烧结习题1

《烧结》习题课

烧结中始终可以只有一相是固态。

液相烧结与固相烧结的推动力都是表面能。

二次再结晶对坯体致密化有利。

扩散传质中压应力区空位浓度<无应力区空位浓度<张应力区空位浓度。晶粒长大源于小晶体的相互粘结。

一般来说，晶界是气孔通向烧结体外的主要扩散通道。（对）

一般来说，晶界是杂质的富集之地。（√）

烧结的主要传质方式有：________________、_______________、________________和__________________四种，这四种传质过程的坯体线收缩ΔL/L与烧结时间的关系依次为____________、___________、_____________和_____________。

烧结的主要传质方式有：蒸发-凝聚传质、扩散传质、流动传质和溶解-沉淀传质四种，线收缩ΔL/L与烧结时间的关系依次为：ΔL/L=0、ΔL/L～t2/5、ΔL/L～t和ΔL/L～t1/3。

在烧结过程中，只改变气孔形状不引起坯体收缩的传质方式是。（a，c。）a．表面扩散b．流动传质c．蒸发-凝聚d．晶界扩散

1.在制造透明Al2O3陶瓷材料时，原料粉末的粒度为2μm，在烧结温度下保温30分钟，测得晶粒尺寸为10μm。若在同一烧结温度下保温2小时，晶粒尺寸为: （ C ）

a. 10μm

b. 16μm

c. 20μm

d. 24μm

4在烧结过程中只改变坯体中气孔的形状而不引起坯体致密化的传质方式是 B 。

a. 流动传质

b. 蒸发—凝聚传质

c. 溶解—沉淀

d. 扩散传质

7、在烧结过程中，只改变坯体中气孔的形状而不引起坯体致密化的传质方式是别。

a．流动传质b．蒸发-凝聚传质

c．溶解-沉淀传质d．扩散传质

8、在制造A12O3陶瓷时，原料粉末粒度为2μm。在烧结温度下保温30分钟，测得晶粒尺寸为10μm。则在同一烧结温度下保温2小时，品粒

尺寸为：（A），为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，同样在烧结温度下保温30分钟，测得晶粒尺寸为10μm，则保温2小时晶粒尺寸为：（B）。a．10μm b．12μm c．16μm d．20μm e．24μm

典型的传质过程有哪些？各采用什么烧结模型？

典型的传质过程有：固相烧结的蒸发-凝聚传质、扩散传质，液相烧结的流动传质、溶解-沉淀传质。

固相烧结的蒸发-凝聚传质过程采用中心距不变的双球模型。

固相烧结的扩散传质、液相烧结的流动传质、溶解-沉淀传质过程采用中心距缩短的双球模型。

3.固相烧结与液相烧结之间有何相同与不同之处？

9-1.试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力。并比较两者的大小。

解：烧结的推动力是粉状物料的表面能（γsv）大于多晶烧结体的晶界能（γgb）。γsv>γgb.如若反之γsv<γgb ,则烧结体会自动粉化。晶粒生长的推动力是晶界两侧曲率的差异，在界面能驱动下，晶界向曲率半径小的晶粒中心推进，从而形成平均粒径尺寸的增长。

烧结的推动力约为4－20J/g，因而烧结推动力比晶粒生长推动力约大十倍。

9-2. 99％Al2O3瓷的烧结实验测得（1）在1350℃烧结时间为10min时，收缩率ΔL/L为4％；烧结时间为45min时，收缩率为7.3％。（2）在1300℃烧结5min收缩率为1％。已知Al2O3 高温下表面张力为900mN/m，Al3＋离子半径0.0535nm粉料起始粒径为1μm。试求（a）99% Al

O3 瓷烧

2

结的主要传质方式是哪一种。（b）Al2O3瓷烧结活化能是多少？（c）Al3＋的自扩散系数在1350℃时是多少？

解：（a）烧结收缩率通式

logΔL/L＝1/P . logt +kˊkˊ＝logK2

log0.04＝1/P log10*60+ kˊ①

log0.073＝1/P log45*60+ kˊ②

解之求得：P＝2.5

kˊ＝－2.5091 K2＝3.097*10－3

P=2.5 即logΔL/L－logt直线斜率为2/5,因此Al2O3瓷主要传质机制是扩散传质。

（b）1300℃log 0.01＝1/2.5 log5 *60 + kˊkˊ=logK1

求得kˊ＝－2.9909 K1＝1.02*10－3

烧结活化能Q：Q＝RT1T2/(T2-T1) lnK2/K1

＝8.314*1623*1573/(1623-1573) ln3.097*10－3/ 1.020*10－3

＝424.5kJ/mol

(c) 根据扩散传质初期动力学公式

ΔL/L＝3（5γΩD˙/kT）2/5 r-6/5 t2/5

K＝3（5γΩD˙/kT）2/5 r-6/5

Ω＝4/3πR Al3＋3 =4/3π(0.053*10-9)3 =6.4*10－31 m3

代入K式得: D˙=2.64*10－16m2/s

9-3.设有粉料粘度为5μm，若经两小时烧结后，x/r＝0.1。若烧结至x/r ＝0.2，如果不考虑，晶粒生长，试比较蒸发凝聚；体积扩散；粘性流动；溶解－沉淀传质各需多少时间？若烧结8小时，各个过程的x/r 又是多

9-4.在制造透明Al2O3材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度保温半小时，测得晶粒尺寸为10μm，试问保温2小时，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温2小时，晶粒尺寸又有多大？

解：（1）G2-G02=kt 102-22 =k.0.5 得k＝192

G2-22=192*2 G≈20μm

(2) G3-G03=kt k=1984

G3 –8=1984*2 G≈15.84μm

9-5.试说明相图和烧结、固相反应、相变的关系。

解：相图是材料高温反应过程中可以广泛使用的重要指南。相图中可

查得出现液相和熔融温度，由此推算该系统原子扩散开始温度、固相反应温度、烧结温度。相图中可查得某温度下平衡存在各相，固/液相对含量。从而了解固相反应产物、烧结中主晶相、第二晶相的组成和相对量，由固/液相对比例可推知烧结传质机理。相图中可查知相变温度及相变前后各相比例并可活得关于液－液分相得有关区域…….。

9-6.在烧结期间，晶粒长大能促进胚体致密化吗？晶粒长大能够影响烧结速率吗？试说明之。

解：晶粒生长是界面移动的结果，并不是原子定向向颈部迁移得传质过程，因而不能促进胚体致密化。晶界移动可以引起原子跃迁，也可使气孔移入晶粒内，从而影响烧结速率。因而晶界移动速率需进行控制。

五、（20分）说明影响烧结的因素？

1、粉末的粒度。细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提高颗粒在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速。

2、外加剂的作用。在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等），促进烧结。

3、烧结温度：晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难，烧结温度越高。

保温时间：高温段以体积扩散为主，以短时间为好，低温段为表面扩散为主，低温时间越长，不仅不引起致密化，反而会因表面扩散，改变了气孔的形状而给制品性能带来损害，要尽可能快地从低温升到高温，以创造体积扩散条件。

4、气氛的影响：氧化，还原，中性。

5、成形压力影响：一般说成型压力越大颗粒间接触越紧密，对烧结越有利。

简述烧结过程的推动力是什么?能量差，压力差，空位差。

详细说明外加剂对烧结的影响?

（1）试说明晶界能总是小于相邻二个晶粒表面能之和；

解：（1）在恒温恒压条件下增加单位表面积时体系自由能的增量称为表面能，而形成单位新界面所需要的能量称为界面能。表面能和界面能的本质是处在表面或界面上的质点受到不对称力场作用，与晶体内部质点相比具有较高的能量。晶粒的表面能指晶粒与气相接触，界面能通常指

两个晶粒相接触。显然，晶粒与气相接触时，表面质点受到力场的不对称性远远大于两个晶粒相接触时。因此，界面能总是小于相邻二个晶粒表面能之和。

在扩散传质的烧结过程中，使坯体致密的推动力是什么？哪些方法可促进烧结？说明原因。

答：在扩散传质的烧结过程中，系统内不同部位（颈部、颗粒接触点、颗粒内部）空位浓度不同，导致原子或质点由颗粒接触点向颈部迁移，填充到气孔中。因此使坯体致密化的推动力是空位浓度差。

对于扩散传质：（1）控制原料的起始粒度非常重要，颗粒细小的原料可促进烧结，因为颈部增长速率x/r与原料起始粒度r的3/5次方成反比；（2）温度对烧结过程有决定性作用，扩散系数与温度呈指数关系，因此提高温度可加速烧结。

八、（15分）

2、99％A12O3瓷的烧结实验测得在1350℃烧结时间为10min时，收缩率ΔL／L为4%；烧结时间为45min，收缩率为7.3%。试求这种氧化铝瓷烧结的主要传质方式是哪一种？

九、试述X射线粉末衍射分析法中如何确定晶体物相。（10分）

八、（15分）

1、试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力，并比较两者之大小。

解：1、烧结推动力是粉状物料的表面能（γsv）大于多晶烧结体的晶界能（γgb），即γsv>γgb。

晶粒生长的推动力是晶界两侧物质的自由焓差，使界面向晶界曲率半径小的晶粒中心推进。

烧结的推动力较大，约为4~20J/g。晶粒生长的推动力较小，约为

0.4~2J/g，因而烧结推动力比晶粒生长推动力约大十倍。

2、由知道，故这种Al2O3瓷烧结的主要传质方式是扩散传质。

九、（10分）

答：在X射线衍射仪中，入射的X射线通过晶体粉末样品时发生衍射后，出射的X射线被计数器所接收，经过计算机处理后绘制成XRD图谱，即2θ角（即晶面间距d值）与衍射强度之间的关系曲线。根据测得的d 值和相对强度先查找PDF卡片索引（若已知样品的化学组成，也可以先查找字顺索引），找出基本符合的PDF卡片，再将测得的数据与PDF卡片比对分析，使测得的数据与卡片上的全部符合（在误差范围内），就可

以确定物相。也可以先使用计算机自动检索，再比对PDF卡片。

若物相比较复杂，比对PDF卡片确定物相时，需要注意重迭的衍射峰，从最强的衍射峰入手，逐步确定，直至所有的数据全部符合。

八、（8分）

熔制、冷却后得到的45CaO-5MgO-34SiO2-16P2O5（wt%）玻璃是一种脆性材料，采用哪些方法可以提高这种玻璃的断裂韧性？请说明之。六、（12分）

氧化铝烧结到接近理论密度时，可使可见光几乎透过100％，用它来装钠蒸气（在超过大气压的压力下）作为路灯。为通过烧结实现这一点，请你列出研究方案。

答：制备透明氧化铝陶瓷的主要技术措施是：（1）采用高纯氧化铝原料，Al2O3>99.9%，无杂质和玻璃相；（2）添加0.1～0.5%MgO，在晶粒表面生成镁铝尖晶石，降低晶界移动速度，抑制晶粒生长；（3）在氢气或真空中烧结，促进气孔扩散；（4）采用热压烧结，提高制品致密度。八、（8分）

答：采用如下方法可以提高45CaO-5MgO-34SiO2-16P2O5（wt%）玻璃的断裂韧性：

（1）物理强化，将玻璃加热到淬火温度，淬冷，可以提高抗弯强度和抗冲击强度；（2）微晶化，将玻璃进行核化和晶化热处理，使之析出硅灰石和透辉石微晶体，可以大大提高其机械强度和断裂韧性；（3）对制品表面进行涂层处理，涂覆有机或无机保护层，消除表面缺陷；（4）用晶须或纤维增强，制备玻璃基复合材料。

五、（20分）

1、

2、为得到高质量的钛酸钙电介质瓷，制备工艺中可采取什么措施？

六、（10分）

1、

2、有哪些方法可检测CaO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷的显微结构？冷却过程中此材料的显微结构会如何发生变化？请简要说明。

五、（20分）

影响陶瓷烧结的主要因素有哪些？

答：1、影响陶瓷烧结的主要因素有：（1）原始粉料的粒度；（2）外加剂的作用；（3）烧结温度与保温时间；（4）盐类的选择及煅烧条件；（5）气氛的影响；（6）成型压力。

2、为得到高质量的钛酸钙电介质瓷，主要措施：（1）原料球磨后应烘干，不能过滤脱水，防止Ca(OH)2流失影响配比；（2）添加少量ZrO2和CoO，降低烧成温度，扩大烧结温度范围；（3）必须在氧化气氛中合成原料或烧结，防止产生非化学计量化合物，影响电性能；（4）控制好烧结温度和保温时间，防止晶粒长大，使产品“正烧”，防止“生烧”和“过烧”，以降低气孔率。

六、（10分）

陶瓷的显微结构主要由哪些基本因子构成？

答：1、陶瓷是由晶体、玻璃体和气孔组成的多晶多相材料。其显微结构包括晶体的种类和含量，晶粒尺寸和形状，玻璃相的含量和分布情况，晶粒之间、晶粒与玻璃相之间的界面，气孔的数量、尺寸、分布等。2、可以用XRD确定CaO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷中晶相的种类和含量，用SEM、TEM、偏光显微镜直接观察其晶粒尺寸和形状、玻璃相的含量和分布情况、界面等显微结构，还可以通过测定晶化前后的密度、热膨胀系数、强度等性质的变化情况，间接判断其显微结构变化情况。

因为在CaO-Al2O3-SiO2三元系统中，能够形成玻璃陶瓷（微晶玻璃）的组成点位于高硅区，主要晶相是硅灰石，次要晶相是磷石英和钙长石。若结晶速度较快，冷却时先从熔体中析出晶核，很快生长成为晶体，晶粒数量少、尺寸大，晶粒分散在玻璃相中；若结晶速度较慢时，冷却过程中仅形成少量晶体，需要重新进行热处理，先在较低的温度下核化，再在较高的温度下晶化，才能形成玻璃陶瓷，晶粒数量多、尺寸小，晶粒分散在玻璃相中。

晶界遇到夹杂物时会出现几种情况，从实现致密化目的考虑，晶界应如何移动？怎样控制？

晶粒生长与二次再结晶的特点，以及造成二次再结晶的原因和二次再结晶的方法

烧结的主要传质方式有那些?分析产生的原因是什么?