第二章缺陷

烧结

9-1 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。

9-2 一个氧化物粉末的表面能是10-4J/cm2，烧结后晶界能是5.5×10-5 J/cm2。若一个2μm的粉末（假如是立方体）被烧结时，有多少能量被释放（假定晶粒不生长）？

9-3 石英砂（直径1.0mm）和石英粉（0.01mm）若紧密堆积后，前者有体积密度1.6g/cm3；后者为1.5g/cm3。（a）如何将两者混合使用才有最大堆积密度？（b）最大堆积系数是多少？（c）烧结后体积密度为2.6 g/cm3，试问气孔率为多少？

9-4 某陶瓷体烧结前的孔隙为28%（体积百分比），烧结后的密度为5.03g/cm3，其真密度为5.14 g/cm3，问：（a）烧结后孔隙率为多大？（b）如果要求最终尺寸为16.3mm，模子尺寸应为多大？

9-5 直径为30μm玻璃压块收缩5%所需要的时间，在673℃时为209.5min，在697℃时为5.8min，根据表面能为0.3N/m，试计算玻璃的激活能和粘度？

9-6 在1500℃MgO正常晶粒长大期间，观察到晶体在1h内从1μm直径长大到10μm。如已知晶界扩散能为251.21kJ/mol，试预测在1600℃保持4h后晶粒的大小，并估计杂质对MgO晶粒生长速率有什么影响，为什么？

9-7 99% Al2O3瓷的烧结实验测得（1）在1350℃烧结时间为10min时，收缩率△L/L＝4％，烧结时间为45min，收缩率为7.3%。（2）在1300℃烧结5min收缩率为1%。已知Al2O3高温下表面张力是900N/m，Al3+离子半径0.0535nm，粉料起始粒径为1μm。试求（a）99%Al2O3瓷烧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？

9-8 现有三种陶瓷材料，它们的主要使用性能列表如下：

*

在烧结过程中希望材料获得预期的显微结构以使材料最佳性能充分发挥，在控制众多的显微结构因素和工艺条件上应如何选择主次？

9-9 假定NiCr2O4的表面能为0.6 J/m2，并从氧化物扩散系数与温度关系图中估计

Cr2O3和NiO的扩散数据，那么对1μm颗粒的压块而言，在1200℃、1400℃时致密化的起始速率将分别为多少？（尖晶石晶体中原子扩散距离为0.059nm）

9-10假如直径为5μm的气孔封闭在表面张力为0.280N/m的玻璃内，气孔内含的是氮气，压力为8.0×10-4Pa，玻璃的相对密度为0.85，当气体压力正好和表面张力所产生的负压力平衡时，气孔的尺寸将是多少？此时的相对密度将是多大？

9-11名词解释

（1）熔融温度、烧结温度和泰曼温度

（2）烧结与烧成

（3）体积密度、理论密度和相对密度

（4）液相烧结和固相烧结

（5）晶粒生长和二次再结晶

（6）晶粒的极限尺寸（D l）和晶粒的平均尺寸

9-12烧结的模型有哪些？各适用于哪些传质过程？

9-13若固–气界面能为0.1J/m2，若用直径1μm粒子组成的压块体积为1 cm3，试计算由烧结推动力而产生的能量是多少？（4J/cm3）

9-14 某一磁性铁氧体，其最终尺寸应为15.8mm，烧结时体积收缩为33.1%（以未烧结前尺寸为基数），试问粉末制品的最初尺寸应为多大？（23.58mm）9-15一陶瓷体的真密度为5.41 g/cm3，一块质量差的烧结样品干时重3.79g，当被水饱和时重3.84g，饱和样品悬浮在水中时重3.08g。问：（a）其真体积为多少？（b）其毛体积（总体积）为多大？（c）表观（开孔）孔隙率为多大？（d）总孔隙率为多大？

（（a）0.70cm3（b）0.76cm3（c）6.6%（体积）（d）7.9%（体积））9-16试说明从相图中可以得到哪些与烧结、固相反应、相变等过程有关的启示。

9-17设有粉末压块，其粉料粒度为5μm，若烧结时间为2h时，颈部增长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？若烧结时间为8h，各个过程的x / r又各是多少？（16，64，8，128；0.16，0.13，0.2，0.126）

9-18如上题粉料粒度改为16μm，烧结后x / r＝0.2，各个传质需多少时间？若烧结8h，各个过程的x / r又是多少？从两题计算结果，讨论粒度与烧结时间对四种传质过程的影响程度？（163.8，2097，26，13422；0.0725，0.066，0.112，0.058）9-19固相烧结与液相烧结有何异同点？液相烧结有哪些类型，各有何特点？

9-20用TiO2掺杂的烧结Al2O3一些数据如图9-1所示，试问可能的烧结机理是什么？

如何证明你的答案是正确的？

图9-1 题9-20附图

9-21 由平均颗粒尺寸为0.1μm 和1.0μm 两种不同粉末制备的UO 2分立球粒（相对密度为50%）在迅速加热以后于1400℃和1600℃烧结。采用干燥2H 气氛能够获得化学计量的UO 2。在上述条件下所报导的扩散系数为： {}{}{})kJ 10982exp()s m 10040()kJ 1044exp()s m 101()

kJ 10512exp()m 101(2

2402

24u 2240RT D RT D RT D ⨯-⨯=⨯-⨯=⨯-⨯=---....晶界晶格晶格 烧结初期致密化的传质途径可能是什么？可能的速率控制机理是什么？估算0.1μm 和1.0μm 粉末在1400℃结烧1h 之后预期的收缩值。比较缓慢加热和快速加热对1400℃退火1h 所观察到的收缩值，并说明可能的影响是什么？为什么？已知UO 2的γ＝650×10-3J/m2；a 0＝0.5372nm ；ρUO2＝10.5g/cm 3。

9-22 下列过程中哪一个能使烧结产物强度增大，而不产生致密化过程？试说明之。

（1）蒸发–凝聚；（2）体积扩散；（3）粘性流动；（4）表面扩散；（5）晶界扩散；（6）溶解–沉淀。

9-23 试比较各种传质过程产生的原因、条件、特点和工艺控制要素？

9-24陶瓷粉末的烧结是原子热激活、扩散和再结晶的过程。根据Al 2O 3－SiO 2、MgO －SiO 2、MgO －Al 2O 3相图，判断以上三个系统的最低烧结温度应为多少？（503℃ 427℃ 521℃）

9-25 BaTiO 3材料在750℃到794℃之间烧结速率增加了10倍，试判断与750℃相比，烧结速率增加100倍时温度是多少？（BaTiO 3属扩散传质烧结机制）计算BaTiO 3烧结活

化能。（475kJ/mol

842℃）

9-26 有二组瓷体配方如下表 K 2O MgO Al 2O 3 SiO 2 Ts L% S%