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第九章 烧 结  第一节 概述 烧结过程是一门古老的工艺。现在，烧结过程在许多工业部门得到广泛应用，如陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料等生产过程中都含有烧结过程。烧结的目的是把粉状材料转变为致密体。 研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化。对指导生产、控制产品质量，研制新型材料显得特别重要。  一、烧结的定义 二、烧结分类 按照烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类： 图1 热压炉 图2 放电等离子体烧结炉（SPS） 图3 气压烧结炉（GPS） 图4 微波烧结炉 三、烧结温度和熔点的关系 泰曼指出，纯物质的烧结温度Ts与其溶点Tm有如下近似关系： 金属粉末Ts≈（0.3—0.4）Tm 无机盐类Ts≈0.57Tm 硅酸盐类Ts≈（0.8—0.9）Tm 实验表明，物料开始烧结温度常与其质点开始明显迁移的温度一致。 第二节 烧结过程及机理 (一)烧结温度对烧结体性质的影响 图5是新鲜的电解铜粉(用氢还原的)，经高压成型后，在氢气气氛中于不同温度下烧结2小时然后测其宏观性质：密度、比电导、抗拉强度，并对温度作图，以考察温度对烧结进程的影响。 结果与讨论： 1.随烧结温度的升高，比电导和抗拉强度增加。 2.曲线表明，在颗粒空隙被填充之前(即气孔率显著下降以前)，颗粒接触处就已产生某种键合，使得电子可以沿着键合的地方传递，故比电导和抗拉强度增大。 3.温度继续升高，物质开始向空隙传递，密度增大。当密度达到理论密度的90～95％后，其增加速度显著减小，且常规条件下很难达到完全致密。说明坯体中的空隙(气孔)完全排除是很难的。 (二)烧结过程的模型示意图 根据烧结性质随温度的变化，我们可以把烧结过程用图6的模型来表示，以增强我们对烧结过程的感性认识。 图6 粉状成型体的烧结过程示意图 a)烧结前 b)烧结后 图7 铁粉烧结的SEM照片 二、烧结推动力 粉体颗料尺寸很小，比表面积大，具有较高的表面能，即使在加压成型体中，颗料间接面积也很小，总表面积很大而处于较高能量状态。根据最低能量原理，它将自发地向最低能量状态变化，使系统的表面能减少。 表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压P分别低于和高于平面表面处的蒸气压Po，并可以用开尔文本公式表达： 如果固体在高温下有较高蒸气压，则可以通过气相导致物质从凸表面向凹表面处传递。此外若以固体表面的空位浓度C或固体溶解度L分别代替式2中的蒸气压P，则对于空位浓度和溶解度也都有类似于式 2的关系，并能推动物质的扩散传递。 三、烧结机理 (一) 颗粒的粘附作用 例子： 把两根新拉制的玻璃纤维相互叠放在一起，然后沿纤维长度方向轻轻地相互拉过，即可发现其运动是粘滞的，两根玻璃纤维会互相粘附一段时间，直到玻璃纤维弯曲时才被拉开，这说明两根玻璃纤维在接触处产生了粘附作用。 由此可见，粘附是固体表面的普遍性质，它起因于固体表面力。当两个表面靠近到表面力场作用范围时．即发生键合而粘附。粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触面积，故粉状物料间的粘附作用特别显著。 水膜的例子,见图8 因此，粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体颗粒间产生键合、靠拢和重排，并开始形成接触区的一个原因。 图8被水膜包裹的两固体球的粘附 (二) 物质的传递 在烧结过程中物质传递的途径是多样的，相应的机理也各不相同。但如上所述，它们都是以表面张力作为动力的。 有流动传质 、扩散传质 、气相传质 、溶解—沉淀传质。 1．流动传质 这是指在表面张力作用下通过变形、流动引起的物质迁移。属于这类机理的有粘性流动和塑性流动。 粘性流动传质 ： 若存在着某种外力场，如表面张力作用时，则质点(或空位)就会优先沿此表面张力作用的方向移动，并呈现相应的定向物质流，其迁移量是与表面张力大小成比例的，并服从如下粘性流动的关系： （3） 塑性流动传质：如果表面张力足以使晶体产生位错，这时质点通过整排原子的运动或晶面的滑移来实现物质传递，这种过程称塑性流动。可见塑性流动是位错运动的结果。与粘性流动不同，塑性流动只有当作用力超过固体