材料科学基础---第九章--烧结

一、烧结定义
1、烧结的物理过程： 颗粒间接触面积
扩大；颗粒聚集；颗粒 中心距逼近，逐渐形成 晶界；气孔形状变化； 体积缩小；从连通的气 孔变成各自独立的气孔 并逐渐缩小，以致最后 大部分甚至全部气孔从 晶体中排除。
2、烧结的定义：
❖据烧结粉末体所出现的宏观变化
一种或多种固体粉末经过成型，在加热到一定温度 后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结 体，这种过程称为烧结。
烧结：仅指粉料经加热而致密化的简单物理过 程
2. 烧结和熔融
烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的
金属粉末
TS(0.3~0.4)TM
盐类 硅酸盐
TS 0.57TM
TS(0.8~0.9)TM
3. 烧结与固相反应
相同点：均在低于材料熔点或熔融温度下进行， 并且过程中都至少有一相是固态
不同点：固相反应至少有两组分参加，并且发生化 学反应，最后生化合物AB，烧结可以是单组分或 双组分参加，两组分间不发生化学反应。烧结使 材料更加致密，但微观晶相并未发生变化
r x r
P0 Tn
T
P0
x r
❖4. 蒸发-凝聚传质的特点
烧结时颈部区域扩大，球的形状改变为椭 圆，气孔形状改变，但球与球之间的中心距不 变，坯体不收缩，坯体密度不变。
二、扩散传质（模型：颈部应力模型)
❖ 1.传质机理：空位浓度差△C
下面通过计算不同部位空位浓度 说明扩散传质机理：
❖3. 球形颗粒接触面积颈部生长速率：
1
x r



3
3
M 2 P0
33
2R2T 2d2
3

2
r 3
1
t3
注：①
x

1
t3
r
，对蒸发-凝聚传质用延长烧结
时间不能达到促进烧结的效果
②从工艺控制考虑，两个重要的参数是原料起 始粒度r和烧结温度T
x
2
r 3
r
1
x r
P033 T2
第九章 烧结
烧结的目的：把粉状物料转变为致密体
烧结的致密体的显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成。
本章内容：1、概述
2、烧结过程与机理 3、 晶粒生长与二次再结晶 4、影响烧结的因素
重点：1、烧结过程与机理
2、晶粒生长与二次再结晶 3、影响烧结的因素
难点：烧结过程与传质机理
第一节 概 述
一、烧结定义▲ 二、与烧结有关的概念▲ 三、烧结过程推动力▲ 四、烧结模型
2[C][Ct][C0]C0kT
由计算知： [C t] [C 0 ] [C n ] 1 [C ] 2 [C ]
空位扩散方向：
颈表面颗粒接触点 颈表面颗粒内部
扩散方式：表面扩散、晶界扩散、体积扩散
❖2. 扩散传质的动力学
❖(1) 烧结初期
坯体变化：以表面扩散为主，气孔率大，收缩 约在1%左右
❖烧结的推动力： GVP ❖结论：弯曲表面上的附加压力与球形颗粒(或曲面)曲率半径成
反比，与粉料表面张力成正比，故粉料越细，由曲率引起的 烧结推动力越大
四、烧结模型
双 球 模 型 ： 颈 颈 部 部 增 增 大 大 而 而 双 双 球 球 中 中 心 心 距 距 不 缩 变 短
第二节 固态烧结
三、烧结过程推动力
1、 推动力：粉末物料的表面能大于多晶烧结体的晶界 能
2、
衡量指标：通常用晶界能γGB和表面能γ
之比值来衡
SV
量烧结的难易。 GB SV越小越易烧结。
❖对球形颗粒：弯曲表面由于表面张力而造成的压差 P 2
r
❖对非球形曲面： P ( 1 1 )
r1 r2

1当
x0
时，ex
x2 1x
x3

2! 3!
则 exp()1
kT kT
所以

[Cn]
[C0](1
) kT
同理
[Ct ][C0](1k T)
从颈表面到接触中心处之间的空位浓度差△1[C]：
1[C][Ct][Cn]2C0kT
从颈表面到颗粒内部之间的空位浓度差△2[C]：
动力学方程：
张应力区[E
' V
]<无应力区[Ev]<压应力区[E
&#，引起不同部位空位浓度不同。 ❖ 若Cn、Co、Ct分别代表压应力区、无应力区、张应力
区的空位浓度。则：
[C n]ex E p Vk (T ) [C 0]ex k p ) T (
若k
T
张应力区：
Et

压应力区：
En




设在颗粒内部无应力区空位形成能为 E V ，
颈部或颗粒接触点区域空位形成能为
E
' V
，
则
EV' EV
❖ 压应力区（接触点）： EV' EV
❖ 张应力区（颈表面）： EV' EV
不同部位空位形成能大小次序：
❖据烧结的本质
由于固态中分子(或原子)的相互吸引，通过加热使粉 末体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末体产生强度并 导致致密化和再结晶的过程称为烧结。
3、衡量烧结程度的指标
①坯体收缩率 ②气孔率 ③吸水率
④相对密度 即 ： 烧结体密度
理论密度
二、与烧结有关的一些概念
1. 烧结与烧成
烧成：包括多种物理和化学变化
在无应力区(晶粒内部)：
C0
n0 N
exp(EV ) kT
❖ n0—晶粒内空位数 ❖ N—晶粒内原子数
❖ EV—空位生成能
由于颈部区域受到张应力、而颗粒接触中心受 到压应力，不同部位受力不同，不同部位形成 空位所做的功也有差别。
在颈部区域和颗粒接触中心有应力存在，而使 空位形成所作的附加功如下:
❖固态烧结主要传质方式： ❖ 蒸发-凝聚、扩散传质和塑性流变
一、蒸发-凝聚传质
❖1.原因：蒸汽压差△P
模型：双球模型
由于 r ， 颗粒表面近似平面
由开尔文公式：
ln P1 M (1 1) P0 dRT x
❖ P1—曲率半径为ρ的颈部的蒸汽压
❖ P0—球形颗粒表面蒸汽压
❖ γ—表面张力
❖ d—密度
设 PP1P0
很小
lnP 1lnP 0 Pln(1 P) P
P 0
P 0
P 0 P 0
PP0drR MT1(x101x)PdRM TP0
△P—颈部和颗粒表面上的饱和蒸汽压之间的压差
❖2. 条件：颗粒足够小 r 1 0m ， P 1 ~ 1 0 P a