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第三章 烧结过程 一种或多种固体（金属、氧化物、氮化物、粘土等）粉末经过压制成型成坯体后， 坯体中通常含有大量气孔，颗粒之间的接触面积也较小，强度较低。将坯体加热到一定 温度后，坯体中的颗粒将开始相互作用，气孔逐渐收缩，气孔率逐渐减少，颗粒接触界 面逐渐扩大为晶界，最后数个晶粒相互结合，产生再结晶和晶粒长大，坯体在低于熔点 温度下变成致密，坚硬的烧结体，这种过程称为烧结。烧结过程是一个粉状物料在高温 作用下排除气孔、体积收缩而逐渐变成坚硬固体的过程，因此，通常用线收缩率、强度、 容重或气孔率等物理指标来衡量物料的烧结过程。 烧结是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高温材料等生产过程的一个重要工序。材料 性能不仅与材料的组成（化学组成和矿物组成）有关，还与材料的显微结构密切相关。 当某种材料的配方、原料颗粒、混合与成型工艺确定后，烧结过程是材料获得预期显微 结构的关键工序。因此，了解烧结过程的现象及机理，掌握烧结过程动力学对材料显微 结构的影响规律，对材料的制备和应用具有十分重要的指导意义。 第一节 烧结概述 一、 烧结定义及研究对象 人类在远古时代就利用烧结技术制备了现在世界各地不断出土的各种文物，如各种 陶瓷制品和铁器。英文中烧结用“Sintering”一词，国际标准组织（International Organization for Standardization，简称ISO ）将其定义为“加热至粉体主成分的熔点以下温度，通过粉 体颗粒间粘结使粉体或其压坯产生强度的热处理过程” ；理化学词典（日本）将烧结定 义为“将粉体加热到熔点以下或生成部分液相的温度时，成为具有烧紧程度固体的现 象” ；材料大词典对烧结的定义为“通过加热使粉体产生颗粒粘结，经过物质的迁移使粉 体产生强度并导致致密化的再结晶过程” 。虽然各种定义之间存在若干区别，但烧结过 程有两个共性的基本特征：一是需要高温加热，第二是烧结的目的是为了使粉体致密， 产生相当强的机械强度。 人类很早就利用烧结工艺来制备陶瓷、水泥、耐火材料等传统无机材料，因此烧结 是一个具有古老历史的工艺。随着材料科学技术的发展，现代烧结技术的对象已经从传 统陶瓷、耐火材料、水泥等拓展到了金属或合金、工程陶瓷材料、功能陶瓷材料、以及 各种复合材料等。 二、 现代烧结理论研究 烧结是一个比较古老的工艺过程，人类很早就利用烧结工艺来制备陶瓷、水泥、耐 火材料等，其历史可以追溯到远古时代。然而，烧结机理及动力学的系统研究是从二十 世纪才开始的。 1910 年 Coolidge 成功地实现了钨的粉末冶金工作代表了近代烧结技术的开始，此 后陆续开展了单元体系（单元氧化物如Al O 、MgO ，单元金属等）的烧结研究。上世 2 3 纪二、三十年代以Sauerward 和Trzebiatowski 等人的研究代表了烧结理论研究的开始， 92 奠定了粉末烧结理论的基础性研究工作。如1922 年Sauerward 对粉末多孔体的研究发现 烧结开始温度明显高于再结晶温度，并定义了金属粉末有效烧结的起始温度（Sauerward 温度原理）；三十年代初期，Trzebiatowski 对金属粉末的烧结进行了较为详细的研究， 并提出了烧结的定义，认为烧结是“金属粉末颗粒粘结和长大的过程” 。此后，1938 年， Price 等人第一次研究了液相烧结的溶解-析出现象，并提出了解释大颗粒长大的理论模 型。这个时期发展起来的烧结理论模型大多建立在对烧结过程中颗粒长大现象的维象解 释上，因此可以称是最初期和原始的烧结理论。 第二次世界大战期间军工产业繁荣极大地促进了金属材料制备技术与相关科学理 论的发展，烧结理论的研究也进入了新的阶段。苏联学者 Frenkel 发表的两篇具有里程 碑意义的论文揭开了现代烧结理论的新阶段：第一篇论文“结晶体中的粘性流动” （The Viscous Flow in Crystal Bodies ）第一次建立了基于两个圆球粘结简化模型，提出由空位 流动进行传质的烧结机制；第二篇论文“结晶体表面蠕变与晶体表面粗糙度” （On t