粉末烧结理论2014浅析.ppt

Densification theory of Ceramics 主要内容：概述 烧结机理 晶粒生长与二次再结晶 影响烧结的因素 概述 常规烧结 （是否出现液相） 是一种基本烧结方式，简单易行，适用于不同形状和尺寸的构件的烧结，温度容易控制，适用于大规模生产。 对材料致密化控制较困难。 电阻加热 气氛真空、保护气氛（N2、Ar、H2） 发热元件 耐热合金电阻丝，如Ni-Ti合金，最高温度1100 ℃，一般1000 ℃ SiC电阻棒，最高温度1500 ℃，一般1400 ℃ 硅钼棒（MoSi2），氧化气氛中最高使用温度1700℃，一般800～1600 ℃，还原气氛中1700℃ 可以长时间使用 石墨，非氧化气氛，2300 ℃ 钨棒，还原气氛， 2000 ℃ ZrO2，氧化性气氛，1600℃ 模具的选择： 1) 材料与模具在热压期间具有良好的化学稳定性 2) 模具应具有良好的力学性能、良好的抗蠕变性能、断裂模数、极限强度 3) 模具与试样具有良好的热匹配 ------气压烧结（Gas Pressure Sintering) 气压烧结（Gas Pressure Sintering) 与HIP不同 1、压力比较低 2、常用N2等 Si3N4(S)?3Si(L)+2N2(g) 0.1MPa，1800 ℃分解 常压烧结的氮化硅密度低，90% 体系化学反应生成的热量维持反应的进一步进行，要求是放热反应 特点烧结速度快晶粒尺寸小缺陷多局部不均匀 二、与烧结有关的概念 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。 烧结初期：坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失），固-气总表面积没有变化。 烧结中期：传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道。 烧结后期：传质继续进行，晶粒长大，气孔变成孤立的闭气孔，密度达到95%以上，制品强度提高。 被水膜包裹的两固体球的粘附 各种传质过程可单独进行或几种传质同时进行。 二、晶粒生长 小晶粒生长为大晶粒．面积↓，界面自由能↓。 如：晶粒尺寸由1μm→1cm 相应的能量变化约为0.42～21J/g 1）晶界能量较小，晶界移动被杂质或气孔所阻挡，Vb＝0，晶粒正常长大停止。（烧结初期） 2）晶界具有一定的能量，晶界带动杂质或气孔继续移动，Vb＝VP 。气孔利用晶界的快速通道排除，坯体不断致密。 3）晶界能量大，晶界越过杂质或气孔，把气孔包裹在晶粒内部，Vb VP 。气孔被包入晶体内部，不能利用晶界这样的快速通道而排除，只能通过体积扩散来排除，是十分困难的，坯体很难致密化。 三、二次再结晶 给定的物料一般有着一个最适宜的热分解温度。温度过高会使结晶度增高、粒径变大、比表面活性下降；温度过低则可能因残留有未分解的母盐而妨碍颗粒的紧密充填和烧结。 当添加物能与烧结物形成固溶体时，将使晶格畸变而得到活化。故可降低烧结温度，使扩散和烧结速度增大，这对于形成缺位型或间隙型固溶体尤为强烈。 外加剂与烧结物形成新的化合物包裹于表面，会抑制晶界移动速率，防止晶粒的异常长大，促使坯体致密化的进行。 Questions and Answers 2、盐类的选择 盐的种类不同，MgO的烧结性能不同 生成的MgO粒度小，晶格常数大，微晶较小，结构松弛，则活性大，烧结性好，如草酸镁等； 生成的MgO粒度大，结晶性较高，则烧结活性差，如硝酸镁等 四、外加剂的作用 1、外加剂与烧结主体形成固溶体 例如：Al2O3烧结时，通常加入少量Cr2O3或TiO2促进烧结 烧结时若有适当的液相，往往会大大促进颗粒重排和传质过程。添加物能在较低温度下产生液相以促进烧结。 2、外加剂与烧结主体形成液相 添加物本身熔点较低； 添加物与烧结物形成多元低共熔物。 3、溶解-沉淀传质过程 （1）颗粒重排 概念：颗粒在毛细管力作用下，通过粘性流动或在一些颗粒间接触点上由于局部应力的作用而进行的重新排列，使颗粒堆积的更加紧密。 烧结速率：与粘性流动相似 呈线性关系，1＋x 约大于 1 影响因素：1）液相数量； 2）固-液二面角； 3）固液润湿性。 （2）溶解-沉淀传质 概念：较小颗粒在颗粒接触点处溶解，通过液相传质在较大颗粒或颗粒的自由表面上沉积，最终使晶粒长大和坯体致密化。 模型：根据液相数量不同，分为 Kingery模型：液相量少时，颗粒在接触点处溶解，由液 相传质扩散到自由表面上沉积。 LSW模型：小晶粒溶解