第九章答案武漢理工大學(xué)陸佩文課后答案#

1、第九章答案9-1 名詞解釋： 燒結(jié) 燒結(jié)溫度 泰曼溫度 液相燒結(jié) 固相燒結(jié) 初次再結(jié)晶 晶粒長大 二次再結(jié)晶（1）燒結(jié)：粉末或壓坯在低于主要組分熔點(diǎn)的溫度下的熱處理，目的在于通過 顆粒間的冶金結(jié)合以提高其強(qiáng)度。（2）燒結(jié)溫度：坯體在高溫作用下，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，最后顯氣孔率 接近于零，達(dá)到致密程度最大值時(shí)，工藝上稱此種狀態(tài)為 "燒結(jié) "，達(dá)到燒結(jié)時(shí)相 應(yīng)的溫度，稱為 "燒結(jié)溫度 "。（3）泰曼溫度：固體晶格開始明顯流動(dòng)的溫度，一般在固體熔點(diǎn)（絕對(duì)溫度）的 2/3 處的溫度。在煅燒時(shí)，固體粒子在塔曼溫度之前主要是離子或分子沿晶體 表面遷移，在晶格內(nèi)部

2、空間擴(kuò)散（容積擴(kuò)散）和再結(jié)晶。而在塔曼溫度以上，主 要為燒結(jié)，結(jié)晶黏結(jié)長大。（ 4）液相燒結(jié)：燒結(jié)溫度高于被燒結(jié)體中熔點(diǎn)低的組分從而有液相出現(xiàn)的燒結(jié)。（5）固相燒結(jié)：在固態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行的燒結(jié)。（6）初次再結(jié)晶：初次再結(jié)晶是在已發(fā)生塑性變形的基質(zhì)中出現(xiàn)新生的無應(yīng)變 晶粒的成核（ 7）晶粒長大：是指多晶體材料在高溫保溫過程中系統(tǒng)平均晶粒尺 寸逐步上升的現(xiàn)象 .（8）二次再結(jié)晶：再結(jié)晶結(jié)束后正常長大被抑制而發(fā)生的少數(shù)晶粒異常長大的 現(xiàn)象。9-2 燒結(jié)推動(dòng)力是什么？它可憑哪些方式推動(dòng)物質(zhì)的遷移， 各適用于何種燒結(jié)機(jī) 理?解：推動(dòng)力有：（1）粉狀物料的表面能與多晶燒結(jié)體的晶界能的差值，燒結(jié)推動(dòng) 力與相變和

3、化學(xué)反應(yīng)的能量相比很小，因而不能自發(fā)進(jìn)行，必須加熱 !（2）顆粒堆積后，有很多細(xì)小氣孔彎曲表面由于表面張力而產(chǎn)生壓力差， （3）表面能與顆粒之間形成的毛細(xì)管力。傳質(zhì)方式：（ 1）擴(kuò)散（表面擴(kuò)散、界面擴(kuò)散、體積擴(kuò)散） ；（2）蒸發(fā)與凝聚；（3） 溶解與沉淀；（ 4）黏滯流動(dòng)和塑性流動(dòng)等， 一般燒結(jié)過程中各不同階段有不同的 傳質(zhì)機(jī)理，即燒結(jié)過程中往往有幾種傳質(zhì)機(jī)理在起作用。9-3 下列過程中，哪一個(gè)能使燒結(jié)體強(qiáng)度增大，而不產(chǎn)生坯體宏觀上的收縮 ? 試 說明理由。（ 1）蒸發(fā)冷凝；（2）體積擴(kuò)散；（ 3）粘性流動(dòng)；（ 4）晶界擴(kuò)散；（ 5）表面擴(kuò) 散；（6）溶解沉淀解：蒸發(fā)-凝聚機(jī)理（凝聚速率二頸部

4、體積增加）燒結(jié)時(shí)頸部擴(kuò)大，氣孔形狀改 變，但雙球之間中心距不變，因此坯體不發(fā)生收縮，密度不變。9-4 什么是燒結(jié)過程？燒結(jié)過程分為哪三個(gè)階段？各有何特點(diǎn)？解：燒結(jié)過程： 粉末或壓坯在低于主要組分熔點(diǎn)的溫度下的熱處理， 目的在于通 過顆粒間的粘結(jié)結(jié)合以提高其強(qiáng)度。燒結(jié)過程大致可以分為三個(gè)界線不十分明顯的階段。1）液相流動(dòng)與顆粒重排階段：溫度升高，出現(xiàn)足夠量液相，固相顆粒在DP 作用下重新排列，顆粒堆積更緊密；（ 2）固相溶解與再析出：接觸點(diǎn)處高的局部應(yīng)力® 塑性變形和蠕變 ®顆粒進(jìn)一步重排；（ 3）固相的的燒結(jié)：小顆粒接觸點(diǎn)處被溶解較大顆?；蜃杂杀砻娉练e晶粒長大

5、形狀變化不斷重排而致密化。9-5 燒結(jié)的模型有哪幾種？各適用于哪些典型傳質(zhì)過程？解： 粉體壓塊：蒸發(fā)凝聚雙球模型：有液相參與的粘性蠕變 擴(kuò)散Kingery 和 LSW ：溶解 -沉淀9-6某氧化物粉末的表面能是1000erg/cm，燒結(jié)后晶界能是550erg/cm2，若用粒 徑為1卩m的粉料（假定為方體）壓成 1cm3的壓塊進(jìn)行燒結(jié)，試計(jì)算燒結(jié)時(shí)的 推動(dòng)力。解：2x （1000/1x 10t4-550/1x10-2） =1.99x107 erg/cm39-7有粉粒粒度為5卩m，若經(jīng)2h燒結(jié)后，x/r = 0.1。如果不考慮晶粒生長，若燒 結(jié)至x/r二0.2。并分別通過蒸發(fā)凝聚、體積擴(kuò)散、粘性流

6、動(dòng)、溶解沉淀傳 質(zhì)，各需多少時(shí)間？若燒結(jié)8h,各個(gè)傳質(zhì)過程的頸部增長x/r又是多少？ 解：根據(jù)查得各傳質(zhì)方式公式可得：時(shí)間分別為16h，64h，8h，128h;若只燒結(jié)8h，則X/R分別為0.1X 41/3，0.1X4 1/5，0.2，0.1 X 41/609-8如上題粉料粒度改為16卩m,燒結(jié)至x/r = 0.2，各個(gè)傳質(zhì)需多少時(shí)間？若燒 結(jié)時(shí)間為8h，各個(gè)過程的x/r又是多少？從兩題計(jì)算結(jié)果，討論粒度與燒結(jié)時(shí)間 對(duì)四種傳質(zhì)過程的影響程度？ 解：蒸發(fā)凝聚：顆粒粒度愈小燒結(jié)速率愈大。初期 x/r 增大很快，但時(shí)間延 長，很快停止； 體積擴(kuò)散：燒結(jié)時(shí)間延長，推動(dòng)力減小。在擴(kuò)散傳質(zhì)燒結(jié)過程中，控制

7、起始粒度 很重要； 粘性流動(dòng)：粒度小為達(dá)到致密燒結(jié)所需時(shí)間短，燒結(jié)時(shí)間延長，流變性增強(qiáng)； 溶解沉淀：粒度小，傳質(zhì)推動(dòng)力大。燒結(jié)時(shí)間延長，晶粒致密程度增加。9-9 試就（ 1）推動(dòng)力來源；（2）推動(dòng)力大?。唬?）在陶瓷系統(tǒng)的重要性來區(qū)別 初次再結(jié)晶、晶粒長大和二次再結(jié)晶。 解：晶粒生長材料熱處理時(shí)，平均晶粒連續(xù)增大的過程。推動(dòng)力：基質(zhì)塑性變形所增加的能量提供了使晶界移動(dòng)和晶粒長大的足夠能 量。晶粒生長取決于晶界移動(dòng)的速率。二次再結(jié)晶 （晶粒異常生長或晶粒不連續(xù)生長） 少數(shù)巨大晶體在細(xì)晶消 耗時(shí)成核 -長大過程。推動(dòng)力：大、小晶粒表面能的不同。二次再結(jié)晶晶粒長大不均勻生長均勻生長不符合 Dl=d/

8、f符合 Dl=d/f氣孔被晶粒包裹氣孔排除界面上有應(yīng)力界面無應(yīng)力9-10 有人試圖用延長燒結(jié)時(shí)間來提高產(chǎn)品致密度，你以為此法是否可行，為什么？解：不可行。蒸發(fā)-凝聚機(jī)理（凝聚速率二頸部體積增加）此類傳質(zhì)不能靠延長時(shí)間達(dá)到燒結(jié)。高溫短時(shí)間燒結(jié)是制造致密陶瓷材料的好方法。9-11假如直徑為5卩m的氣孔封閉在表而張力為280dayn/cm2的玻璃內(nèi)，氣孔內(nèi) 氮?dú)鈮毫κ?.8atm,當(dāng)氣體壓力與表面張力產(chǎn)生的負(fù)壓平衡時(shí)，氣孔尺寸是多少？解：2x280x0.001/r=0.8x101325r = 6.9 ym9-12在制造透明AI2O3材料時(shí)，原始粉料粒度為2卩m,燒結(jié)至最高溫度保溫0.5h, 測(cè)得晶粒

9、尺寸10卩m,試問若保溫時(shí)間為2h，晶粒尺寸多大？為抑制晶粒生長 加入0.1%MgO,此時(shí)若保溫時(shí)間為2h,晶粒又有尺寸多大？解：由 D2-D02=K' tK' =192在此條件下保溫，設(shè)直徑為D，則有D=19.7卩m即求加入少量的MgO時(shí)：由 D3-D03=K' tD=7.3 y m9-13在1500EAl2O3正常晶粒生長期間，觀察到晶體在 1h內(nèi)從0.5y m直徑長 大到10y m。如已知晶界擴(kuò)散活化能為335kJ/mol,試預(yù)測(cè)在1700E下保溫時(shí)間 為4h后，晶粒尺寸是多少？你估計(jì)加入 0.5% MgO雜質(zhì)對(duì)Al 2O3晶粒生長速度 會(huì)有什么影響？在與上面相同

10、條件下燒結(jié)，會(huì)有什么結(jié)果，為什么？解：由 D2-D02=K ' t '> K ' =99.7511由 K' =K0exp(-Q/RT)K0=7.4X 10在 1700E 時(shí)，K ' =K0exp(-Q/RT)- K ' =999.7由 D2-D02=K ' t, 有 D=63.2y m加入0.5%MgO時(shí)，會(huì)抑制Al2O3晶粒生長，抑制現(xiàn)象會(huì)更加明顯。原因是由于晶界移動(dòng)時(shí)遇到的雜質(zhì)(MgO)更多，限制了晶粒的生長。9-14材料的許多性能如強(qiáng)度、光學(xué)性能等要求其晶粒尺寸微小且分布均勻，工藝上應(yīng)如何控制燒結(jié)過程以達(dá)到此目的？解：(1)晶

11、粒的大小取決于起始晶粒的大小，燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間。(2) 防止二次再結(jié)晶引起的晶粒異常長大。9-15晶界移動(dòng)通遇到夾雜物時(shí)會(huì)出現(xiàn)哪幾種情況？從實(shí)現(xiàn)致密化目的考慮，晶界應(yīng)如何移動(dòng)？怎樣控制？解：晶粒正常長大時(shí)，如果晶界受到第二相雜質(zhì)的阻礙，其移動(dòng)可能出現(xiàn)三種情況。(1) 晶界能量較小，晶界移動(dòng)被雜質(zhì)或氣孔所阻擋，晶粒正常長大停止。(2) 晶界具有一定的能量，晶界帶動(dòng)雜質(zhì)或氣孔繼續(xù)移動(dòng)，這時(shí)氣孔利用晶界 的快速通道排除，坯體不斷致密。（3）晶界能量大，晶界越過雜質(zhì)或氣孔，把氣孔包裹在晶粒內(nèi)部。由于氣孔脫 離晶界，再不能利用晶界這樣的快速通道排除，使燒結(jié)停止，致密度不再增加， 這將出現(xiàn)二次再結(jié)晶現(xiàn)象

12、。從實(shí)現(xiàn)致密化目的考慮， 晶界應(yīng)按第二種情況移動(dòng)， 控制晶界的能量以增加 致密度。9-16 在燒結(jié)時(shí)，晶粒生長能促進(jìn)坯體致密化嗎？晶粒生長會(huì)影響燒結(jié)速率嗎？ 試說明之。解：在燒結(jié)時(shí)，晶粒生長能促進(jìn)坯體的致密化。在燒結(jié)中、后期，細(xì)小晶粒逐漸 長大，而晶粒的長大過程是另一部分晶粒的縮小或消失過程， 其結(jié)果是平均晶粒 尺寸增大。 晶粒長大不是晶粒的相互粘接， 而是晶界移動(dòng)的結(jié)果。 推動(dòng)晶粒長大 的是晶界的自由能，隨著晶粒的長大，使界面面積減小，從而促進(jìn)坯體致密化。9-17 試分析二次再結(jié)晶過程對(duì)材料性能有何種效應(yīng) ? 解：二次再結(jié)晶發(fā)生后 ,由于個(gè)別晶粒異常長大 ,氣孔進(jìn)入晶粒內(nèi)部 ,成為孤立閉氣

13、孔,不易排除,使燒結(jié)速率降低甚至停止 ,肧體不再致密； 加之大晶粒的晶界上有應(yīng) 力存在 ,使其內(nèi)部易出現(xiàn)隱裂紋 ,繼續(xù)燒結(jié)時(shí)肧體易膨脹而開裂 ,使燒結(jié)體的機(jī)械 電學(xué)性能下降。9-18 特種燒結(jié)和常規(guī)燒結(jié)有什么區(qū)別？試舉例說明。 解：常規(guī)燒結(jié)過程主要是基于顆粒間的接觸與鍵合,以及在表面張力推動(dòng)下物質(zhì)的傳遞過程。 其總體的推動(dòng)力由系統(tǒng)表面能提供。 這就決定了其致密化是有一定 限度的。常規(guī)條件下坯體密度很難達(dá)到理論密度值。對(duì)于特種燒結(jié),它是為了適應(yīng)特種材料對(duì)性能的要求而產(chǎn)生的。 這些燒結(jié)過程除了常規(guī)燒結(jié)中由系統(tǒng)表面能 提供的驅(qū)動(dòng)力之外 ,還由特殊工藝條件增加了系統(tǒng)燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力 ,因此提高了坯體 的燒

14、結(jié)速率 ,大大增加了坯體的致密化程度。例如熱壓燒結(jié) ,它是加壓成型與加壓 燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行的一種燒結(jié)工藝。由于同時(shí)加溫加壓,有利于粉末顆粒的接觸、擴(kuò)散和流動(dòng)等傳質(zhì)過程 ,降低了燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間 ,抑制了晶粒的長大。其容易獲 得接近理論密度、氣孔率接近零的燒結(jié)體。9-19 （1）燒結(jié)MgO時(shí)加入少量FeO,在氫氣氛和氧分壓低時(shí)都不能促進(jìn)燒結(jié)， 只有在氧分壓高的氣氛下才促進(jìn)燒結(jié)；（2）燒結(jié)AI2O3時(shí)，氫氣易促進(jìn)致密化而 氮?dú)夥恋K致密化。試分析其原因。解：（1）對(duì)FeO易形成負(fù)離子過剩型非化學(xué)計(jì)量化合物，其缺陷反應(yīng)式為：2FeFe+1/2O2（g）=2FeFe +Oo+VFe 或 1/2Oo=Oo+

15、 VFe' +2h '另外 ,在 MgO 的燒結(jié)中是正離子起擴(kuò)散起控制作用的燒結(jié)過程 , 因而氧氣氛 和氧分壓較高是有利的。（2）燒結(jié)氧化鋁AI2O3時(shí)，由于氫原子半徑很小，擴(kuò)散系數(shù)較大，易于擴(kuò)散而有利于 閉氣孔的清除；而原子半徑大的氮?jiǎng)t由于其擴(kuò)散系數(shù)較小難于擴(kuò)散而阻礙燒結(jié)。9-20磁性氧化物材料被認(rèn)為是遵循正常晶粒長大方程。當(dāng)顆粒尺寸增大超出1卩 m 的平均尺寸時(shí)，則磁性和強(qiáng)度等性質(zhì)就變壞，未燒結(jié)前的原始顆粒大小為 0.1 卩m。燒結(jié)30min使晶粒尺寸長大為原來的3倍。因大坯件翹曲，生產(chǎn)車間主任 打算增加燒結(jié)時(shí)間。你想推薦的最長時(shí)間是多少 ?解：由 Do=O.1 卩 m 和

16、 t=30min, D=3Do=O.3卩 m 可得：D2-Do2= K tK=0.08/30 卩 m2/minD=1 卩 m, 12-0.12=kt=0.08/30t t=371.25mi n9-21 分析添加物是如何影響燒結(jié)的。解：（1） 外加劑與燒結(jié)主體形成固溶體兩者離子產(chǎn)生的晶格畸變程度越大，越有利于燒結(jié)。例：AI2O3中加入3%Cr2O3可在1860 E燒結(jié)； 當(dāng)加入12% TiO2只需在約1600 E就能致密化。（ 2） 外加劑與燒結(jié)主體形成液相在液相中擴(kuò)散傳質(zhì)阻力小， 流動(dòng)傳質(zhì)速度快， 降低了燒結(jié)溫度和提高了坯體 的致密度。例：希9 95%Al2O3材料，加入CaO、SQ2,當(dāng)Ca

17、O:SiO2=1時(shí)，產(chǎn)生 液相在1540 C即可燒結(jié)。（3） 外加劑與燒結(jié)主體形成化合物抑制晶界移動(dòng)。例：燒結(jié)透明AI2O3時(shí)，加 入 MgO 或 MgF2，形成 MgAI 2O4（4）外加劑阻止多晶轉(zhuǎn)變例：ZrO2中加入5% CaO。（5）外加劑（適量）起擴(kuò)大燒結(jié)范圍的作用例：在鋯鈦酸鉛材料中加入適量La2O3和Nb2O5，可使燒結(jié)范圍由2040C 增加到80C。9-22 影響燒結(jié)的因素有哪些？最易控制的因素是哪幾個(gè)？解：（ 1） 粉末的粒度。細(xì)顆粒增加了燒結(jié)推動(dòng)力，縮短原子擴(kuò)散距離，提高顆 粒在液相中的溶解度，從而導(dǎo)致燒結(jié)過程的加速。（ 2） 外加劑的作用。在固相燒結(jié)中，有少量外加劑可與主晶相形成固溶體，促 進(jìn)缺陷增加，在液相燒結(jié)中，外加劑改變液相的性質(zhì)（如粘度，組成等） ，促進(jìn) 燒結(jié)。（ 3） 燒結(jié)溫度：晶體中晶格能越大，離子結(jié)合也越牢固，離子擴(kuò)散也越困難， 燒結(jié)溫度越高。保溫時(shí)間：高溫段以體積擴(kuò)散為主，以短時(shí)間為好，低溫段為表 面擴(kuò)散為主，低溫時(shí)間越長，不僅不引起致密化，反而會(huì)因表面擴(kuò)散，改變了氣 孔的形狀而給制品性能帶來損害， 要盡可能快地從低溫升