常压烧结PPT
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4.3.3
固相烧结 三、液相烧结
一、定义及概述 1、定义：是指在大气压力条件下，通过对制品加热而烧 结的一种方法，常压烧结又称无压烧结。 常压烧结是最基本的烧结方法，它有什么特点的？ 易操作 适用范围广 易控温
注意：
对烧结致密化过程的控制手段只有温度以 及升温速度这两个参数。
变形（distortion，slumping） 当烧结坯体液相数量过大或混合 粉的粒度、混合不均匀时，易出 现变形 收缩大，尺寸精度控制困难
对于黏性流动传质，决定烧结速率的主 要参数有颗粒起始粒径、黏度和表面张力。 颗粒起始尺寸减小，则烧结速率增大。黏度 及其随温度的变化是需要控制的关键。
最早在7000年前，古人用粘土矿物烧制建筑 用砖块 瓷器，耐火材料 当今的高技术陶瓷广泛采用液相烧结技术制造 耐磨陶瓷，压电陶瓷，铁氧体，电子基板及高 温结构陶瓷 液相烧结在金属加工技术中的应用 大约在400年前，古英克斯人加工昂贵的金铂 首饰和工艺品 现代液相烧结技术的发展
溶解——沉淀 传质方式 流动传质 塑性传质
致密化过程已接近饱和，收缩率几乎不随烧结时间而变。这一阶段被 解释为是由于在烧结体中形成了固态脉络。即在此时期固态晶粒相互接 触支撑，形成了彼此联续的骨架。
影响液相烧结效果的主要因素：
粒度 颗粒形状
粉末颗粒内开孔隙
压坯密度 加热与冷却速度
温度与时间
Thank you ~~
如：对于典型的钠钙硅玻璃，若温度变化100℃， 黏度约变化1000倍。
因此，如果某种坯体烧结速率太低，可以采用加入液相黏度较低 的组分来提高烧结速率。
当陶瓷坯体中的烧结液相量比较少时，该流动传质往 往表现出塑性传质，即只有作用应力超过某一屈服值时才发 生流动传质。
对于塑性流动传质，较小的颗粒起始粒径、黏度和较大的表 面张力有利于烧结体尽可能致密化。
三、液相烧结
定义：凡是有液相参与的烧结过称称为液相烧结。
由于陶瓷粉末中总含有少量杂质，因而大都数材 料在烧结中都会或多或少出现液相。即使在没有杂质 的纯固相系统中，高温下还会出现“接触”熔融现象， 因而纯粹的固相烧结实际上不易实现。在先进陶瓷材 料的制造过程中，液相烧结有着广泛的应用。
固体的表面状态，因存在表面张力或表面能，不仅影响其表面附近该物 质的蒸气压，也会影响该表面内侧物体中的空格点浓度。
(a)(b) 分别表示空格点从颈下及体内 以体扩散方式迁移到受压处，这样必 然会引起球心距的缩短，亦即会出现 烧结收缩。 (c)为空格点从颈下以体扩散或表面扩 散方式迁移到凸沿；(d)为以体扩散方 式从颈下扩散到体内;
在高温下靠液体流动而致密化是大多数硅酸盐材料烧结 的主要传质过程。
液相烧结三个阶段 ：
粉粒重排，由于液相的润滑作用，毛细管压的拉紧作用，使粉粒间 的配位数提高，使坯体中的气孔大量消失，收缩率显著增加，故线收 缩率特别大。
由于受压接触平滑作用，收缩比较缓慢，其线收缩率与烧结时间之 间存在1/3次方的关系。
蒸发—凝聚
坯体致密化方式
扩散传质
注意：蒸发-凝聚的传质方式需要产生足够高的蒸气压，一般陶 瓷材料在烧结温度附近往往满足不了这个要求，因此单纯通过 这个传质方式实现陶瓷制品的烧结并不常见。
如果在晶格结构中存在一定的空余格点(有一定缺位浓度)， 或出现不规则的排列(结构位错)时，将给体内扩散传质带 来不少方便。由于晶粒取向的不同，晶粒界面质点的排列 都是不够规则的，至于晶体表面则有一边完全裸露或存在 更多缺陷。
后两种情况，特别是单纯的表面 扩散，通常是不会引起烧结收缩的。
空格点扩散传质的可能途径与走向
对以扩散传质为主的固相烧结，从工艺角度考虑需要控 制哪些主要变量呢？ 烧结时间
原料的起始粒度 温度
原始粉料 生坯
烧结后 介质电容陶瓷 氧化铝陶瓷 日用瓷
固相烧结小结：固相烧结虽然可以实现先进陶瓷成型坯体的烧结， 但烧结体中总是存在一定的空隙率，无法获得完全致密或接近完全 致密的烧结体，因此固相烧结方式在陶瓷烧结中并不常见。事实上， 由于实际陶瓷粉体中含有少量杂质，或者高温下出现的“接触”熔 融现象，大多数陶瓷坯体在烧结过程中都会或多或少地出现液相。 因此，纯粹的固相烧结不易实现，取而代之的是液相烧结在先进陶 瓷材料的制造过程中应用广泛。
?a液相的形成加快了原子迁移速度?b在无外压的情况下毛细管力的作用加快坯体的收缩?c液相的存在降低颗粒间的摩擦?有利于颗粒重排列?2晶粒尺寸可以通过调节液相烧结工艺参数加以控制便于优化显微结构和性能?3可制得全致密的pm材料或制品延伸率高?4粉末颗粒的尖角处优先溶于液相易于获得有效的颗粒间填充?变形distortionslumping?当烧结坯体液相数量过大或混合粉的粒度混合不均匀时易出现变形?收缩大尺寸精度控制困难对于黏性流动传质决定烧结速率的主要参数有颗粒起始粒径黏度和表面张力
2、 常压烧结的主要方法——电加热法
发热体
耐热合金电阻丝
<= 1100℃
发热体
碳化硅电阻棒
<=1550℃
石墨发热体
<=2000℃
二、固相烧结
固相传质机理 所谓固相物质传递，是指在一定的温度作用之下，质点 (通常指原子或离子)在固体内部，表面或界面作有向扩散时形 成的物质迁移过程。对于晶态物质而言，在完整的晶格结构中 进行体内扩散传质特别困难，因为正常格点上之原子或离子， 其外电子壳层几乎彼此相切，或说电子云有相当程度的重叠， 质点要挤进其间隙，并通过这种间隙而不断运动，所需之激活 能是很高的。
黏性流动传质
优点： 1)加快烧结速度： a 液相的形成加快了原子迁移速度 b 在无外压的情况下，毛细管力的作用加快坯 体的收缩 c 液相的存在降低颗粒间的摩擦 有利于颗粒重排列 2) 晶粒尺寸可以通过调节液相烧结工艺参数加 以控制，便于优化显微结构和性能 3) 可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高 4) 粉末颗粒的尖角处优先溶于液相，易于获得 有效的颗粒间填充
固相烧结 三、液相烧结
一、定义及概述 1、定义：是指在大气压力条件下，通过对制品加热而烧 结的一种方法，常压烧结又称无压烧结。 常压烧结是最基本的烧结方法，它有什么特点的？ 易操作 适用范围广 易控温
注意：
对烧结致密化过程的控制手段只有温度以 及升温速度这两个参数。
变形（distortion，slumping） 当烧结坯体液相数量过大或混合 粉的粒度、混合不均匀时，易出 现变形 收缩大，尺寸精度控制困难
对于黏性流动传质，决定烧结速率的主 要参数有颗粒起始粒径、黏度和表面张力。 颗粒起始尺寸减小，则烧结速率增大。黏度 及其随温度的变化是需要控制的关键。
最早在7000年前，古人用粘土矿物烧制建筑 用砖块 瓷器，耐火材料 当今的高技术陶瓷广泛采用液相烧结技术制造 耐磨陶瓷，压电陶瓷，铁氧体，电子基板及高 温结构陶瓷 液相烧结在金属加工技术中的应用 大约在400年前，古英克斯人加工昂贵的金铂 首饰和工艺品 现代液相烧结技术的发展
溶解——沉淀 传质方式 流动传质 塑性传质
致密化过程已接近饱和，收缩率几乎不随烧结时间而变。这一阶段被 解释为是由于在烧结体中形成了固态脉络。即在此时期固态晶粒相互接 触支撑，形成了彼此联续的骨架。
影响液相烧结效果的主要因素：
粒度 颗粒形状
粉末颗粒内开孔隙
压坯密度 加热与冷却速度
温度与时间
Thank you ~~
如：对于典型的钠钙硅玻璃，若温度变化100℃， 黏度约变化1000倍。
因此，如果某种坯体烧结速率太低，可以采用加入液相黏度较低 的组分来提高烧结速率。
当陶瓷坯体中的烧结液相量比较少时，该流动传质往 往表现出塑性传质，即只有作用应力超过某一屈服值时才发 生流动传质。
对于塑性流动传质，较小的颗粒起始粒径、黏度和较大的表 面张力有利于烧结体尽可能致密化。
三、液相烧结
定义：凡是有液相参与的烧结过称称为液相烧结。
由于陶瓷粉末中总含有少量杂质，因而大都数材 料在烧结中都会或多或少出现液相。即使在没有杂质 的纯固相系统中，高温下还会出现“接触”熔融现象， 因而纯粹的固相烧结实际上不易实现。在先进陶瓷材 料的制造过程中，液相烧结有着广泛的应用。
固体的表面状态，因存在表面张力或表面能，不仅影响其表面附近该物 质的蒸气压，也会影响该表面内侧物体中的空格点浓度。
(a)(b) 分别表示空格点从颈下及体内 以体扩散方式迁移到受压处，这样必 然会引起球心距的缩短，亦即会出现 烧结收缩。 (c)为空格点从颈下以体扩散或表面扩 散方式迁移到凸沿；(d)为以体扩散方 式从颈下扩散到体内;
在高温下靠液体流动而致密化是大多数硅酸盐材料烧结 的主要传质过程。
液相烧结三个阶段 ：
粉粒重排，由于液相的润滑作用，毛细管压的拉紧作用，使粉粒间 的配位数提高，使坯体中的气孔大量消失，收缩率显著增加，故线收 缩率特别大。
由于受压接触平滑作用，收缩比较缓慢，其线收缩率与烧结时间之 间存在1/3次方的关系。
蒸发—凝聚
坯体致密化方式
扩散传质
注意：蒸发-凝聚的传质方式需要产生足够高的蒸气压，一般陶 瓷材料在烧结温度附近往往满足不了这个要求，因此单纯通过 这个传质方式实现陶瓷制品的烧结并不常见。
如果在晶格结构中存在一定的空余格点(有一定缺位浓度)， 或出现不规则的排列(结构位错)时，将给体内扩散传质带 来不少方便。由于晶粒取向的不同，晶粒界面质点的排列 都是不够规则的，至于晶体表面则有一边完全裸露或存在 更多缺陷。
后两种情况，特别是单纯的表面 扩散，通常是不会引起烧结收缩的。
空格点扩散传质的可能途径与走向
对以扩散传质为主的固相烧结，从工艺角度考虑需要控 制哪些主要变量呢？ 烧结时间
原料的起始粒度 温度
原始粉料 生坯
烧结后 介质电容陶瓷 氧化铝陶瓷 日用瓷
固相烧结小结：固相烧结虽然可以实现先进陶瓷成型坯体的烧结， 但烧结体中总是存在一定的空隙率，无法获得完全致密或接近完全 致密的烧结体，因此固相烧结方式在陶瓷烧结中并不常见。事实上， 由于实际陶瓷粉体中含有少量杂质，或者高温下出现的“接触”熔 融现象，大多数陶瓷坯体在烧结过程中都会或多或少地出现液相。 因此，纯粹的固相烧结不易实现，取而代之的是液相烧结在先进陶 瓷材料的制造过程中应用广泛。
?a液相的形成加快了原子迁移速度?b在无外压的情况下毛细管力的作用加快坯体的收缩?c液相的存在降低颗粒间的摩擦?有利于颗粒重排列?2晶粒尺寸可以通过调节液相烧结工艺参数加以控制便于优化显微结构和性能?3可制得全致密的pm材料或制品延伸率高?4粉末颗粒的尖角处优先溶于液相易于获得有效的颗粒间填充?变形distortionslumping?当烧结坯体液相数量过大或混合粉的粒度混合不均匀时易出现变形?收缩大尺寸精度控制困难对于黏性流动传质决定烧结速率的主要参数有颗粒起始粒径黏度和表面张力
2、 常压烧结的主要方法——电加热法
发热体
耐热合金电阻丝
<= 1100℃
发热体
碳化硅电阻棒
<=1550℃
石墨发热体
<=2000℃
二、固相烧结
固相传质机理 所谓固相物质传递，是指在一定的温度作用之下，质点 (通常指原子或离子)在固体内部，表面或界面作有向扩散时形 成的物质迁移过程。对于晶态物质而言，在完整的晶格结构中 进行体内扩散传质特别困难，因为正常格点上之原子或离子， 其外电子壳层几乎彼此相切，或说电子云有相当程度的重叠， 质点要挤进其间隙，并通过这种间隙而不断运动，所需之激活 能是很高的。
黏性流动传质
优点： 1)加快烧结速度： a 液相的形成加快了原子迁移速度 b 在无外压的情况下，毛细管力的作用加快坯 体的收缩 c 液相的存在降低颗粒间的摩擦 有利于颗粒重排列 2) 晶粒尺寸可以通过调节液相烧结工艺参数加 以控制，便于优化显微结构和性能 3) 可制得全致密的P/M材料或制品，延伸率高 4) 粉末颗粒的尖角处优先溶于液相，易于获得 有效的颗粒间填充