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第九章烧结

§9-1烧结过程概述

§9-2固态烧结

§9-3液相参与的烧结

§9-4晶粒生长与二次再结晶

§9-5影响烧结的因素;

§9-1烧结过程概述

烧结是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高温材料等学科的一个重要工序。烧结的目的是把粉状物料转变为致密体。

一．烧结的定义

1．烧结——一种或多种固体粉末经过成型，在一定温度下开始收缩，排除气孔致密化，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体的过程称为烧结。;2．烧结所包含的主要物理过程：

坯体中气孔率达35~60%，

颗粒间点接触或没有接触；

随着温度升高，颗粒间接

触面积增大→颗粒聚集→颗粒

中心靠近；

逐渐形成晶界→气孔变形，

晶粒变形→气孔收缩，坯体收

缩，气体排除；

连通气孔→孤立的封闭气孔，

直至绝大局部气体被排除。;

烧结是一个物理过程，没有化学反响发生。随着烧结过程的完成，坯体表现为体积收缩、气孔率下降、致密、强度增加、电阻率减小等。;3．衡量烧结程度的几个指标

〔1〕用坯体的收缩率ΔL/L表示；

〔2〕用坯体的气孔率〔气孔体积/总体积〕表示；

〔3〕用坯体的相对密度〔实际密度/理论密度〕表示；

4．烧结的分类

〔1〕从参加烧结的物质状态分：

固相烧结与液相烧结；

〔2〕从参加烧结的物质有无化学反响发生分：

物理烧结与化学烧结；

〔3〕从烧结时工艺条件分：

普通烧结与特种烧结。;二．与烧结有关的一些概念

1．烧结与烧成

烧成——包括物料的预热、脱水、分解、多相反响、熔融、溶解、烧结等多种物理和化学变化；

烧结——仅指粉料经加热而致密化的简单物理过程，是烧成过程的一局部。

2．烧结与熔融

相同点：都是由高温下质点迁移的结果。

不同点：熔融通过质点迁移其间距增大，并且全部组元都处于液态；

Tamman提出烧结温度TS与熔融温度TM间的规律：硅酸盐TSM;3.烧结与固相反响

相同点：二个过程开始进行的温度都远低于熔融温度，在Tamman温度开始，并且过程自始至终至少有一相是固态；

不同点：固相反响是一化学反响过程，至少有二组元??加，并发生化学反响最后形成化合物；

烧结是一物理过程，可以是单组元或二组元，组元间不发生化学反响。

烧结中微观晶相并未变化，仅是晶相显微组织上排列致密和结晶程度更加完善。实际生产中，烧结会伴随固相反响和局部熔融。;三．烧结过程推动力

粉料在制备过程中，粉末颗粒外表储存机械能——以外表能形式。

粉料的外表能大于多晶烧结体的晶界能，这种外表能的降低就是烧结的推动力。

判断烧结进行的难易程度，用晶界能?GB与外表能?SV的比值〔?GB/?SV〕衡量。?GB/?SV比值越小，越易烧结；比值大难烧结。;粉体颗粒粒度与烧结推动力的关系：

粉末体系中，其弯曲外表上由于外表张力的作用而产生的压力差为：

对于非球形曲面，可用二个主曲率半径r1和r2表示，

粉料与越细，由曲率引起的烧结动力越大。;?;

球形颗粒连接处曲率半径ρ和接触颈部半径x之间的开尔文公式：

当压力差ΔP=P0-P1很小时，且xρ，

;二．扩散传质

1．根本原理

颈部应力模型——说明烧结过程推动力如何促使质点在固相中迁移，〔如图〕。;垂直作用于曲面元ABCD上的合力F：

作用在ABCD面积元上的应力σ为：

σ≈-?/ρ;2．晶粒中心靠近机理

颗粒接触点处的应力使扩散传质中的物质定向迁移。物质向气孔迁移，而空位〔气孔作为空位源〕作反向迁移。

如图，颈部中心受到压应力σ2，

在压应力区，空位浓度低；

颈部外表受到张应力σρ，

在张应力区，空位浓度高。

空位由浓度高的区域向浓度低的区域迁移，即由颈部外表→颈部中心〔颗粒内部〕迁移；

质点作反方向迁移，即由颈部中心〔颗粒内部〕→颈部外表迁移。结果使颗粒中心距离缩短。;设：颗粒内部空位浓度[C0]，空位形成能ΔGf；

颈部中心空位浓度[Cn]，空位形成能ΔGf+σΩ；

颈部外表空位浓度[Ct]，空位形成能ΔGf-σΩ；