烧结理论简介

1、第14章，烧结，烧结，材料性能和结构，粒度分布，孔径分布，晶界体积分数，陶瓷，耐火材料，粉末冶金，超高温材料现代无机材料如功能陶瓷：热，声，光，电，磁和生物特性。结构瓷：耐磨性、弯曲性、强度、韧性、应用、如何改变材料性能：1、g强度、2、孔隙强度(应力集中点)；透明度(散射)；铁电性和磁性。主要内容：1 .烧结的驱动力和模型；2.固相烧结和液相烧结四种基本传质的原因、条件、特点和动力学方程。3.烧结过程中晶粒生长和二次再结晶的控制。4.影响烧结的因素，无孔多晶，c，描述：a:粒子焦点b3360粒子中心接近c:粒子中心接近闭合堆，烧结现象示意图，141概述，a)烧结前，b)烧结后铁粉烧结的扫描电

2、镜照片，烧结过程中的性能变化，i烧结物理性能变化的定义和分类：v，孔隙率，强度，密度定义1:一种或多种粉末在加热到一定温度后开始收缩，并在低于熔点的温度下变成致密和坚硬的烧结体。缺点：它只描述宏观变化，但没有揭示本质。定义2:由于分子或原子的吸引，粉末通过加热被颗粒结合，并且粉末通过物质迁移被致密化和再结晶。衡量烧结的指标包括收缩率、孔隙率、吸水率和相对密度。根据烧结过程中是否存在液相，烧结可分为两类：固相烧结、液相烧结和烧结温度下无液相烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程。有液相参与的烧结，例如，液相通常在烧结温度下出现在多组分体系中。近年来，在开发特殊结构材料和功能材料的同时，出现了一些新的烧

3、结方法。如热压烧结、放电等离子烧结、微波烧结等。图1热压炉，图2放电等离子烧结炉，图3大气压烧结炉，图4微波烧结炉。2.与烧结相关的一些概念。烧结和烧制：在一定温度范围内烧制成致密体的过程。烧结：一种简单的物理过程，通过加热使粉末致密化。2.烧结和熔化烧结：至少有一种成分是固体熔化：固体熔化成熔体；3.烧结和固体反应的相同点：反应温度低于熔点；是否是化学反应；3.烧结过程驱动粉末材料的表面能；多晶烧结体的晶界能。烧结能自发进行吗？结论：与相变和化学反应的能量相比，烧结的驱动力很小，不能自发进行，必须加热！例如，al2o3 :与众不同，易于烧结；共价化合物如si3n4、碳化硅和氮化铝很难烧结。*

4、烧结难度的判断：越小，越容易烧结，但烧结困难。*驱动力与颗粒细度的关系：颗粒堆积后，由于表面张力的作用，曲面上有许多带压差的小孔。结论：粉末越细，曲率引起的烧结驱动力越大。1945年前的烧结模型：粉末压制1945年后，库钦斯基提出：双球模型，142固态烧结，目标：单粉末烧结。主要的传质模式有：蒸发、冷凝和扩散；第一，蒸发冷凝和传质；表面张力可以使凹凸表面的蒸气压p低于或高于平面的蒸气压po，这可以用开尔文公式表示：对于球面(1)，对于非球面(2)，表面不均匀的固体颗粒在凸部有正压，在凹部有负压，因此存在物质从凸部向凹部移动的问题。现有范围：高温下蒸汽压力大的系统(氯化钠kcl beo pbo)

5、。硅酸盐材料很少见。传质原因：曲率差产生p条件：颗粒足够小，r 10m定量关系：p，根据烧结模型的蒸发和冷凝机理(双球模型的中心距不变)(冷凝速率增加颈部体积)，讨论球形颗粒接触面积的颈部生长速率关系：1。x/r t1/3，证明初始x/r迅速增加，但时间延长并迅速停止。注：这种传质不能通过延长时间来实现烧结。2.温度t的升高有利于烧结。3.颗粒越小，烧结速度越快。4.特点：烧结过程中，颈部扩大，气孔形状改变，但两个球之间的中心距离不变，因此坯体不收缩，密度保持不变。扩散和传质对象：大多数固体材料，因为它们的蒸汽压力低。(1)颈部应力模型(见图146)，表明颈部应力主要由(拉应力)引起。在实际情

6、况下，颗粒的尺寸、形状和堆积方式不同，不规则颈部形状的接触点局部产生剪应力、晶界滑移、颗粒重排堆积密度、孔隙率和坯体收缩(但颗粒形状不变，孔隙不能完全消除。(2)颗粒中心靠近机制缩短了中心距，某些物质迁移到气孔，气孔成为空位源。空位消失的位置：自由表面、晶界和位错。检查空位浓度的变化。存在应力时(有拉应力时)，(有压应力时)，空位形成能量：无应力时：ev，结论：拉应力区空位形成可以在无应力区和压应力区，因此存在浓度差异。1。空位浓度差异的原因。颈部到接触点的浓度差：1c=ctcc，颈部到内部的浓度差：2c=ctc0。结论：从公式中可以看出，在一定温度下，空位浓度差与表面张力成正比，因此扩散机制

7、对烧结过程的驱动力也是表面张力。3，扩散途径，(结论：ctc 0cc12c)，空位扩散：颈部表面优先接触点；其次，原子从颈表面内部扩散：与空位扩散方向相反，扩散终点：颈。扩散途径：(见p264，图148)表面扩散界面扩散体积扩散；(3)扩散与传质的动态关系；1.初始阶段：表面扩散显著。(因为表面扩散温度和体积扩散温度)示例：al2o3测试体积900；t形表面330具有大约1的高孔隙率和收缩率。原因是表面扩散促进了空洞的光滑表面和气孔的球化，但对空洞的消失和烧结体的收缩没有明显的影响。以体积收缩或线性收缩： (中心到中心的距离接近率)，在以扩散为主要因素的初始烧结中，影响：(1)、烧结时间：原因

8、：(2)、原料的初始粒度：表明控制初始粒度在烧结过程中的扩散和传质是非常重要的。(3)温度在烧结过程中的决定性作用。y:烧结收缩率l/l k:烧结速率常数；t:烧结时间。配方变形的前提：恒温和粒度、烧结活化能q值和自扩散系数随着温度的升高而明显增加。晶界和晶格在中期显著扩散。特点：孔隙率降至5，收缩率为8090。原因：颗粒粘结，颈部扩大，孔隙由不规则的圆柱形管形成并相互连接；晶界开始移动；谷物正常生长。随着颈部的生长，球形颗粒逐渐变成多面体，颗粒的分布和空间堆积方式也变得复杂。柯布勒图提出了多面体模型，即柯布勒多面体模型(十面体)，它是通过在正八面体边长的1/3处沿其顶点切掉一部分而得到的。切

9、断后，有6个四边形和8个六边形面，可以按照体心立方紧密堆叠在一起。当紧密排列时，多面体的每一边都被三个多面体和一个圆柱形的人工智能所共享它们都是线性的。143液相参与烧结，1。特征和类型的定义：液相参与烧结过程的比较：液相烧结和固相烧结的共同点：驱动力(能量差)、过程(颗粒重排、孔隙填充、晶粒生长等)。)；异同点：流动传质比扩散传质快，液相烧结致密化速度快，温度低。影响液相烧结的因素：液相量、性质(粘度和表面张力)、液固润湿性和固相在液相中的溶解度；2.流量质量传递1。粘性流动(粘性蠕变质量传递)(1)定义：高温下粘性液体的牛顿流动引起的质量传递在受到剪切应力时开始流动，剪切速度与剪切应力成正

10、比。当应力消除时，变形不会恢复。内容提要：影响粘性流传质的三个参数，粘性流坯收缩方程：(近似方法)，本文具体应用，2。塑性流动(小于1)，讨论：(1)，屈服值，d/dt；(2)当f=0时，属于粘性流和牛顿型；(3)当0，d/dt为0时，这是终点密度；(4)为了实现致密烧结，应选择最小的r和较大的r。3。通过溶解和沉淀的质量转移，1。条件，2。定义，3 .驱动力：表面能粒子之间形成的毛细作用力。每个粒子之间的空间构成一系列毛细管。表面能(表面张力)通过毛细作用力使颗粒变紧，毛细作用中的熔体将分散在其中的固体颗粒结合在一起。实验结果：0.11米颗粒充满硅酸盐液相，磷=1.2312.3兆帕.毛细力造

11、成的烧结力非常强！第一阶段：颗粒重排；第二阶段：通过溶解和沉淀的传质p114，影响该烧结机理的因素：时间、初始颗粒尺寸、溶解度、润湿性、液相数、烧结温度。*四。各种质量传递机制的分析和比较晶粒生长和二次再结晶，定义：晶粒生长：材料热处理时平均晶粒连续增加的过程。二次再结晶(异常晶粒生长或不连续晶粒生长)是当细晶粒被消耗时少数巨大晶体的成核和生长过程。1.谷物生长1。大幅度的晶粒生长不是小晶粒粘附的结果，而是晶界移动的结果；晶粒生长取决于晶界移动的速率。动态力：晶界两侧自由焓g的差异使晶界向曲率中心移动；小晶粒生长、界面能、晶界结构(a)和原子跃迁的能量变化，最后，晶界变平，界面两侧的自由能相等

12、。晶界移动的速率(晶粒生长取决于晶界移动的速率)，温度越高，曲率半径越小，晶界移动到其曲率中心的速率越快。2.晶粒生长的几何形状：晶界上有界面能，晶粒形成类似肥皂泡的三维阵列；界面表面能相同，界面角为1200，晶粒为六角形；实际表面能不同，晶界有一定的曲率，使得晶界向曲率中心移动。如果晶界上的杂质和气泡不与主晶相形成液相，它们会阻碍晶界的运动。晶粒长大规律：讨论：(1)当晶粒长大较晚时(理论上):dd0，(2)在实践中：直线的斜率为1/21/3，更接近1/3。原因是晶界在移动时遇到了杂质或气孔，限制了晶粒的生长。当界面穿过夹杂物时，形状发生变化。晶界移动，移动？阻塞？影响因素：晶界曲率；孔径和

13、数量；作为空位源的孔隙向晶界的扩散速度；孔隙中的气体压力；包裹毛孔的颗粒数。气孔通过空位转移会聚或消失。从而实现烧结体的致密化。早、中、晚、晚：当vp=vb时，答：严格控制温度。b:晶界上产生少量液相，会抑制晶粒生长。其原因是界面运动的驱动力减小，界面位移增大然而，温度继续升高，导致膨胀，这不利于烧结。(2)采取气氛烧结、真空烧结、热压烧结等措施。讨论：a，(3)晶粒生长的极限尺寸，d夹杂物或孔隙的平均直径，f夹杂物或孔隙的体积分数，dl正常生长时晶粒的极限尺寸，原因是相遇的机会很小。初始阶段：f大，d小，d0 dl，所以谷粒不会长大；中期：f减少，d增加，dl增加。d0/dl时，晶粒开始均匀

14、生长。后期：通常，当f=10%时，谷粒停止生长。普通烧结坯体最终密度低于理论密度的原因。二次再结晶和二次再结晶是生坯中几个大晶粒尺寸的异常增加，导致单个晶粒尺寸的增加，这与正常晶粒生长不同。概念：晶粒异常长大的根源：二次再结晶的主要原因是原料晶粒尺寸不均匀和烧结温度高，因此控制温度(抑制晶界移动速率)；起始粉末粒度分布均匀；添加少量晶界移动抑制剂(mgo添加到al2o3中)。粮食增长公式为：采取措施：3。晶界在烧结中的应用，晶界上溶质的偏析可以延缓晶界的移动。晶界有利于扩散传质烧结过程。影响烧结的因素有：第一，原始粉末的粒度(细且均匀)；首先，当混合物和烧结体形成固溶体时，由离子引起的晶格畸变

15、程度越大，越有利于烧结。例如：在al2o3中加入3cr2o3可以在1860烧结；加入12tio2，可在1600左右致密化。二、外加剂的作用(适量)，2。当外加剂和烧结体形成液相烧结时，如果有合适的液相，(1)它往往会大大促进颗粒重排和传质过程；(2)液相可以在较低的温度下产生，以促进烧结。液相的出现可能是由于添加剂本身的熔点低；也可以通过烧结形成多组分共晶。例如：为了制备95al2o3材料，加入氧化钙和二氧化硅。当cao:sio2=1时，生成的液相可以在1540烧结。在制备氧化镁陶瓷时，加入五氧化二钒或氧化铜以促进液相的形成。3.混合物与烧结体形成化合物(抑制晶界移动)；4.外加剂阻止多晶转变实例：在氧化锆中加入5cao抑制晶体转变并使其致密。5.外加剂(适量)可以扩大烧结范围例：在锆钛酸铅材料中加入适量的la2o3和nb2o5可以将烧结范围从2040提高到80。3.烧结温度和保温时间结论：高温短时烧结是制备致密陶瓷材料的良好方法。然而，点火系统的确定必须综合考虑。总的来说，延长烧结时间将在不同程度上促进烧结的完成。然而，在烧结后期，不合理地延长烧结时间有时会加剧二次再结晶，但不会得到完全致密的产品。盐和煅烧条件的选择