第五节烧结技术素材.ppt

蔡 艳 芝 西安建筑科技大学材料科学所电话: 135 7224 6604E-mail: yzcuxb@ 第五节 烧结技术 内容提要 1. 烧结的概念 2. 烧结方法 3. 烧结的影响因素 烧结及烧结现象 说明： a: 颗粒聚拢 b: 开口堆积体中颗粒中心逼近 c: 封闭堆积体中颗粒中心逼近 烧结及烧结现象 烧结的实际过程（SEM照片）（a）烧结前，（b）开始烧结，（c)烧结中，（d）烧结后 1. 烧结技术(Sintering) 烧 结 成型后的坯体在低于熔点的高温作用下、通过坯体间颗粒相互粘结和物质传递，气孔排除，体积收缩，强度提高、逐渐变成具有一定的几何形状和坚固烧结体的致密化过程。 通常用坯体收缩率、强度、密度、气孔率等物理指标来衡量陶瓷烧结质量的好坏。 1. 烧结技术(Sintering) 烧 结 是陶瓷坯体在高温下的致密化过程的总称。随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒互相键连、晶粒长大、孔隙或气孔逐渐减少，通过物质的传递，总体积收缩、密度增加，最后变成坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体。除了陶瓷材料以外，高熔点技术材料(W, Mo, Nb, Ta)的制造也都采用烧结技术。 1. 烧结技术(Sintering) 烧 结 烧结的实质是粉体坯块在适当的环境或气氛下受热，通过一系列物理、化学变化，使粉体颗粒间发生质的变化，由颗粒聚集体变成晶粒结合体。由多孔体变成致密体，使坯块强度和密度迅速增加，其它物理、力学性能也得到明显的改善。 1. 烧结技术(Sintering) 按热力学观点，烧结是系统总能量降低的过程。由于粉体原料比表面积大，表面自由能高，且在粉体内部存在各种晶体缺陷，因此比块状物体具有高得多的能量。降低系统能量水平的趋势构成烧结过程的驱动力。通过烧结，使总能量降低，系统由介稳状态转变为稳定状态。在此过程中，温度起到帮助克服能垒的作用。 烧结助剂 烧结助剂或添加剂可在陶瓷的烧结过程中形成少量液相[5％～10％(体积)]。液相的出现大大加快了烧结速度，使制品的致密度迅速增加。 添加剂的作用（Additive/Sintering Aid） 1 改变点缺陷浓度，从而改变某种粒子的扩散系数；2 在晶界附近聚集，影响晶界的迁移速率，从而影响晶粒 长大的干扰作用；3 提高表面能／界面能比值，直接提高致密化的动力；4 在晶界形成第二相，为原子扩散提供快速途径；5 第二相在晶界的钉扎作用，阻碍晶界的迁移。 烧结技术(Sintering) 液相烧结：液相烧结致密化过程可以分为三个阶段，曲线1段为液相生成与颗粒重排，这时由于液相本身的黏性流动使颗粒重新分布并排列得更加致密。曲线2段为溶解与析出，细小颗粒和粗颗粒表面凸起部分在液相中溶解，并在粗颗粒表面上析出。因此，小颗粒减少，粗颗粒长大，颗粒形状变得比较规整，且颗粒表面趋于光滑；与l段相比，致密化程度减慢。曲线3段为固相烧结，经过前两个阶段的颗粒重排、溶解与析出，使固相颗粒结合形成骨架，剩余液相填充于骨架的间隙。固相烧结实质是颗粒与颗粒接触面积增大，并发生晶粒长大与颗粒熔并，促使制品进一步致密化的过程。 烧结技术(Sintering) 莫来石烧结 烧结助剂：就添加剂来说，一类是由于生成液相，降低烧结温度而促进莫来石烧结的。其机理是液相对固相的表面润湿力和表面张力，使固相粒子靠近并填充气孔。产生较多液相可加速烧结，但液相冷却后生成的玻璃相易于在晶界富集，对力学性能提高并不利。何况，烧成后期时间过长，还会引起晶粒异常长大，破坏细小均匀结构，使性能恶化。 另一类添加剂是与基体中Al2O3生成固溶体，导致晶格畸变而得到活化，产生大量缺陷或空位使扩散速度增大，传质作用明显，从而降低烧结温度，提高烧结速度，使结构致密化。MgO、TiO2、ZrO2是反应烧结中常用的添加剂。当MgO含量很低时会与Al2O3形成固溶体；当MgO加入量超过固溶极限时，则与Al2O3生成镁铝尖晶石第二相，并在晶界上析出，起到“钉扎”作用而阻碍晶界迁移，抑制晶粒长大；但MgO过量则反而起不到促进烧结的作用，这是由于MgO高温下比较容易挥发，增加显气孔率而降低性能。 机理编号 传质路程 物质来源 物质壑 1 2 3 4 5 6 表面扩散 晶格扩散 气相传质 晶界扩散 晶格扩散 晶格扩散 表 面 表 面 表 面 晶 界 晶 界 位 错 颈 部 颈 部 颈 部 颈 部 颈 部 颈 部 泰曼温度(Tamman Temperature) 泰曼温度：固体物质的烧结开始温度，表征固体中空位或质点不再被“冻结”的温度，因而可以比较和估计固体物质的扩散、烧结和