸水率、烧结体密度与理论密度之比等指标来表示。随着烧结温度升高,烧结体的气孔率下降、密度升高、电阻下降、强度升高、晶粒尺寸增大。 烧结过程的推动力(一) 1.能量差 能量差:粉状物料的表面能与多晶烧结体的晶界能之差。 ?粉料在粉碎和研磨过程中消耗的机械能?(转化为)粉体的表面能;?由于粉碎引起晶格缺陷、表面积增大使粉体具有较高的活性,因此粉末体(与烧结体相比)处在能量不稳定状态。 近代烧结理论的研究认为:粉体经烧结后,晶界能取代了表面能,是多晶材料稳定存在的原因。 烧结推动力(能量差)与相变和化学反应的能量相比是极小的,因此烧结不能自发进行,必须对粉体加以高温,才能促使粉体转变为烧结体。 常用晶界能γGB和表面能γSV的比值来衡量烧结的难易。比值越小,烧结推动力越大,越容易烧结,反之越难烧结。 烧结过程的推动力(二) 2.压力差 颗粒弯曲的表面上存在压力差。粉末体紧密堆积以后,颗粒间仍有很多细小气孔通过,在这些弯曲表面上由于表面张力的作用而造成压力差: 式中 为粉体的表面张力,r为粉末球形半径。 若为非球形曲面,可用两个主曲率r1和r2表示: 公式表明,弯曲表面上的附加压力与球形颗粒曲率半径成反比,与粉体表面张力成正比。因此,粉料越细,由曲率面引起的烧结推动力越大,越容易烧结。 3.空位差 颗粒表面上的空位浓度与内部的空位浓度之差称空位差,颗粒表面上的空位浓度一般比内部的空位浓度大,二者之差为: 为表面能, 为空位体积,ρ为曲率半径,c0为平表面的空位浓度。 这一浓度差导致内部质点向表面扩散,推动质点迁移,加速烧结。 烧结过程的推动力(三) 烧结与固相反应的关系 相同点:两个过程均在低于材料熔点或熔融温度之下进行,并且在过程的至始至终都至少有一相是固相。 不同点:?固相反应发生的是化学反应,固相反应必须至少有两组元参加,如A和B,组后生成化合物AB,AB的结构和性质均不同于A和B。?烧结是一种简单的物理过程,不发生化学反应,烧结可以只有单组元,也可以两组元参加,但两组元并不发生化学反应,仅仅是在表面能的驱动下,有粉体变成致密体。烧结体除可见的收缩外,微观晶相组成并未变化,仅仅是晶相在显微组织上排列致密和结晶程度更完善。当然,随着粉末体变成致密体,物理性质也随之有相应的变化。 实际生产中,两种过程往往是同时穿插进行的。 固态烧结 固态烧结—固体之间的高温固结过程,没有液相。 主要传质方式:蒸发—凝聚、扩散传质、塑性流变 ?蒸发—凝聚传质:固体颗粒表面曲率不同,在高温时必然在系统的不同部位有不同的蒸汽压。质点通过蒸发再凝聚,实现质点的迁移,促进烧结。这种传质过程仅仅在高温下蒸汽压较大的系统内进行,这是烧结中定量计算最简单的一种传质,也是了解复杂烧结过程的基础。 ?扩散传质:在大多数固体材料中,由于高温下蒸汽压低,则传质更易通过固体内质点扩散过程来进行。 液态烧结 液态烧结 — 凡有液相参加的烧结过程。 液相烧结模型: ? 金格尔液相烧结模型:在液相量较少时,溶解—沉淀传质过程在晶粒接触界面处溶解,通过液相传递扩散到球形晶粒自由表面上沉积。 ? LSW模型:当坯体内有大量液相而且晶粒大小不等时,由于晶粒间曲率差导致小晶粒溶解通过液相传质到大晶粒上沉积。 主要传质方式:流动传质、溶解—沉淀传质 ? 流动传质:烧结过程是质点迁移的过程,因为液相的存在,质点的传递可以以流动的方式进行。 ? 溶解—沉淀传质:在有固液两相的烧结中,当固相在液相中有可溶性

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