烧结基础知识学习教案

1、会计学1烧结烧结(shoji)基础知识基础知识第一页，共88页。2 主要内容主要内容 1 1、烧结推动力及模型、烧结推动力及模型 2 2、固相烧结和液相烧结过程中的四种基本传质、固相烧结和液相烧结过程中的四种基本传质 产生的原因、条件、特点和动力学方程。产生的原因、条件、特点和动力学方程。 3 3、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制。、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制。 4 4、影响、影响(yngxing)(yngxing)烧结的因素。烧结的因素。第1页/共88页第二页，共88页。3第2页/共88页第三页，共88页。4定义定义1:压制成型后的粉状物料在低于熔点的压制成型后的粉状物料在低于

2、熔点的高温作用下、通过坯体间颗粒相互粘结和物高温作用下、通过坯体间颗粒相互粘结和物质传递质传递(chund)，气孔排除，体积收缩，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强度提高、逐渐变成具有一定的几何形状和坚固整体的致密化过程。坚固整体的致密化过程。物理性质物理性质(wl xngzh)变化：变化：V 、气孔率、气孔率 、强度、强度 、 致密度致密度 缺点：只描述宏观变化，未揭示本缺点：只描述宏观变化，未揭示本质。质。 第3页/共88页第四页，共88页。5定义定义(dngy)2:在表面张力作用下的扩散蠕在表面张力作用下的扩散蠕变。变。 优点：揭示了本质。优点：揭示了本质。 缺

3、点：未描述宏观物理性质缺点：未描述宏观物理性质(wl xngzh)变化。变化。 第4页/共88页第五页，共88页。6烧结烧结(shoji)收缩率收缩率强度强度实际密度实际密度/理论密度理论密度吸水率吸水率气孔率等气孔率等第5页/共88页第六页，共88页。7固相烧结固相烧结(shoji)液相烧结液相烧结烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程。烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程。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出现。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出现。近年来，在研制特种结构材料和功能材料的同时，产生了一近年来

4、，在研制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，放电等离子体烧结，微波烧些新型烧结方法。如热压烧结，放电等离子体烧结，微波烧结等。结等。第6页/共88页第七页，共88页。8第7页/共88页第八页，共88页。9第8页/共88页第九页，共88页。10第9页/共88页第十页，共88页。11第10页/共88页第十一页，共88页。12烧结烧结(shoji)材料性质材料性质(xngzh) 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晶界体积(tj)分数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

5、密体。陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高温材料陶瓷、耐火材料、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、湿度、韧性结构瓷：耐磨、弯曲、湿度、韧性应用应用第11页/共88页第十二页，共88页。13如何改变如何改变(gibin)材料材料性质：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(qingd)2、气孔、气孔 强度强度(应力应力(yngl)集中点集中点)； 透明度透明度(散射散射)； 铁电性和磁性。铁电性和磁性。第12页/共88页第十三页，共88页。14收缩收缩

6、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: 颗粒聚焦颗粒聚焦b: 开口堆积体中开口堆积体中颗颗 粒中心粒中心(zhngxn)逼近逼近c: 封闭堆积体中颗封闭堆积体中颗 粒中心粒中心(zhngxn)逼近逼近烧结烧结(shoji)现象示现象示意图意图烧结烧结(shoji)现象现象第13页/共88页第十四页，共88页。15烧结烧结(shoji)过程中性质的变化过程中性质的变化第14页/共88页第十五页，共88页。16三、烧结过程推动力三、烧结过程推动力 粉状物料粉状物料(w lio)的表面自由焓的表面自由焓 多晶多晶烧结体的晶界自由焓烧结体的晶界自由焓 粉体颗料尺寸很小，比表

7、面积大，具有较高的表面能，即使在加压成型体中，颗料间接面积也很小，总表面积很大而处于较高能量状态。根据最低能量原理，它将自发地向最低能量状态变化，使系统粉体颗料尺寸很小，比表面积大，具有较高的表面能，即使在加压成型体中，颗料间接面积也很小，总表面积很大而处于较高能量状态。根据最低能量原理，它将自发地向最低能量状态变化，使系统(xtng)的表面能减少。的表面能减少。烧结是一个自发的不可逆过程，系统烧结是一个自发的不可逆过程，系统(xtng)表表面能降低是推动烧结进行的基本动力。面能降低是推动烧结进行的基本动力。 第15页/共88页第十六页，共88页。17molGm/mol200G -/g1 G

8、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材料烧结材料烧结 结论：由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比，结论：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，必须很小，因而不能自发进行，必须(bx)加热加热!* 烧结烧结(shoji)能否自发进行？能否自发进行？第16页/共88页第十七页，共88页。18SVGB 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(shoji)； 共价化合物如共价化合物如Si3N4、SiC、AlN 难烧结难烧结(shoji)。*烧结烧结(shoji)难易程度的难易程度的判断：判

9、断：愈小愈易烧结愈小愈易烧结(shoji)，反之难烧，反之难烧 结。结。第17页/共88页第十八页，共88页。19*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张力而产生(chnshng)压力差，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(jiln)：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!第18页/共88页第十九页，共88页。20四、烧结模型四、烧结模型(mxng) 1945年以前：粉体压块年以前：粉体压块

10、1945年后，库津斯基年后，库津斯基)提出：双球模型提出：双球模型(mxng) 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 第19页/共88页第二十页，共88页。21 对对 象：象： 单一单一(dny)粉体的烧结。粉体的烧结。主要传质主要传质(chun zh)方式：方式：气相传质（蒸发凝聚）气相传质（蒸发凝聚）扩散传质扩散传质流动传质流动传质溶解溶解(rngji)和沉淀和沉淀第二节第二节 烧结机理烧结机理 第20页/共88页第二十一页，共88页。22（一）气相传质（一）气相传质(chun zh)

11、（蒸发凝（蒸发凝聚传质聚传质(chun zh)）第21页/共88页第二十二页，共88页。23存在范围存在范围(fnwi)：在高温下蒸汽压较大的系统。硅酸盐材料不：在高温下蒸汽压较大的系统。硅酸盐材料不多见。多见。 rxP 根据根据(gnj)开尔文公式：开尔文公式：)11(ln01xdRTMPP 传质原因：曲率传质原因：曲率(ql)差别产生差别产生P条件：液相易挥发，颗粒足够小，条件：液相易挥发，颗粒足够小，r 10m定量关系：定量关系： P 表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压P分别低于和高于平面表面处的蒸气压分别低于和高于平面表面处的蒸气压Po， 表面凹凸不平的固

12、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。第22页/共88页第二十三页，共88页。24 （二）扩散传质（二）扩散传质 扩散传质是指质点扩散传质是指质点(或空位或空位)借助于浓度梯度推动借助于浓度梯度推动而迁移的传质过程。而迁移的传质过程。对象：多数固体材料，液相不易挥发，其蒸汽压低对象：多数固体材料，液相不易挥发，其蒸汽压低。*表面张力是如何成为这种扩散的动力？表面张力是如何成为这种扩散的动力？1、表面张力引起应力分布的不均匀、表面张力引起应力分布的不均匀 由于颈部有一个曲率为由于颈部有一

13、个曲率为的凹形曲面，的凹形曲面，就使得就使得(sh de)颈部在张力的作用下并使在该曲面颈部在张力的作用下并使在该曲面之内有一个负的附加压强（之内有一个负的附加压强（为张应力）。为张应力）。这必然引起两颗粒接触处有一个压应力（这必然引起两颗粒接触处有一个压应力（x）。）。分别表示为分别表示为 和和 。FxF第23页/共88页第二十四页，共88页。25 为了定量分析为了定量分析(dnglingfnx)应力，将颈部单独取出放大，颈部应力，将颈部单独取出放大，颈部应力模型见下图。应力模型见下图。(见书图见书图3-3-5) 第24页/共88页第二十五页，共88页。26)1x1( ,x说明：颈部应力主要

14、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(shj)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接触点局部(jb)产生剪应力产生剪应力晶界滑移，颗粒重排晶界滑移，颗粒重排 密度密度，气孔率，气孔率(但颗粒形状不变，气孔不可能完全消除。但颗粒形状不变，气孔不可能完全消除。)颈部颈部(jn b)应力应力第25页/共88页第二十六页，共88页。272 有应力存在时空位有应力存在时空位(kn wi)形成所需的附加形成所需的附加功功 ./ tE(有张应力

15、时有张应力时) ./ cE(有压应力时有压应力时)空位形成空位形成(xngchng)能：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(jiln)：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C0C2 1C 2C )空位扩散：优先由颈表面空位扩散：优先由颈表面(biomin)接触点；接触点； 其次由颈表面其次由颈表面(biomin)内部扩散内部扩散原子扩散：与空位扩散方向相反，扩散终点：颈部。原子扩散：与空位扩散方向相反，扩散终点：颈部。扩散途径：扩散途径：(参见图参见图3-3-6) 表面表面

16、(biomin)扩散：沿着颗粒表面扩散：沿着颗粒表面(biomin)进行；进行； 界面扩散：沿着两颗粒之间的界面进行；界面扩散：沿着两颗粒之间的界面进行； 体积扩散：在晶格内部进行。体积扩散：在晶格内部进行。 不管扩散途径如何，扩散终点一致，即颈部是空位浓度最多的部位。因此随着烧结的进行，颈部加粗，两颗粒之间的中心距逐渐缩短，陶瓷坯体同时在收缩。不管扩散途径如何，扩散终点一致，即颈部是空位浓度最多的部位。因此随着烧结的进行，颈部加粗，两颗粒之间的中心距逐渐缩短，陶瓷坯体同时在收缩。第29页/共88页第三十页，共88页。31这种粘性这种粘性(zhn xn)(zhn xn)流动服从流动服从牛顿型粘

17、性牛顿型粘性(zhn xn)(zhn xn)流动液体的流动液体的一般关系式一般关系式（3-3-83-3-8）xvSF第30页/共88页第三十一页，共88页。32xvSF（3-3-9）第31页/共88页第三十二页，共88页。33”（四）溶解（四）溶解(rngji)和沉和沉淀淀第32页/共88页第三十三页，共88页。34液相多液相多固相在液相内有显著的可溶性固相在液相内有显著的可溶性液体润湿固相液体润湿固相2、推动力：表面能、推动力：表面能 颗粒颗粒(kl)之间形成的毛细管力。之间形成的毛细管力。r2VL P实验实验(shyn)结果：结果：0.11m的颗粒中的颗粒中间充满硅酸盐液相，其间充满硅酸盐

18、液相，其P = 1.2312.3MPa。 毛细管力造成的烧结推动力很大毛细管力造成的烧结推动力很大!1、条件、条件(tiojin)：第33页/共88页第三十四页，共88页。35第三节第三节烧结烧结(shoji)过程动力学过程动力学一、烧结一、烧结(shoji)初期的动力学研究初期的动力学研究1、烧结、烧结(shoji)模型：相接触的等径双球模型：相接触的等径双球（1）中心距不变的双球模型）中心距不变的双球模型 颈部体积颈部体积（2）中心距缩小的双球模型）中心距缩小的双球模型 颈部体积颈部体积注意：注意：)hr3(h322xv2r2xx2v42对于中心距缩短的双球模型，中间的两球交叉对于中心距缩

19、短的双球模型，中间的两球交叉(jioch)部分发球颈部，这是和中心距不变模型区别之处。部分发球颈部，这是和中心距不变模型区别之处。第34页/共88页第三十五页，共88页。36 球形颗粒接触面积颈部生长球形颗粒接触面积颈部生长(shngzhng)速率（颈部增长率关系式速率（颈部增长率关系式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 增大很快，增大很快， 但时间延长，很快停止但时间延长，很快停止(tngzh)。 说明：此类传质不能靠延长时间达到烧结。说明：此类传质不能靠延长时间达到烧结。trx2、温度、温度 T 增加

20、，有利于烧结。增加，有利于烧结。3、颗粒粒度、颗粒粒度 ，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，但双球之间中心距不变，、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，因此因此(ync)坯体不发生收缩，密度不变。坯体不发生收缩，密度不变。2、各种传质机理的烧结初期动力学公式、各种传质机理的烧结初期动力学公式（1）气相传质）气相传质-蒸发凝聚的动力学公式蒸发凝聚的动力学公式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)第35页/共88页第三十六页，共88页

21、。37（2）扩散传质的动力学公式）扩散传质的动力学公式初期：表面扩散显著。初期：表面扩散显著。 (因为表面扩散温度因为表面扩散温度 自由表面或大颗粒自由表面或大颗粒 两个部位产生化学位梯度两个部位产生化学位梯度 物质迁移。物质迁移。Kingery模型：模型：31343/11002tr)RTKVbDCK3(rhLL当当T、r一定一定：31KtLL 式中：式中：h：中心距收缩距离；：中心距收缩距离；：液气相表面张力；：液气相表面张力；D：被溶解物质在液相中的扩散系数；：被溶解物质在液相中的扩散系数；b：颗粒间的液膜厚度；：颗粒间的液膜厚度；C0：平表面晶体在液相中的溶解度；：平表面晶体在液相中的溶

22、解度；V0：液相的摩尔体积；：液相的摩尔体积；r：颗粒起始半径；：颗粒起始半径；t：烧结时间：烧结时间（3-3-43）（3-3-42）第42页/共88页第四十三页，共88页。44 由以上分析可知：颗粒重排阶段的相对收缩与时间1次方近似成比例，而溶解-沉淀阶段则相对收缩与时间的1/3次方成比例。 一般在烧结过程中先进行颗粒重排，溶解-沉淀阶段稍后，之后至达烧结中期，在溶解-沉淀阶段结束后，进入烧结末期。此时形成了一个含有许多闭口气孔的烧结体。若要继续(jx)致密化，则要依靠扩散传质充填气孔。第43页/共88页第四十四页，共88页。452、烧结中、后期的动力学研究、烧结中、后期的动力学研究（1）烧

23、结各阶段的特征）烧结各阶段的特征 在烧结过程中，细小的颗粒之间首先形成晶界。在表面在烧结过程中，细小的颗粒之间首先形成晶界。在表面自由焓的驱动下，物质通过不同的扩散途径和机理向气孔部自由焓的驱动下，物质通过不同的扩散途径和机理向气孔部位充填，逐步减少气孔所占的体积位充填，逐步减少气孔所占的体积 ，扩大晶界的面积，使材，扩大晶界的面积，使材料致密化。料致密化。 期间，连通的气孔不断缩小，两颗粒之间的晶界与相邻期间，连通的气孔不断缩小，两颗粒之间的晶界与相邻的晶界相遇，形成晶界网络，晶界移动，晶粒逐步长大。其的晶界相遇，形成晶界网络，晶界移动，晶粒逐步长大。其结果是气孔缩小，直至气孔成为孤立气孔（

24、分布于晶粒相交结果是气孔缩小，直至气孔成为孤立气孔（分布于晶粒相交的晶界上）。的晶界上）。 在烧结末期，晶粒继续均匀长大，若气孔能随着晶界一在烧结末期，晶粒继续均匀长大，若气孔能随着晶界一起移动，则气孔有可能完全排除，得到完全致密的多晶材料起移动，则气孔有可能完全排除，得到完全致密的多晶材料。此后，继续在高温下烧结，就是单纯。此后，继续在高温下烧结，就是单纯(dnchn)的晶界移的晶界移动，晶粒长大的过程了。动，晶粒长大的过程了。 注意，在烧结末期也可能出现气孔迁移速率明显低于晶注意，在烧结末期也可能出现气孔迁移速率明显低于晶界迁移速率的情况，这时气孔脱离晶界，被包到晶粒中去。界迁移速率的情况

25、，这时气孔脱离晶界，被包到晶粒中去。这是不希望出现的不正常晶粒长大现象。这是不希望出现的不正常晶粒长大现象。第44页/共88页第四十五页，共88页。46烧结(shoji)过程的三个阶段烧结(shoji)初期烧结(shoji)中期烧结后期坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失）。不同颗粒间形成的颈部相互分开，晶粒一般没有长大趋势。固坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失）。不同颗粒间形成的颈部相互分开，晶粒一般没有长大趋势。固-气总表面积没有变化。气总表面积没有变化。时间较长。传质开始，粒界增大，此时颗粒的晶界已相互交接，成为晶界的网络；空隙进一步变形

26、、缩小，但仍然连通，形如隧道，且一般处于晶界上。时间较长。传质开始，粒界增大，此时颗粒的晶界已相互交接，成为晶界的网络；空隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道，且一般处于晶界上。传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，彼此不连通，密度达到传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，彼此不连通，密度达到90%或或95以上，制品强度提高。以上，制品强度提高。第45页/共88页第四十六页，共88页。47（1）以扩散为机理的烧结过程动力学）以扩散为机理的烧结过程动力学模型模型 此时颗粒不再此时颗粒不再(b zi)是球形，而成多面体形，空隙也是球形，而成多面体形，空隙也成有规律的形状。成有规律的

27、形状。 Coble 的多面体模型的多面体模型(十四面体十四面体)，就是截角八面体。，就是截角八面体。堆积方式堆积方式顶点：四个晶粒交汇顶点：四个晶粒交汇边：三个晶粒交界线，相当于圆柱形气孔通道，成为空位源边：三个晶粒交界线，相当于圆柱形气孔通道，成为空位源扩散方式：扩散方式：圆柱形空隙圆柱形空隙晶粒接触面晶粒接触面空空 位位原原 子子第46页/共88页第四十七页，共88页。48以扩散为机理的烧结中期动力学以扩散为机理的烧结中期动力学特点特点(tdin)：气孔率降为：气孔率降为5，收缩率达，收缩率达8090。 原因：颗粒粘结，颈部扩大，原因：颗粒粘结，颈部扩大， 气孔形状由不规则气孔形状由不规则

28、 圆柱形管道，圆柱形管道， 且相且相互连通；互连通； 晶界开始移动；晶粒正常生长。晶界开始移动；晶粒正常生长。第47页/共88页第四十八页，共88页。49) tt(KTLD17Pf33C自孔隙率孔隙率烧结时间烧结时间 根据建立的模型，烧结中期气孔是圆柱形孔道，并处于三个晶粒相交的晶界线上。可把圆柱形孔道作为空位源。空位从这里根据建立的模型，烧结中期气孔是圆柱形孔道，并处于三个晶粒相交的晶界线上。可把圆柱形孔道作为空位源。空位从这里(zhl)向晶粒界面中心迁移，质点则反向扩散使坯体进一步致密化。向晶粒界面中心迁移，质点则反向扩散使坯体进一步致密化。 设，空位从圆柱形空隙向晶粒界面扩散是放射状的。

29、设，空位从圆柱形空隙向晶粒界面扩散是放射状的。（3-3-49） 式中tf是为空隙完全消失所需的时间，t是变量。当烧结时间t愈长，愈tf，则tft之差愈小，气孔率Pc也愈小，制品(zhpn)愈致密。 注意：有不正常晶粒生长发生、气孔完全孤立或存在界面扩散机制时，上式不适用。第48页/共88页第四十九页，共88页。50特点：气孔完全孤立，位于特点：气孔完全孤立，位于(wiy)顶点，晶粒已明显长顶点，晶粒已明显长大，大， 坯体收缩率达坯体收缩率达90100。 ) tt (KTL2D6Pf33C自相相对对密密度度1.00.90.80.70 10 100 1000t(min)结论：结论： 中期和后期烧中

30、期和后期烧结过程无明显差结过程无明显差异。当温度异。当温度(wnd)和颗粒和颗粒尺寸不变时，气尺寸不变时，气孔率与时间均呈孔率与时间均呈线性关系。线性关系。以扩散为机理以扩散为机理(j l)的烧结末期动力学的烧结末期动力学（3-3-50）第49页/共88页第五十页，共88页。51以粘滞以粘滞(zhn zh)流动为机理的烧结后期动力学流动为机理的烧结后期动力学 以粘滞以粘滞(zhn zh)流动为机理的烧结系统，经过一段时间烧结后形成了上个含有许多闭口气孔的烧结体，这标志着已进入了烧结后期。流动为机理的烧结系统，经过一段时间烧结后形成了上个含有许多闭口气孔的烧结体，这标志着已进入了烧结后期。麦肯基

31、粘性流动坯体内的收缩方程麦肯基粘性流动坯体内的收缩方程(fngchng)：(近似法近似法)d1(r23dtdd总结总结：影响粘性流动传质的：影响粘性流动传质的三参数三参数)(Tr 孤孤立立气气孔孔r 2 式中：式中：d：相对密度；：相对密度；r:起始颗粒半径起始颗粒半径上式表明：粘度越小，物料上式表明：粘度越小，物料(w lio)粒度越细，烧结得越快。粒度越细，烧结得越快。第50页/共88页第五十一页，共88页。52结果结果(ji gu)与讨论与讨论烧结的机理是复杂和多样的，烧结的机理是复杂和多样的，但都是以表面张力为动力的。但都是以表面张力为动力的。应该指出，对于不同物料和烧应该指出，对于不

32、同物料和烧结条件，这些过程并不是并重结条件，这些过程并不是并重的，往往是某一种或几种的，往往是某一种或几种(j zhn)机理起主导作用。当条机理起主导作用。当条件改变时可能取决于另一种机件改变时可能取决于另一种机理。理。 第51页/共88页第五十二页，共88页。53第52页/共88页第五十三页，共88页。541、单相体系、单相体系 原子从晶界的一边扩散到晶界的另一边，使部分晶粒缩小，原子从晶界的一边扩散到晶界的另一边，使部分晶粒缩小，另一部分晶粒长大，晶粒数逐步减少，平均另一部分晶粒长大，晶粒数逐步减少，平均(pngjn)晶粒尺寸不晶粒尺寸不断增加。断增加。动力：晶界曲面动力：晶界曲面两边的压

33、强差。两边的压强差。G差别使晶界差别使晶界向曲率中心移动；向曲率中心移动；同时小晶粒长大同时小晶粒长大(chn d)，界，界面能面能 晶界结构晶界结构(A)及原子跃迁的能量变化（及原子跃迁的能量变化（B）第53页/共88页第五十四页，共88页。55)(exp)11(*21RTHRSrrRTVNhRTv 晶界移动晶界移动(ydng)速率：速率： vTr T，则则，、rv（3-3-56） 说明晶粒长大速率随温度呈指数规律增加，因此(ync)温度控制很重要。为了获得细晶粒，不能随便提高烧成温度。第54页/共88页第五十五页，共88页。562、单相固溶体系、单相固溶体系 当添加杂质于基质中形成当添加杂

34、质于基质中形成(xngchng)单相固溶体系时，由于溶质离子在尺寸或电价上的差异，它更倾向于在晶界有较高的浓度。单相固溶体系时，由于溶质离子在尺寸或电价上的差异，它更倾向于在晶界有较高的浓度。 这种固溶杂质在晶界富集的现象（晶界偏析）对晶界的确运动产生一定的牵制作用这种固溶杂质在晶界富集的现象（晶界偏析）对晶界的确运动产生一定的牵制作用杂质牵制效应。杂质牵制效应。3、存在有二相物质的晶界体系、存在有二相物质的晶界体系 当晶界上有第二相包裹物存在时。它们对晶界的移动产生钉扎作用。当晶界上有第二相包裹物存在时。它们对晶界的移动产生钉扎作用。 原因：晶界移动遇到包裹物时，为了通过它，界面能就降低，降

35、低的量正比于包裹物的横截面积原因：晶界移动遇到包裹物时，为了通过它，界面能就降低，降低的量正比于包裹物的横截面积 。通过障碍后，弥补界面又要付出能量，结果使界面继续前进能力减弱，界面变得平直。当晶界前进的驱动力和第二相物质造成的阻力相当时，晶界移动即停止。坯体的晶粒尺寸达到一种稳定状态。通过障碍后，弥补界面又要付出能量，结果使界面继续前进能力减弱，界面变得平直。当晶界前进的驱动力和第二相物质造成的阻力相当时，晶界移动即停止。坯体的晶粒尺寸达到一种稳定状态。第55页/共88页第五十六页，共88页。57界面界面通过通过夹杂夹杂物时物时形状形状变化变化第56页/共88页第五十七页，共88页。584、

36、存在可移动的二相质点的晶界体系、存在可移动的二相质点的晶界体系 晶界上有气孔存在的体系。晶界上有气孔存在的体系。 气孔和晶界可以相互作用，可以移动；有时晶界移动速率受气孔移动速率控制。气孔和晶界可以相互作用，可以移动；有时晶界移动速率受气孔移动速率控制。 设晶界移动速率为设晶界移动速率为vb，气孔移动速率为，气孔移动速率为vp，界面的迁移率为，界面的迁移率为Bp，数量为，数量为N，晶界移动的驱动力，晶界移动的驱动力Fb。烧结中期：气孔较多，牵制晶界移动烧结中期：气孔较多，牵制晶界移动 ，此时：，此时： vb= FbBp/ N （3-3-57）烧结后期：烧结后期： 当温度控制适当，当温度控制适当

37、，vb=vp时，晶界带动气孔以正常移动，使气孔一起保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为时，晶界带动气孔以正常移动，使气孔一起保持在晶界上，气孔可以利用晶界作为(zuwi)空位传递的快速通道逐步减少以至消失。空位传递的快速通道逐步减少以至消失。 若温度控制不当，由于晶界移动速度随温度呈指数增加，导致若温度控制不当，由于晶界移动速度随温度呈指数增加，导致vb大于大于vp，晶界越过气孔，气孔包入晶粒内部，使排除困难。，晶界越过气孔，气孔包入晶粒内部，使排除困难。第57页/共88页第五十八页，共88页。59第58页/共88页第五十九页，共88页。605、含有连续第二相的体系、含有连续第二相的体系 连续第

38、二相的体系：当烧结时出现液相连续第二相的体系：当烧结时出现液相，它和固相的润湿性很好，在高温，它和固相的润湿性很好，在高温(gown)下形成复盖于晶粒上的液膜，在晶界上出现下形成复盖于晶粒上的液膜，在晶界上出现一个连续的第二相薄膜网络。一个连续的第二相薄膜网络。 在有连续液相存在条件下的晶粒长大，在有连续液相存在条件下的晶粒长大，其驱动力来源于液相两边晶界曲率不同所造其驱动力来源于液相两边晶界曲率不同所造成的化学位梯度，小晶粒表面的原子通过液成的化学位梯度，小晶粒表面的原子通过液相扩散到大晶粒上使之长大。对于总液相量相扩散到大晶粒上使之长大。对于总液相量恒定的情况，晶粒长大规律和单相固溶体的恒

39、定的情况，晶粒长大规律和单相固溶体的情况相似。情况相似。第59页/共88页第六十页，共88页。612、减缓晶界迁移速率、减缓晶界迁移速率vb，保持，保持vb=vp ，即晶界和气孔不分离。，即晶界和气孔不分离。如加添加剂。如加添加剂。3、防止不正常晶粒长大（又称、防止不正常晶粒长大（又称二次再结晶）。二次再结晶）。第60页/共88页第六十一页，共88页。62二次再结晶二次再结晶概念：概念： 当正常晶粒生长由于气孔等阻碍而当正常晶粒生长由于气孔等阻碍而停止时，在均匀基相中少数大晶粒在停止时，在均匀基相中少数大晶粒在界面界面(jimin)能作用下向邻近小晶粒能作用下向邻近小晶粒曲率中心推进，而使大晶

40、粒成为二次曲率中心推进，而使大晶粒成为二次再结晶的核心，晶再结晶的核心，晶 粒迅速长大。粒迅速长大。 推动力：大、小晶粒表面能的不同。推动力：大、小晶粒表面能的不同。 二次再结晶二次再结晶 晶粒长大晶粒长大 不均匀生长不均匀生长 均匀生长均匀生长不符合不符合Dl=d/f 符合符合Dl=d/f 气孔被晶粒包裹气孔被晶粒包裹 气孔排除气孔排除 界面上有应力界面上有应力 界面无应力界面无应力比较比较第61页/共88页第六十二页，共88页。63晶粒异常长大晶粒异常长大(chn d)的根源：的根源：控制温度控制温度(抑制晶界移动抑制晶界移动(ydng)速率速率)；起始粉料粒度细而均匀；起始粉料粒度细而均

41、匀；加入少量晶界移动加入少量晶界移动(ydng)抑制剂。抑制剂。 3 6 10 30 60 100100603010631起始粒度起始粒度最后晶粒与起始最后晶粒与起始晶粒尺寸的比例晶粒尺寸的比例起始颗粒大小；起始颗粒大小；起始粒度不均匀起始粒度不均匀(jnyn)；烧结温度偏高；烧结温度偏高；烧结速率太快；烧结速率太快；成型压力不均匀成型压力不均匀(jnyn)；有局部不均匀有局部不均匀(jnyn)液相。液相。采取措施：采取措施：4、采用热压烧成方法、采用热压烧成方法 热压烧成：热压烧成：在烧结过程中加上一定的外加压力。在烧结过程中加上一定的外加压力。 热压烧成由于施加了外力，致密化的驱动力加大，

42、可完全排除气孔，得到具有理论密度的陶瓷制品。热压烧成由于施加了外力，致密化的驱动力加大，可完全排除气孔，得到具有理论密度的陶瓷制品。第62页/共88页第六十三页，共88页。64（三）晶界（三）晶界 晶界的性质及对材料性能的影响晶界的性质及对材料性能的影响(yngxing)。 晶界本身就是陶瓷显微结构的组成部分晶界本身就是陶瓷显微结构的组成部分，常常对材料性能起关键作用。，常常对材料性能起关键作用。 晶界在烧结中的应用：晶界在烧结中的应用：第63页/共88页第六十四页，共88页。65影 响 因 素烧结烧结(shoji)温度和烧结温度和烧结(shoji)时间时间物料物料(w lio)影影响响其它因素的影响其它因素的影响第64页