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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
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