陶瓷工艺原理之精品坏体性质的控制.doc

陶瓷工艺原理之精品课件五 第五章 坏体性质的控制目的要求 ??? 烧结的发展历史比较久远，从公元前烧结陶土到现如今广泛应用于陶瓷及硬质合金材料的制备等领域。几乎所有陶瓷材料的制备都有经历烧结工艺，因此，熟悉烧结工艺过程，了解烧结的各种影响因素，分析烧结机理对于制备高性能的陶瓷材料非常必要。 ? 课时?? 16? 学时 ? 授课内容 ??? 1 概述 ??? 2 烧结参数及其对烧结性影响 ????????? 2.1 烧结类型 ????????? 2.2 烧结驱动力 ????????? 2.3 烧结参数 ????????? 2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响 ??? 3 固相烧结过程及机理 ????????? 3.1 双球模型（two-particle model） ????????? 3.2晶粒过渡生长现象 ??? 4 液相烧结过程与机理 ????????? 4.1 液相烧结的阶段 ????????? 4.2 液相烧结过程的致密化机理 ????????? 4.3 晶粒生长和粗化??? ??? 5 特色烧结方法 ????????? 5.1 热压烧结 ??????????5.2 热等静压 ????????? 5.3 放电等离子体烧结 ????????? 5.4 微波烧结 ????????? 5.5 反应烧结 ??????????5.6 爆炸烧结 ??? 6 烧结设备 ????????? 6.1 间歇式窑炉??? ????????? 6.2 连续式窑 ????????? 6.3 窑炉辅助设备 ????7 最佳烧成制度的确定 ???????? ?7.1 温度制度的确定??? ???????? ?7.2 气氛制度的控制??? ???????? ?7.3 压力制度及系数??? ? 授课重点和难点 ??? 本章的重点在烧结机理、特色烧结方法和烧成制度的确定上，难点多，需要精心准备。 ? 教学方法 ??? 用多媒体以讲授为主，并对学生在学习中遇到的问题进行解答。 ? 讲授重点内容提要 ??? 1. 烧结机理 ??? 通常，烧结过程可以分为固相烧结（Solid state sintering）和液相烧结（Liquid phase sintering）两种类型。在烧结温度下，粉末坯体在固态情况下达到致密化过程称为固相烧结；同样，粉末坯体在烧结过程中有液相存在的烧结过程称为液相烧结。 ??? 1.1 固相烧结 ??? 固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为气孔尺寸减小。烧结过程中颗粒的排列过程如图1所示。在初始阶段，颗粒形状改变，相互之间形成了颈部连接，气孔由原来的柱状贯通状态逐渐过渡为连续贯通状态，其作用能够将坯体的致密度提高1－3％；在中间阶段，所有晶粒都与最近邻晶粒接触，因此晶粒整体的移动已停止。通过晶格或晶界扩散，把晶粒间的物质迁移至颈表面，产生样品收缩，气孔由连续通道变为孤立状态，当气孔通道变窄无法稳定而分解为封闭气孔时，这—阶段将结束，这时，烧结样品一般可以达到93％左右的相对理论致密度；样品从气孔孤立到致密化完成的阶段为最终阶段。在此阶段，气孔封闭，主要处于晶粒交界处。在晶粒生长的过程中，气孔不断缩小，如果气孔中含有不溶于固相的气体，那么收缩时，内部气体压力将升高并最终使收缩停止，形成闭气孔。烧结的每个阶段所发生的物理化学变化过程都有所区别，一般利用简单的双球模型（two-particle model）来解释初始阶段机理，用通路气孔模型（channel pore model）来解释中间阶段机理，而最终阶段机理通常采用孤立气孔模型（isolated pore model）分析。 ????????? ??????????????????????????图1 不同烧结阶段晶粒排列过程 ??? 双球模型 ??? 如果烧结粉体的形貌假设都为规则的球形的话，那么整个粉末坯体可以看作为两个颗粒之间的烧结，其示意图如图2所示。图2(a)为未收缩的模型，颗粒之间的距离不发生变化，但是随着烧结时间的增加，颈部尺寸会不断增加，烧结样品开始收缩，其收缩后几何模型如图2(b)所示，颈部增大主要是颗粒接触间物质扩散和坯体收缩造成的。 图2初始阶段的双球模型（a）未收缩，（b）收缩 ??? 烧结的驱动力主要来源于由于颗粒表面曲率的变化而造成的体积压力差、空位浓度差和蒸汽压差。 表1 烧结中的物质传输机理 物质扩散机理 材料部位 接触部位 相关参数 1．晶格扩散 晶界 颈部 晶格扩散率，Dl 2．晶界扩散 晶界 颈部 晶界扩散率，Db 3．粘性流动 整体晶粒 颈部 粘度，η 4．表面扩散 晶粒表面 颈部 表面扩散率，Ds 5．晶格扩散 晶粒表面 颈部 晶格扩散率，