热压烧结

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7.2 热压烧结的原理
二、热压烧结的原理 1、固体粉末烧结的过程和特点
烧结阶段：
烧结 中期
颗粒间由点接触逐渐扩大为面接触，粒界面积增加，固-气表面积 相应减少，但气孔仍然是联通的，此阶段晶界移动比较容易。在表面能 减少的推动力下，相对密度迅速增大，粉粒重排、晶界滑移引起的局部 碎裂或塑性流动传质，物质通过不同的扩散途径向颗粒间的颈部和气孔 部位填空，使颈部渐渐长大，并逐步减少气孔所占的体积，细小的颗粒 之间开始逐渐形成晶界，并不断扩大晶界的面积，使坯体变得致密化。
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7.1 热压烧结的发展
热压烧结优点：许多陶瓷粉体(或素坯)在烧结过程中，由于 烧结温度的提高和烧结时间的延长，而导致晶粒长大。与陶瓷 无压烧结相比，热压烧结能降低烧结和缩短烧结时间，可获得 细晶粒的陶瓷材料。
例如：热压氮化硅材料的抗弯强度和断裂韧性分别可达 1100MPa和9MPa· m1/2；热压氧化铝增韧陶瓷的抗弯强度和断裂 韧性分别为 1500MPa和15MPa· m1/2。
7.1 热压烧结的发展
1826年索波列夫斯基首次利用常温压力烧结的方法得到了白金。 而热压技术已经有70年的历史，热压是粉末冶金发展和应用较早的一 种热成形技术。 1912年，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉制造致密件的专利。 1926～1927年，德国将热压技术用于制造硬质合金。 从1930年起，热压更快地发展起来，主要应用于大型硬质合金制 品、难熔化合物和现代陶瓷等方面。
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7.2 热压烧结的原理
2、固体粉末烧结的本征热力学驱动力
本征Laplace应力：
颗粒之间接触的直接结果是颈部出现了曲率半径。Laplace和Young 以弯曲液体表面为例，给出了表面的曲率半径、表面张力和表面所受的 应力差值。
烧结过程分类：不加压烧结和加压烧结。
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7.2 热压烧结的原理
一、热压烧结的概念
固相烧结：是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯 被臵于不超过其熔点的设定温度中，在一定的气氛保护下保温 一段时间的操作过程。所设定的温度为烧结温度，所用的气氛 称为烧结气氛，所用的保温时间称为烧结时间。
加压烧结：对松散粉末或粉末压坯同时施以高温和外压。
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7.2 热压烧结的原理
一、热压烧结的概念
烧结：是陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象的总称。随着 温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，空 隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩， 密度增加，最后成为坚硬的只有某种显微结构的多晶烧结体。 烧结是减少成型体中气孔，增强颗粒之间结合，提高机械强度 的工艺过程。
Sp为粉末比表面 (cm2/g)，d为致密固体密度 (g/cm3)
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7.2 热压烧结的原理
粉末 粒度 /µ m 比表面积 km2· g-1 固体密度 kg· mol-1 摩尔质量 kg· cm-1 γsv/J·mol-1 本征 驱动力
Cu
Ni
150
10
5×102
4×103
8.9
8.9
63.55
58.69
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7.2 热压烧结的原理
二、热压烧结的原理 1、固体粉末烧结的过程和特点
坯体烧结宏观变化：体积收缩，致密度提高，强度增加。 烧结程度表征：坯体收缩率、气孔率或体积密度与理论密度 之比。 热力学表现：烧结是系统总能量减少的过程。
烧结过程变化：伴随着气孔率的降低，颗粒总表面积减少， 表面自由能减少及与其相联系的晶粒长大等。
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7.2 热压烧结的原理
二、热压烧结的原理 2、固体粉末烧结的本征热力学驱动力
本征过剩表面能驱动力：
E E p Ed
E svWm S p
Ep为烧结前粉末系统的表面能，Ed为烧结成一个致密立方体后的表面能 Wm为晶体材料的摩尔质量 (g/mol)，γsv为固-气表面能 (J/m2)，
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7.2 热压烧结的原理
二、热压烧结的原理 1、固体粉末烧结的过程和特点
烧结阶段：
烧结 后期
随着传质的继续，粒界进一步发育扩大，气孔则逐渐缩小和变形， 最终转变成孤立的闭气孔。与此同时颗粒粒界开始移动，粒子长大，气 孔逐渐迁移到粒界上消失，但深入晶粒内部的气孔则排除比较难。烧结 体致密度提高，坯体可以达到理论密度的95%左右。
1.6
1.9
5.1
4.5×10
W
Al2O3
0.3
0.2
104
105
19.3
4.0
183.86
102.0
2.9
1.5
5.3×102
1.5×103
结论：粉末粒度越粗，比表面越小，本征表面能驱动力就越小；而粒 度越细，比表面越大，本征表面能驱动力就越大。这也是实际烧结中 细粉比粗粉易于烧结的原因。
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7.2 热压烧结的原理
2、固体粉末烧结的本征热力学驱动力
本征Laplace应力：
颗粒系统有两个本征的特点：相接触颗粒之间存在着“空隙”或孔洞及系统表面的 减少。自由能的降低主要是通过孔洞的收缩来实现的。烧结开始时孔洞的形状并不是 球形，而是由尖角形，圆滑菱形，近球形逐渐向球形过渡。此时孔洞的收缩必然伴随 着颗粒接触区的扩展，这个接触区最先被称作金属颗粒之间的“桥”。
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7.2 热压烧结的原理
二、热压烧结的原理 1、固体粉末烧结的过程和特点
烧结阶段：
烧结 初期
烧结前成型体中颗粒间接触有的彼此以点接触，有的则相互分开， 保留着较多的空隙。随着烧结温度的提高和时间的延长，开始产生颗粒 间的键合和重排过程，这时粒子因重排而相互靠拢，大空隙逐渐消失， 气孔的总体积迅速减少，但颗粒间仍以点接触为主，总表面积并没减小。
热压烧结：是指在对臵于限定形状的石墨模具中的松散粉末或 对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧结过程。
4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7.2 热压烧结的原理
一、热压烧结的概念
热压法优点：
热压法的缺 点是生产率 低、成本高
热压时由于粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密
化。 由于同时加温、加压，有助于粉末颗粒的接触和扩散、流动等传质过 程，降低烧结温度和缩短烧结时间，因而抑制了晶粒的长大。 热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得到 细晶粒的组织，容易实现晶体的取向效应和控制台有高蒸气压成分纳系 统的组成变化，因而容易得到具有良好机械性能、电学性能的产品。 能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。