第三章燒結(jié)Microsoft Word 文檔

1、第一節(jié) 綜合熱分析略第二節(jié)燒結(jié)機(jī)理一、 定義及分類1定義：在T熔溫度之下，物料通過增大接觸面、顆粒重排、形成晶界、排除氣孔，達(dá)到致密和增大強(qiáng)度的過程。宏觀：致密提高，強(qiáng)度增加微觀：晶界形成，晶體長(zhǎng)大，氣孔變小2 分類：固相燒結(jié)：沒有液相參加（或液相很少2%-5%）液相燒結(jié)：有液相參加，液相量達(dá)10-30%熱壓燒結(jié)：燒結(jié)有特殊機(jī)理，提高燒結(jié)推動(dòng)力二、 燒結(jié)動(dòng)力學(xué)（推動(dòng)力）1 曲面壓差2 頸部濃度差 C對(duì)于一個(gè)不受應(yīng)力（無附加壓差）的晶體，空位濃度與 有關(guān)，和形成空位所需的能量 有關(guān)若質(zhì)點(diǎn)（離子）直徑為 ，可近似地令空位體積為 頸部曲面特性所引起的毛細(xì)管力 （數(shù)值），則形成一個(gè)空位時(shí)，毛細(xì)管力所做

2、的功 （體積功）故 在頸部表面形成一個(gè)空位所需的能量為相應(yīng)空位濃度為： 3 氣相傳質(zhì)導(dǎo)致：凸 氣相 凹 凝聚蒸發(fā) 頸部在空位濃度差推動(dòng)下，空位即從頸部不斷地向顆粒其它部位擴(kuò)散，而固體質(zhì)點(diǎn)則向頸部逆向擴(kuò)散，頸部空位源的作用， 與 成正比，由擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行的燒結(jié)過程可知：燒結(jié)推動(dòng)力也為表面能作用的結(jié)果三、 燒結(jié)的幾種機(jī)理1、體積擴(kuò)散機(jī)理顆粒凸部向凹部傳質(zhì)，使頸部長(zhǎng)大，形成晶界，相當(dāng)于頸部空位向凸部擴(kuò)散，凹空位 凸空位氣孔周圍的空位源，向晶體其它部位（主要是表面、晶界）擴(kuò)散，這些部位質(zhì)點(diǎn)反向遷移到氣孔間隙2、蒸發(fā)凝聚機(jī)理（氣相沉積） 凸部質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行蒸發(fā)，然后通過氣相傳質(zhì)到凹部（頸部）凝聚，使頸部長(zhǎng)大3、

3、溶解沉淀機(jī)理（液相燒結(jié)）在液相中的顆粒 ，造成小顆粒溶解，溶解后通過熔體在大顆粒和兩顆粒的頸部沉淀（形成晶界，頸部長(zhǎng)大）4、粘滯流機(jī)理A 在液相燒結(jié)時(shí)，液相量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，物料出現(xiàn)類似液相的粘滯流動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致顆粒重排（液相燒結(jié)初期，在液相中的顆粒）B 熱壓燒結(jié) 當(dāng)外力P大于此時(shí)顆粒臨界強(qiáng)度時(shí)，能使物料發(fā)生晶面（顆粒）滑動(dòng)，增大接觸面第三節(jié)燒結(jié)動(dòng)力學(xué)一、燒結(jié)中傳質(zhì)途徑1) 從顆粒表面向頸部的表面擴(kuò)散；2) 從粒界向頸部的界面擴(kuò)散；3) 從顆粒表面向頸部的體積擴(kuò)散；4) 從粒界向頸部的體積擴(kuò)散；5) 從顆粒內(nèi)部位錯(cuò)向頸部的擴(kuò)散；6) 從顆粒表面向頸部的蒸發(fā)-冷凝；7) 從顆粒表面向頸部或從小顆粒

4、向大顆粒的溶解-沉淀二、燒結(jié)模型燒結(jié)是從粉狀集合體轉(zhuǎn)變成致密集合體的過程，故顆粒的形狀和大小直接影響著顆粒間的堆積狀態(tài)，以及相互的接觸情況。并最終影響燒結(jié)。為了便于定量研究，須建立合理化的模型。模型：采用等徑球體接觸方式燒結(jié)模型燒結(jié)一般都會(huì)引起宏觀尺寸的縮小和致密度的增加，常用收縮和密度值來衡量燒結(jié)程度。由b圖可見：收縮是由于頸部長(zhǎng)大和雙球間的距離縮短引起的。設(shè)：燒結(jié)前兩球間中心距離為L(zhǎng)，燒后收縮值為L(zhǎng)對(duì)圖b則有： 由于燒結(jié)初期很小，cos =1 故得可見勾股定理：則：三、固體燒結(jié)動(dòng)力學(xué)1、燒結(jié)初期：雙球模型基本前提：通過頸部表面空位擴(kuò)散速度等于頸部體積長(zhǎng)大速度 （1） 為空位擴(kuò)散系數(shù)， 為擴(kuò)

5、散面積， 為頸部表面曲率半徑， 頸部表面與平面間空位濃度差，設(shè)擴(kuò)散距離也為代入（1）式后，積分求解化簡(jiǎn)后得： （）頸部增長(zhǎng)率：）收縮率：卿格爾Kingery 推導(dǎo)出三種不同傳質(zhì)途徑下（體、晶界和表面）的一般式：擴(kuò)散機(jī)理：nq體擴(kuò)散4-5表面擴(kuò)散7晶界擴(kuò)散6-7 討論：（1） 對(duì) 作圖，可求出斜率 例如： 燒結(jié)初期 對(duì)數(shù)與時(shí)間作圖，測(cè)出的斜率為2/5，此結(jié)果與式（2）相符。(2) 溫度不高低于T泰曼溫度下保溫是沒有意義的（低溫收縮大，小時(shí)達(dá)到燒結(jié)）（3）粒度的影響燒結(jié)速度2 燒結(jié)中期（氣孔排除，晶界長(zhǎng)大）頸部長(zhǎng)大， 顆粒重排（1） 模型 正十四面體 或 正十二面體（顆粒包圍的氣孔呈現(xiàn)圓筒狀）設(shè)正

6、十二面體共24條邊，共有管狀氣孔24個(gè)，分屬3個(gè)正十二面體所有，而一個(gè)正十二面體有8個(gè)管狀氣孔氣孔的半徑為，十二面體的邊長(zhǎng)為對(duì)一個(gè)十二面體來說，氣孔體積為：整個(gè)十二面體體積為： 則坯體的氣孔為：（2） 前提：氣孔的排除速度 應(yīng)等于其面上的擴(kuò)散流量（一個(gè)接觸面由兩個(gè)單面合成，兩個(gè)十二面體共用）單位時(shí)間內(nèi)每一個(gè)面上總流量為：借用中心筒傳熱公式， （放射狀擴(kuò)散，表面冷卻，中心部分加熱的圓筒形導(dǎo)體）類比：令： （r 為氣孔的半徑）考慮到分支擴(kuò)散對(duì)圓筒 （單位體積內(nèi)所含空位數(shù)） 則：將（2）式代入（1）中=0 所需的時(shí)間（常數(shù)），t為任意在一定溫度時(shí)，與成線性，隨時(shí)間t延長(zhǎng)3 燒結(jié)末期 （氣孔排除）（末

7、期氣孔封閉，互相獨(dú)立，包圍于四個(gè)顆粒間）（1） 模型 正十四面體氣孔集中于角頂呈球狀，為四個(gè)多面體共有，故有二十四個(gè)氣孔，每個(gè)正十四面體占有個(gè)氣孔（2） 前提： 借用同心球殼熱擴(kuò)散公式將 代入上式積分后 （十四面體） （僅適用于）第四節(jié) 晶體長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)晶體的長(zhǎng)大始于燒結(jié)中期，是燒結(jié)末期的主要過程之一，表現(xiàn)為晶界的移動(dòng)。1、晶界移動(dòng)的推動(dòng)力 (凸) （凹） 則A方質(zhì)點(diǎn)有自發(fā)移向B方的趨勢(shì)2晶粒的等溫生長(zhǎng) （模型 多面體）所有晶界移動(dòng)的結(jié)果均趨向于夾角為120的直晶界，如果邊數(shù)大于6的顆粒（截面），因呈凹邊界（晶界），小于6的顆粒為使夾角呈凸邊界。晶粒等溫長(zhǎng)大總是邊數(shù)多的晶粒長(zhǎng)大，而小于6的晶粒縮

8、小凸凹 小于6大于6 3 動(dòng)力學(xué)方程為顆粒移動(dòng)動(dòng)力，推動(dòng)力（成正比）細(xì)分散的物料，燒結(jié)時(shí)取晶粒半徑長(zhǎng)大速度推動(dòng)力（）數(shù)值 積分 （為時(shí)半徑，瞬時(shí)半徑，為燒結(jié)時(shí)間）作圖斜率為（氣孔、雜質(zhì)的影響）溶解-沉淀機(jī)理 ，第五節(jié) 影響燒結(jié)的主要因素?cái)U(kuò)散機(jī)理 一、 溫度與保溫時(shí)間 1、利于燒結(jié)蒸發(fā)-凝聚機(jī)理綜合考慮確定燒結(jié)溫度2、保溫時(shí)間 由燒結(jié)機(jī)理可知，只有體積擴(kuò)散才導(dǎo)致坯體的致密化，表面擴(kuò)散只能改變氣孔的形狀，而不能引起顆粒中心距的逼近，因此，不出現(xiàn)致密化過程，在燒結(jié)高溫階段主要以體積擴(kuò)散為主，而在低溫階段以表面擴(kuò)散為主，如果材料在低溫時(shí)間長(zhǎng)，不僅不引起致密化，反而會(huì)因表面擴(kuò)散而給制品性能帶來?yè)p害，因而

9、理論上應(yīng)盡可能快地從低溫升到高溫，以為體積擴(kuò)散創(chuàng)造條件。低溫保溫沒有意義。3、 二、 原料活性，晶格活化1 預(yù)燒 得到高活性的原料 預(yù)燒時(shí)間不宜長(zhǎng)，溫度要合適2 原料具有一定的細(xì)度，比表面大，活性高三、 添加物的影響1、 形成固溶體，都可因缺陷的生成或晶格的畸變，而促進(jìn)燒結(jié) r 相近，連續(xù)固溶體畸變，電價(jià)不同，置換而產(chǎn)生高溫下加劇晶格畸變更促進(jìn)燒結(jié)2、 形成液相，生成少量的液相可促進(jìn)固相燒結(jié)3、 抑制晶型轉(zhuǎn)變，有些氧化物燒結(jié)時(shí)，發(fā)生晶轉(zhuǎn)，并伴有體積效應(yīng)，這就給致密化帶來困難，造成制品開裂，在工藝上需適當(dāng)?shù)奶砑游锛右砸种七@種轉(zhuǎn)化。如：多晶轉(zhuǎn)變，大，加入5%的（穩(wěn)定劑）置換（晶格），電價(jià)不等，產(chǎn)生陰離子空位，同時(shí)抑制晶轉(zhuǎn)，促進(jìn)燒結(jié)。四、 燒成氣氛1、 材料的化學(xué)性質(zhì)，采用氧化或還原性氣氛，非氧化物應(yīng)在真空或惰性氣氛中燒結(jié)，一般難燒結(jié)的往往選擇真空燒結(jié)。2、 氣氛中氣體分子大小在分子小的氣氛中易于燒結(jié)3、 氧化氣氛常常可促進(jìn)燒結(jié)氧化物表面吸附相當(dāng)數(shù)量的氧，形成非化學(xué)計(jì)量的化合物，產(chǎn)生陽(yáng)離子空位，促進(jìn)燒