第五章陶瓷材料的烧结课件.ppt

河南省精品课程——陶瓷工艺原理 河南省精品课程——陶瓷工艺原理 一、隧道窑（tunnel kiln） 一、热压烧结的优点 （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。 （4）能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。 热压法的缺点是生产率低、成本高。 二、热压装置和模具 （a）电阻间热式；（b）感应间热式； （c）电阻直热式；（d）感应直热式 三、热压烧结的驱动力 　　在热压烧结的初始阶段，假设所有粉体都是规则的球形颗粒立方堆积在一起，则作用在颗粒接触面积上的有效压力为: 　　 　　 其中，a为颗粒半径，x为颈部半径，r为颈部曲率半径。在烧结的最终阶段，假设坯体中的气孔成均匀分布状况，则作用在颗粒接触面积上的有效压力为： 　　其中ρ为坯体的相对密度。 四、热压烧结的致密化过程 （1）微流动阶段 （2）塑性流动阶段 （3）扩散阶段 五、热压烧结机理 （1）塑性变形机理 其中σY为烧结材料的屈服应力。 （2）蠕变机理 　　其中，　，σ0和n是和烧结材料有关的参数，其中n取值在3－8之间，f(ρ, geo)为烧结体致密度和颗粒几何形状的函数。 ， （3）扩散机理 晶格扩散： 晶界扩散： 颗粒尺寸对扩散机理作用的致密化速率的影响如下： 5.5.2 热等静压 　　热等静压工艺（Hot Isostatic Pressing，简写为HIP）是将粉末压坯或装入包套的粉料装入高压容器中，使粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。 　　其基本原理是：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。 （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。 一、热等静压的优点 二、热等静压装置 三、热等静压烧结工艺 直接HIP工艺流程图 后HIP工艺流程图 5.5.3 放电等离子体烧结 　　放电等离子体烧结工艺(Spark Plasma Sintering，简写为SPS)是近年来发展起来的一种新型材料制备工艺方法。又被称为脉冲电流烧结。该技术的主要特点是利用体加热和表面活化，实现材料的超快速致密化烧结。 　　 可广泛用于磁性材料、梯度功能材料、纳米陶瓷、纤维增强陶瓷和金属间化合物等系列新型材料的烧结。 一、放电等离子体烧结的优点 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。 二、烧结装置 　　烧结系统大致由四个部分组成：真空烧结腔（图中6），加压系统（图中3），测温系统（图中7）和控制反馈系统。图中1示意石墨模具，2代表用于电流传导的石墨板，4是石墨模具中的压头，5是烧结样品。 5.5.4 微波烧结 　　微波烧结（Microwave Sintering）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。 一、微波烧结的优点 （1）微波与材料直接耦合导致整体加热。 （2）微波烧结升温速度快，烧结时间短。 （3）安全无污染。 （4）能实现空间选择性烧结。 二、材料与微波场的作用类型 材料与微波的作用方式示意图 三、微波烧结系统 5KW, 2.45GHz 微波发生器 红外测温装置 控　　　　　制 冷却水系统 微波烧结陶瓷装置示意图 保温结构 多模谐振腔 四、微波烧结机理 　　在绝热环境下，当忽略材料在加热过程中的潜能（如反应热、相变热等）变化时，单位体积材料在微波场作用下的升温速率为： 　　式中f为微波工作频率；ε’为材料介电损耗