烧结理论简介

1、School of Materials Science & Engineering 第第1414章章烧烧 结结SinteringSinteringSchool of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 烧结烧结材料性质材料性质 结构结构化学组成、矿物组成化学组成、矿物组成显微结构显微结构晶粒尺寸分布晶粒尺寸分布气孔尺寸分布气孔尺寸分布晶界体积分数晶界体积分数改变改变目的目的：粉状物料变成致密体。：粉状物料变成致密体。陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高温材料陶瓷、耐

2、火材料、粉沫冶金、超高温材料现代无机材料现代无机材料 如：功能瓷：热、声、光、电、磁、生物特性。如：功能瓷：热、声、光、电、磁、生物特性。 结构瓷：耐磨、弯曲、强度、韧性结构瓷：耐磨、弯曲、强度、韧性应用应用School of Materials Science & Engineering 如何改变材料性质：如何改变材料性质： 1、)f(G21- 断裂强度断裂强度晶粒尺寸晶粒尺寸G 强度强度 2、气孔、气孔 强度强度(应力集中点应力集中点)； 透明度透明度(散射散射)； 铁电性和磁性。铁电性和磁性。School of Materials Science & Engineerin

3、g School of Materials Science & Engineering 主要内容主要内容 1、烧结推动力及模型、烧结推动力及模型 2、固相烧结和液相烧结过程中的、固相烧结和液相烧结过程中的四种基本传质四种基本传质 产生的原因产生的原因、条件、特点和动力学方程条件、特点和动力学方程。 3、烧结过程中、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制晶粒生长与二次再结晶的控制。 4、影响烧结的因素。、影响烧结的因素。School of Materials Science & Engineering 收缩收缩a收缩收缩b收缩收缩无气孔的无气孔的多晶体多晶体c说明：说明：a: 颗粒

4、聚焦颗粒聚焦b: 开口堆积体中颗开口堆积体中颗 粒中心逼近粒中心逼近c: 封闭堆积体中颗封闭堆积体中颗 粒中心逼近粒中心逼近烧结现象示意图烧结现象示意图14141 1 概述概述School of Materials Science & Engineering 6/1 12/2 a)烧结前烧结前 b)烧结后烧结后 图图 铁粉烧结的铁粉烧结的SEM照片照片School of Materials Science & Engineering 烧结过程中性质的变化：烧结过程中性质的变化：School of Materials Science & Engineering 一、烧结的

5、定义及分类一、烧结的定义及分类物理性质物理性质变化：变化：V 、气孔率、气孔率 、强度、强度 、致密度、致密度 定义定义1：一种或多种粉末经成型，在加热到一定温：一种或多种粉末经成型，在加热到一定温 度后开始收缩，度后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体。在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体。缺点缺点：只描述宏观变化，未揭示本质。：只描述宏观变化，未揭示本质。定义定义2：由于分子或原子的吸引，通过加热使粉体产生颗粒粘结，：由于分子或原子的吸引，通过加热使粉体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末产生强度并致密化和再结晶的过程。经过物质迁移使粉末产生强度并致密化和再结晶的过程。衡量烧结的

6、衡量烧结的指标指标： 收缩率、气孔率、吸水率、相对密度收缩率、气孔率、吸水率、相对密度School of Materials Science & Engineering o 按照烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类：按照烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类： 固相烧结固相烧结液相烧结液相烧结烧结温度下基本上无液相出烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化物之现的烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程。间的烧结过程。有液相参与下的烧结，如多组有液相参与下的烧结，如多组分物系在烧结温度下常有液相分物系在烧结温度下常有液相出现。出现。近年来，在研制特种结构材料和功能材料的同时，产近年来，在研制

7、特种结构材料和功能材料的同时，产生了一些新型烧结方法。如热压烧结，放电等离子体生了一些新型烧结方法。如热压烧结，放电等离子体烧结，微波烧结等。烧结，微波烧结等。School of Materials Science & Engineering 图图1 热压炉热压炉School of Materials Science & Engineering o图图2 放电等离子体烧结炉（放电等离子体烧结炉（SPS）School of Materials Science & Engineering o图图3 气压烧结炉（气压烧结炉（GPS）School of Materials Sc

8、ience & Engineering o图图4 微波烧结炉微波烧结炉School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 二、与烧结有关的一些概念二、与烧结有关的一些概念 1、烧结与烧成、烧结与烧成烧成：在一定的温度范围内烧制成致密体的过程。烧成：在一定的温度范围内烧制成致密体的过程。烧结：粉料经加热而致密化的简单物理过程。烧结：粉料经加热而致密化的简单物理过程。

9、2、烧结与熔融、烧结与熔融 烧结：至少一组元为固态烧结：至少一组元为固态 熔融熔融 ：固体熔化成熔体固体熔化成熔体 3、烧结与固相反应、烧结与固相反应 相同点：相同点： 反应进行温度均低于熔点反应进行温度均低于熔点 不同点：是否为化学反应不同点：是否为化学反应School of Materials Science & Engineering 三、烧结过程推动力三、烧结过程推动力 粉状物料的表面能粉状物料的表面能 多晶烧结体的晶界能多晶烧结体的晶界能 * 烧结能否自发进行？烧结能否自发进行？ molGm/mol200G -/g1 G 1几万卡几万卡一般化学反应一般化学反应卡卡石英石英卡卡

10、材料烧结材料烧结 结论结论：由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比，：由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比， 很小，因而不能自发进行很小，因而不能自发进行，必须加热必须加热!School of Materials Science & Engineering SVGB 表表面面能能晶晶界界能能SV GB例例： Al2O3 : 两者差别较大，易烧结；两者差别较大，易烧结； 共价化合物如共价化合物如Si3N4、SiC、AlN 难烧结。难烧结。*烧结难易程度的判断：烧结难易程度的判断：愈小愈易烧结，反之难烧结。愈小愈易烧结，反之难烧结。School of Materials Scienc

11、e & Engineering *推动力与颗粒细度的关系：推动力与颗粒细度的关系： 颗粒堆积后，有很多细小气孔弯曲表面由于表面颗粒堆积后，有很多细小气孔弯曲表面由于表面张力而产生压力差，张力而产生压力差，/r2P 当当为为球球形形： )1r1(P 21r 当当非非球球形形： 结论结论：粉料愈细，由曲率而引起的烧结推动力愈大：粉料愈细，由曲率而引起的烧结推动力愈大!School of Materials Science & Engineering 四、烧结模型四、烧结模型 1945年以前：年以前：粉体压块粉体压块 1945年后，年后，G.C.Kuczynski (库津斯基库津斯基

12、)提出：提出：双球模型双球模型 中中心心距距不不变变中中心心距距缩缩短短rxVrxArx2/2/4322 rxVrxArx4/2/4/4322 rxVrxArx2/2/432 School of Materials Science & Engineering 14142 2 固态烧结固态烧结 对对 象：象： 单一粉体的烧结。单一粉体的烧结。主要传质方式：主要传质方式：蒸发凝聚蒸发凝聚扩扩 散散School of Materials Science & Engineering 一、蒸发凝聚传质一、蒸发凝聚传质 rxP 表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压表面张力能使凹、凸表面处的蒸气

13、压P分别低于和高于平分别低于和高于平面表面处的蒸气压面表面处的蒸气压Po，并可以用开尔文本公式表达：，并可以用开尔文本公式表达：对于球形表面对于球形表面 （1）dRTrMPP2ln0对于非球形表面对于非球形表面 （2）)11(ln210rrdRTMPP表面凹凸不平的固体颗粒，其凸处呈正压，凹处呈负表面凹凸不平的固体颗粒，其凸处呈正压，凹处呈负压，故存在着使物质自凸处向凹处迁移。压，故存在着使物质自凸处向凹处迁移。School of Materials Science & Engineering 存在范围存在范围：在高温下蒸汽压较大的系统：在高温下蒸汽压较大的系统(NaCl KCl Be

14、O PbO)。 硅酸盐材料不多见。硅酸盐材料不多见。传质原因传质原因：曲率差别产生：曲率差别产生 P条件条件：颗粒足够小，：颗粒足够小，r 10 m定量关系定量关系： P School of Materials Science & Engineering 根据根据烧结的模型烧结的模型(双球模型双球模型中心距不变中心距不变) 蒸发凝聚机理蒸发凝聚机理(凝聚速率颈部体积增加凝聚速率颈部体积增加) 球形颗粒接触面积颈部生长速率关系式球形颗粒接触面积颈部生长速率关系式31323/122/32/302/3.)23(tdTRPMrx 讨论讨论：1、x/r t1/3 ，证明初期，证明初期x/r 增大

15、很快，增大很快， 但时间延长，很快停止。但时间延长，很快停止。 说明说明：此类传质不能靠延长时间达到烧结。：此类传质不能靠延长时间达到烧结。trx2、温度、温度 T 增加，有利于烧结。增加，有利于烧结。3、颗粒、颗粒粒度粒度 ，愈小烧结速率愈大。，愈小烧结速率愈大。4、特点：烧结时颈部扩大，气孔形状改变，但双球、特点：烧结时颈部扩大，气孔形状改变，但双球 之间中心距不变，因此之间中心距不变，因此坯体不发生收缩，密度不变坯体不发生收缩，密度不变。School of Materials Science & Engineering 二、扩散传质二、扩散传质 对象对象：多数固体材料，由于其蒸汽

16、压低。：多数固体材料，由于其蒸汽压低。 (一一)、颈部应力模型、颈部应力模型(见书图见书图146) School of Materials Science & Engineering )1x1( ,x说明：颈部应力主要由说明：颈部应力主要由可以忽略不计。可以忽略不计。产生，产生，xF F(张应力张应力)2 理理想想状状况况静压力静压力2 实实际际状状况况颗粒尺寸、形状、堆积方式不同，颗粒尺寸、形状、堆积方式不同， 颈颈部形状不规则部形状不规则接触点局部产生剪应力接触点局部产生剪应力晶界滑移，颗粒重排晶界滑移，颗粒重排 堆积密度堆积密度 ，气孔率，气孔率 ，坯体收缩，坯体收缩(但颗粒形状

17、不变，气孔不可能完全消但颗粒形状不变，气孔不可能完全消除。除。)颈部应力颈部应力School of Materials Science & Engineering (二二)、颗粒中心靠近机理、颗粒中心靠近机理 中心距缩短中心距缩短，必有物质向气孔迁移，气孔作为，必有物质向气孔迁移，气孔作为空位源。空位源。 空位消失的部位空位消失的部位： 自由表面、晶界、位错。自由表面、晶界、位错。 考查考查空位浓度变化空位浓度变化。 School of Materials Science & Engineering 2 有应力存在时空位形成所需的有应力存在时空位形成所需的附加功附加功 ./ t

18、E(有张应力时有张应力时) ./ cE(有压应力时有压应力时)空位形成能空位形成能：无应力时：无应力时： EV .EE )(VV ：接接触触点点压压应应力力区区 .EE )(VV ：颈颈表表面面张张应应力力区区结论结论：张应力区空位形成能：张应力区空位形成能无应力区无应力区C0Cc 1C 2C 从式可见，在一定温度下从式可见，在一定温度下空位浓度差是与表面张空位浓度差是与表面张力成比例力成比例的，因此由扩散机理进行的烧结过程，的，因此由扩散机理进行的烧结过程，其推动力也是其推动力也是表面张力表面张力。.C 推动力推动力曲率曲率颈部扩大颈部扩大 School of Materials Scien

19、ce & Engineering 3、扩散途径、扩散途径 ( 结论结论： CtC0Cc 1C 2C )空位扩散空位扩散：优先优先由颈表面由颈表面接触点；接触点； 其次其次由颈表面由颈表面内部扩散内部扩散原子扩散原子扩散：与空位扩散：与空位扩散方向方向相反，相反，扩散终点：颈部扩散终点：颈部。扩散途径扩散途径：(参见参见P264，图，图148) 表面扩散表面扩散 界面扩散界面扩散 体积扩散体积扩散School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering Schoo

20、l of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering (三三)、扩散传质的动力学关系、扩散传质的动力学关系 1、初期：、初期：表面扩散显著表面扩散显著。 (因为表面扩散温度因为表面扩散温度D021KtD 21logtlogD 作图，斜率作图，斜率由由(2)、实际、实际：直线斜率为：直线斜率为1/21/3， 且更接近于且更接近于1/3。 原因原因：晶界移动晶界移动时时遇到杂质或遇到杂质或 气孔气孔而限制了晶粒的生长。而限制了晶粒的生长。界面界面通过通过夹杂夹杂物时物时形状形状变

21、化变化School of Materials Science & Engineering 3、晶界移动、晶界移动 气孔位于气孔位于晶界晶界上上移动移动？阻碍阻碍？影响因素影响因素： 晶界曲率；晶界曲率； 气孔直径、数量；气孔直径、数量； 气孔作为空位源向晶界扩散的速度气孔作为空位源向晶界扩散的速度 气孔内气体压力大小；气孔内气体压力大小； 包裹气孔的晶粒数。包裹气孔的晶粒数。School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering (A) Vb=0 (B) Vb

22、 = Vp (C) Vb Vp_晶界移动方向晶界移动方向气孔移动方向气孔移动方向Vb晶界移动速度；晶界移动速度；Vp气孔移动速度气孔移动速度。气孔通过气孔通过空位传递空位传递而汇集或消失。而汇集或消失。实现烧结体的致密化。实现烧结体的致密化。于烧结体致密于烧结体致密化不利。化不利。初期初期中、后期中、后期后期后期School of Materials Science & Engineering 后期：后期：当当Vp=Vb时，时，A：要严格要严格控制温度。控制温度。通过体积扩散排除通过体积扩散排除除除气孔留在晶粒内而难排气孔留在晶粒内而难排晶界移动速率太快晶界移动速率太快过高，或出现异常

23、生长过高，或出现异常生长若若)( )( TB：在晶界上产生在晶界上产生少量液相少量液相， 可抑制晶粒长大。可抑制晶粒长大。原因原因：界面移动推动力降低，：界面移动推动力降低， 扩散距离增加。扩散距离增加。School of Materials Science & Engineering 4、讨论讨论：坯体理论密度与实际密度存在差异的原因？：坯体理论密度与实际密度存在差异的原因？ 晶粒长大是否无止境？晶粒长大是否无止境？(1) 存在因素存在因素：气孔不能完全排除。：气孔不能完全排除。随烧结进行，随烧结进行，T升高，气孔逐渐缩小，升高，气孔逐渐缩小，气孔内压增大，当等于气孔内压增大，当等于

24、2 /r时，烧结停止。时，烧结停止。但温度继续升高，引起膨胀，对烧结不利。但温度继续升高，引起膨胀，对烧结不利。(2) 采取措施采取措施气氛烧结、真空烧结、热压烧结等。气氛烧结、真空烧结、热压烧结等。School of Materials Science & Engineering 讨论：讨论： a、(3) 晶粒生长极限尺寸晶粒生长极限尺寸fdDl d夹杂夹杂物或气孔的平均直径物或气孔的平均直径f夹杂物或气孔的体积分数夹杂物或气孔的体积分数Dl晶粒正常生长时的极限尺寸晶粒正常生长时的极限尺寸 lD d一一定定时时，f原因原因：相遇几率：相遇几率 小。小。b、 初期初期：f 很大，很大，

25、d小，小，D0 Dl，所以晶粒不会，所以晶粒不会长大；长大； 中期中期： f 下降下降，d 增大增大， Dl增大。增大。 当当D0 Dl，晶粒开始均匀生长。，晶粒开始均匀生长。 后期：后期：一般一般f=10%时，晶粒停止生长。时，晶粒停止生长。 普通烧结中坯体终点密度低于理论密度的原因。普通烧结中坯体终点密度低于理论密度的原因。School of Materials Science & Engineering 二、二次再结晶二、二次再结晶二次再结晶是坯体中少数大晶粒尺寸的二次再结晶是坯体中少数大晶粒尺寸的异常增加，其结果是个别晶粒的尺寸增异常增加，其结果是个别晶粒的尺寸增加，这是区别于

26、正常的晶粒长大的。加，这是区别于正常的晶粒长大的。概念概念：School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 晶粒异常长大的根源：晶粒异常长大的根源：造成二次再结晶的原因造成二次再结晶的原因主要主要是是原始物料粒度原始物料粒度不均匀及烧结温度偏高不均匀及烧结温度偏高School of Materials Science & Engineering 控制温度控制温度(抑制晶界移动速率抑制晶界移动速率)；起始粉料粒度起始粉料粒度分布均匀分布均匀；加入少量加入

27、少量晶界移动抑制剂晶界移动抑制剂（MgO加入到加入到Al2O3）。 晶粒生长公式为：晶粒生长公式为：Kt303GG 采取措施：采取措施：School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 三、晶界在烧结中的应用三、晶界在烧结中的应用晶界上溶质的偏聚可以延晶界上溶质的偏聚可以延缓晶界的移动。缓晶界的移动。晶界对扩散传质烧结过程晶界对扩散传质烧结过程是有利的。是有利的。School of Materials Science & Engineering 1414

28、5 5 影响烧结的因素影响烧结的因素一、原始粉料粒度一、原始粉料粒度(细而均匀细而均匀)School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 1、外加剂与烧结主体形成、外加剂与烧结主体形成固溶体固溶体 两者离子产生的晶格畸变程度越大，越有利两者离子产生的晶格畸变程度越大，越有利于烧结。于烧结。 例例：Al2O3中加入中加入3Cr2O3可在可在1860烧结；烧结； 当加入当加入12TiO2只需在约只需在约1600就能致密化。就能致密化。 二、外加剂（适量）的作用二、外

29、加剂（适量）的作用School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 2、外加剂与烧结主体形成、外加剂与烧结主体形成液相液相烧结时若有适当的液相，（烧结时若有适当的液相，（1）往往会大大促进颗粒重排）往往会大大促进颗粒重排和传质过程；（和传质过程；（2）能在较低温度下产生液相，以促进烧）能在较低温度下产生液相，以促进烧结。液相的出现，可能是添加物本身熔点较低；也可能结。液相的出现，可能是添加物本身熔点较低；也可能与烧结物形成多元低共熔物。与烧结物形成多元低共熔物。

30、 例例：制：制95Al2O3材料，加入材料，加入CaO、SiO2， 当当CaO:SiO2=1时，产生液相在时，产生液相在1540即可烧结。即可烧结。 制备制备MgO瓷时，加入瓷时，加入V2O5或或CuO,促使液相的生成。促使液相的生成。 School of Materials Science & Engineering 3、外加剂与烧结主体形成、外加剂与烧结主体形成化合物（化合物（抑制晶界移动抑制晶界移动） School of Materials Science & Engineering 4、外加剂、外加剂阻止多晶转变阻止多晶转变 例：例：ZrO2中加入中加入5CaO，抑制晶型转变，使之致密化。，抑制晶型转变，使之致密化。5、外加剂、外加剂(适量适量)起起扩大烧结范围扩大烧结范围的作用的作用 例例：在锆钛酸铅材料中加入在锆钛酸铅材料中加入适量适量La2O3和和Nb2O5， 可使烧结范围由可使烧结范围由2040 增加到增加到80。School of Materials Science & Engineering 三、烧结温度和保温时间三、烧结温度和保温时间lgD高温高温低温低温1/TDSDV扩散系数与温度的关系扩散系数与温度的关系结论：结论：高温短时间高温短时间烧结是烧结是 制造致密陶瓷材料