烧成与烧结
烧结的问题和解答
烧结的问题和解答第九章烧结1、解释下列名词（1）烧结：粉料受压成型后在高温作用下而致密化的物理过程。
烧成：坯体经过高温处理成为制品的过程，烧成包括多种物理变化和化学变化。
烧成的含义包括的范围广，烧结只是烧成过程中的一个重要部分。
（2）晶粒生长：无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。
二次再结晶：少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大过程。
（3）固相烧结：固态粉末在适当的温度、压力、气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。
液相烧结：有液相参加的烧结过程。
2、详细说明外加剂对烧结的影响?答：（1）外加剂与烧结主体形成固溶体使主晶格畸变，缺陷增加，有利结构基元移动而促进烧结；（2）外加剂与烧结主体形成液相，促进烧结；（3）外加剂与烧结主体形成化合物，促进烧结；（4）外加剂阻止多晶转变，促进烧结；（5）外加剂起扩大烧结范围的作用。
3、简述烧结过程的推动力是什么?答：能量差，压力差，空位差。
4、说明影响烧结的因素？答：（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。
（4）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。
（5）气氛的影响：氧化，还原，中性。
（6）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。
5、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。
陶瓷材料工艺学--第五章 陶瓷材料的烧结
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
结论：气氛的影响有好有坏，关键是看坯体的组成。
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
75%Al2O3瓷的升温速率与性能的关系曲线 1―抗折强度；2―温度系数；3―介质损耗角
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进
行的。
这两个过程均在低于材料熔点或熔融温
度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
烧结过程
收缩
降温速率对坯体的白度和性能都有影响。特别是 含玻璃相多的陶瓷，应采取高温快冷和低温慢冷的制 度。
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低 温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度 （2）保温时间 （3）烧成气氛 （4）升温与降温速率
本节小结
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db
粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快 速长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
三、气孔排除
材料科学基础 第十四章烧结
清洁的Si3N4粉末γSV为1.8J/m2，但它极易在空 气中被氧污染而使γSV降低，同时由于共价键材料原 子之间强烈的方向性而使γGB增高。固体表面一般不 等于表面张力，但当界面上原子排列是无序的，或 在高温下烧结时，这两者仍可当作数值相同来对待 。
2、压力差：颗粒弯曲的表面上存在压力差。 粉末体紧密堆积后，颗粒间仍有很多细小气孔 通过，在这些弯曲的表面上由于张力的作用而造成 的压力差为： △P=2γ／r 式中：γ为粉末体表面张力；r为粉末球型半径。
（2）温度继续升高，传质过程开始进行，颗粒间 接触状态由点接触逐渐扩大为面接触，接触面积 增加，固-气表面积相应减少。 （3）随着温度不断升高，传质过程继续进行，颗 粒界面不断发育长大，气孔相应地缩小和变形 ，而形成孤立的闭气孔。同时，颗粒界面开始移 动，粒子长大，气孔迁移到颗粒界面上消失，致 密度提高。 根据上面讨论，烧结过程可以分为三个阶段 ：烧结初期、中期和后期。
第二节 烧结过程及机理
烧结过程
烧结推动力
烧结机理
一、烧结过程
首先从烧结体的宏观性质随温度的变化上 来认识烧结过程。
(一)烧结温度对烧结体性质的影响 图1是新鲜的电解铜粉(用氢还原的)，经高 压成型后，在氢气气氛中于不同温度下烧结2 小时然后测其宏观性质：密度、比电导、抗拉 强度，并对温度作图，以考察温度对烧结进程 的影响。
比电导(Ω-1· cm-3)
密度(g/cm2)
温度(°C)
图1 烧结温度对烧结体性质的影响 l一比电导 2一拉力 3一密度
结果与讨论： 随烧结温度的升高，比电导和抗拉强度增加。 曲线表明，在颗粒空隙被填充之前(即气孔率 显著下降以前)，颗粒接触处就已产生某种键 合，使得电子可以沿着键合的地方传递，故比 电导和抗拉强度增大。 温度继续升高，物质开始向空隙传递，密度 增大。当密度达到理论密度的90～95％后，其 增加速度显著减小，且常规条件下很难达到完 全致密。说明坯体中的空隙(气孔)完全排除是 很难的。
(整理)陶瓷烧成与烧结
7 烧成与烧结7.1 烧成原理为制定合理的煅烧工艺，就必须对物料在烧成时所发生的物理化学变化的类型和规律有深入的了解。
但是物料烧成时的变化较所用的原料单独加热时更为复杂，许多反应是同时进行的。
一般而言，物料的烧成变化首先取决于物料的化学组成，正确的说是物料中的矿物组成。
使用不同的地区的原料，即使物料的化学组成相同，也不能得到完全相同的烧成性质。
其次，物料的烧成变化在很大程度上还取决于物料中各组分的物理状态，即粉碎细度、混合的均匀程度、物料的致密度等，因为物料的烧成是属于液相参与的烧结过程，因此物料的分散性和各组分的接触的密切程度直接影响固相反应、液相的生成和晶体的形成。
此外，烧成温度、时间和气氛条件对物料的烧成变化影响也很大。
要将这些复杂的因素在物料烧成过程中的变化上反映出来是困难的。
为研究方便本书以长石质陶瓷坯体为例进行讨论。
7.1.1 陶瓷坯体在烧成过程中的物理化学变化陶瓷坯体在烧成过程中一般经过低温阶段、氧化分解阶段和高温阶段。
1.低温阶段(由室温～300℃)坯料在窑内进行烧成时，首先是排除在干燥过程中尚未除去的残余水分。
这些残余水分主要是吸附水和少量的游离水，其量约为2～5%。
随着水分排除固体颗粒紧密靠拢，发生少量的收缩。
但这种收缩并不能完全填补水分所遗留的空间，因此物料的强度和气孔率都相应的增加。
在120～140℃之前，由于坯体内颗粒间尚有一定的孔隙，水分可以自由排出，可以迅速升温，随着温度进一步提高，坯体中毛细管逐渐变小，坯体内汽化加剧，使得开裂倾向增大。
例如，当加热至120℃时，一克水占有的水蒸气容积为：22.4×(1+120/273)/18=1.79(升)。
如果坯体中含有4～5%的游离水，则100克坯体的水蒸气体积达7.16--8.95升，相当于坯体体积的155倍。
这些水蒸气主要由坯体的边角部位排出。
为了保证水分排出不致使坯体开裂，在此阶段应注意均匀升温，速度要慢（大制品30℃/时，中小制品50～60℃/时），尤其是厚度和形状复杂的坯体更应注意。
陶瓷名词解释
陶瓷名词解释
陶瓷名词解释
一、陶瓷：
陶瓷是一种固体非金属材料，是由无机材料（主要是硅酸盐）和有机物（结合剂）经高温强制烧成而得到的坚硬、结构紧密、化学性质稳定的固体物质。
它的应用领域很广泛：用于建筑材料、冶金原料、力学结构件及电子元件等领域中。
二、粘土：
粘土是一种含有黏土矿物的混合物，是陶瓷制品的主要原料。
它通常是由石灰、膨润土、黏土和其他杂质混合而成，构成粘土的主要成分是硅酸盐和氧化物。
粘土应具有良好的制品外观、好的烧成和特殊性能，并且具有良好的可塑性、保持性和强度。
三、烧成：
烧成是指用燃料烧结粘土而得到陶瓷制品的一种工艺方法。
其主要过程是将粘土浇制、晾干、烧制，通过增大加热速率，把粘土的固有结构稳定的改变为陶瓷的新结构，从而获得最终成品。
烧成过程的温度和时间不但影响制品的质量，而且也直接影响制品的外观和性能。
四、烧结：
烧结是指在一定温度条件下，把粘土由微粉状变成一定形状和尺寸的固体，并产生熔融的过程。
烧结是烧成过程中最关键的一步，也是影响陶瓷质量的重要因素。
- 1 -。
陶瓷浆料温度范围
陶瓷浆料温度范围陶瓷浆料是制作陶瓷制品的重要原料之一，其温度范围对于陶瓷制品的质量和性能有着重要影响。
本文将从陶瓷浆料的温度范围、影响因素以及控制方法等方面进行探讨。
一、陶瓷浆料的温度范围陶瓷浆料的温度范围一般可以分为三个阶段：干燥阶段、烧结阶段和烧成阶段。
1. 干燥阶段在陶瓷制品的制作过程中，首先需要将陶瓷浆料进行干燥，以去除其中的水分。
干燥温度一般控制在100℃左右，过高的温度会导致浆料过快失去水分，从而影响陶瓷制品的致密性和强度。
2. 烧结阶段烧结是指将干燥后的陶瓷浆料进行高温处理，使其形成致密的陶瓷坯体。
烧结温度一般在1000℃至1300℃之间，具体的温度范围会根据陶瓷材料的种类和制品的要求而有所不同。
烧结温度过低会导致陶瓷制品致密度不足，烧结温度过高则会引起陶瓷制品烧结过度，从而影响其物理性能。
3. 烧成阶段烧成是指将烧结后的陶瓷坯体进行再次高温处理，使其形成具有一定结晶和致密度的陶瓷制品。
烧成温度一般在1200℃至1600℃之间，具体的温度范围也会因陶瓷材料的种类和制品的要求而有所差异。
烧成温度过低会导致陶瓷制品结晶不完全，烧成温度过高则会引起陶瓷制品变形和开裂。
二、影响陶瓷浆料温度范围的因素1. 陶瓷材料的种类不同种类的陶瓷材料具有不同的烧结和烧成温度范围。
例如，瓷砖的烧结温度范围一般在1000℃至1200℃之间，而高温陶瓷的烧成温度范围可以达到1500℃以上。
2. 陶瓷制品的要求不同的陶瓷制品对于烧结和烧成温度的要求也有所不同。
例如，要制作出具有高强度和高致密度的陶瓷制品，需要将烧结和烧成温度控制在较高的范围内。
3. 窑炉设备的性能陶瓷制品的烧结和烧成过程需要借助窑炉设备进行，窑炉的性能将直接影响到温度的控制。
因此，窑炉设备的温度范围和稳定性对于陶瓷制品的质量至关重要。
三、控制陶瓷浆料温度范围的方法1. 合理选择陶瓷材料在制作陶瓷制品时，应根据具体的要求选择合适的陶瓷材料，以确保能够在适当的温度范围内进行烧结和烧成。
烧结过程的理论基础
烧结过程的理论基础烧结就是将矿粉、熔剂和燃料，按一定比例进行配加，均匀的混合，借助燃料燃烧产生的高温，部分原料熔化或软化，发生一系列物理、化学反应，并形成一定量的液相，在冷却时相互粘结成块的过程。
一、烧结过程的基本原理近代烧结生产是一种抽风烧结过程，将矿粉、燃料、熔剂等配以适量的水分，铺在烧结机的炉篦上，点火后用一定负压抽风，使烧结过程自上而下进行。
通过大量的实验对正在烧结过程的台车进行断面分析，发现沿料层高度由上向下有五个带，分别为烧结矿带、燃烧带、预热带、干燥带和过湿带。
当前国内外广泛采用带式抽风烧结，代表性的生产工艺流程如图3—1所示。
1、烧结五带的特征（1）烧结矿带在点燃后的烧结料中燃料燃烧放出大量热量的作用下，混合料熔融成液相，随着高负压抽风作用和燃烧层的下移，导致冷空气从烧结矿带通过，物料温度逐渐降低，熔融的液相被冷却凝固成网孔状的固体，这就是烧结矿带。
此带主要反应是液相凝结、矿物析晶、预热空气，此带表层强度较差，一般是返矿的主要来源。
（2）燃烧带该带温度可达1350~1600度，此处混合料软化、熔融及液相生成，发生异常复杂的物理化学变化。
该层厚度为15~50mm 。
此高炉灰轧钢皮 （10~0mm ） 碎焦无烟煤 （25~0mm ） 石灰石白云石 （80~0mm ） 精矿富矿粉 （10~0mm ）空气排出废气(热烧结矿)冷烧结矿图3—1 烧结生产一般工艺流程图带对烧结产量及质量影响很大。
该带过宽会影响料层透气性，导致产量低。
该带过窄，烧结温度低，液相量不足，烧结矿粘结不好，导致烧结矿强度低。
燃烧带宽窄主要受物料特性、燃料粒度及抽风量的影响。
（3）预热带该带主要使下部料层加热到燃料的着火温度。
一般温度为400~800度。
该带主要反应是烧结料中的结晶水及部分碳酸盐、硫酸盐分解，磁铁矿进行还原以及组分间的固相反应等。
（4）干燥带烧结料的热废气从预热带进入下层，迅速将烧结料加热到100℃以上，因此该带主要是水分的激烈蒸发。
陶瓷材料的烧成与烧结实验
陶瓷材料的烧成与烧结实验一、实验目的本实验课通过各组同学的实验结果，完成陶瓷材料的烧成工艺实验。
二、实验原理烧结的实质是粉坯在适当的气氛下被加热，通过一系列的物理、化学变化，使粉粒间的粘结发生质的变化，坯块强度和密度迅速增加，其他物理、化学性能也得到明显的改善。
经过长期研究，烧结机制可归纳为：①粘性流动；②蒸发与凝聚；③体积扩散；④表面扩散；⑤晶界扩散；⑥塑性流动等。
烧结是十个复杂的物理、化学变化过程，是多种机制作用的结果。
坯体在升温过程中相继会发生下列物理、化学变化：(1) 蒸发吸附水：(约l00℃)除去坯体在干燥时未完全脱去的水分；(2) 粉料冲结晶水排除，(300～700℃）；(3) 分解反应；(300～950℃)坯料中碳酸盐等分解，排除二氧化碳等气体。
(4) 碳、有机物的氧化；(450—800℃)燃烧过程，排除大量气体；(5) 晶型转变；(550一1300℃)石英、氧化铝等的相转变；(6) 烧结前期：经蒸发、分解、燃烧反应后，坯体变得更不致密，气孔可达百分之几十。
在表面能减少的推动力作用下，物质通过不周的扩散途径何颗粒接触点(颈部)和气孔部位填充，使颈部不断长大逐步减少气孔体积；细小颗粒间形成晶界，并不断长大；使坯体变得致密化。
在这过程中，连通的气孔不断缩小，晶粒逐渐长大，直至气孔不再连通，形成孤立的气孔，分布在晶粒相交位置，此时坯体密度可达理论密度的90％；(7) 烧结后期：晶界上的物质继续向气孔扩散、填充，使孤立的气孔逐渐变小，一般气孔随晶界一起移动，直至排出，使烧结体致密化。
·如再继续在高温下烧结，就只有晶粒长大过程。
如果在烧结后期，温度升得太快，坯体内封闭气孔来不及扩散、排出，只是随温度上升而膨胀，这样，会造成制品的“涨大”，密度反而会下降。
某些材料在烧结时会出现液相；加快；了烧络的过程。
可得到更致密的制品；(8)降温阶段：冷却时某些材料会发生相变，因而控制冷却制度，也可以控制制品的相组成：如要获得合适相组成的部分稳定的氧化锆固体电解质，冷却阶段的温度控制是很重要的；坯体烧结后在宏观上的变化是：体积收缩、致密度提高、强度增加。
烧结
第九章烧结一、名词解释1．烧结、烧成与熔融；2．熔融温度、烧结温度与泰曼温度；3．体积密度、理论密度与相对密度；4．液相烧结与固相烧结；5．晶粒生长、初次再结晶与二次再结晶二、填空与选择1．烧结过程主要传质机理有、、和；烧结分别进行这四种传质时，烧结速率与时间的关系各为、、和。
2．扩散传质初期，颗粒中心矩与时间的关系是。
3．在烧结的中后期，往往伴随着晶粒生长过程。
晶粒的长大对物料烧结速率起作用。
4．在溶解-沉淀传质中，根据液相量的多少分为模型和模型，其机理分别为和。
5．烧结过程的推动力为；晶粒生长的推动力为。
6．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 表面扩散；B 流动传质；C 蒸发-凝聚传质；D 晶界扩散）7．任何系统均具有向最低能量状态发展的趋势。
物料以它的表面能转变成晶界能而达到稳定存在，藉这种推动力而进行的反应过程，称为。
（晶粒成核－生长、斯宾那多分解、固相反应、烧结）8．在扩散传质为主的烧结过程中，进入到烧结的中后期时，若温度和晶粒尺寸不变，则气孔率随烧结时间（t）以关系而减少。
（ A t1/2；B t；C t2 ）三、下列过程之中，哪些能使烧结产物强度增加，而不产生致密化过程？试说明理由（1）蒸发-凝聚；（2）体积扩散；（3）粘性流动；（4）溶解-沉淀；（5）表面扩散。
四、烧结的模型有哪几种？各适用于哪些典型传质过程？五、烧结推动力是什么? 它可凭哪些方式推动物质的迁移，各适用于何种烧结机理?六、烧结过程是怎样产生的，各阶段的特征是什么?七、有人试图用延长烧结时间来提高产品致密度，你以为此法是否可行．为什么了？八、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？九、在烧结时，晶粒生长能促进坯体致密化吗？晶粒生长会影响烧结速率吗？试说明之。
十、影响烧结的因素有哪些？为什么少量外加剂能促进烧结？十一、若固-气界面能为0.1J/m2，若用直径为1μm粒子组成压块体积1cm3，试计算由烧结推动力而产生的能量是多少？十二、设有粉料粒度5μm，若经2h烧结后x/r＝0.1。
烧结工艺精讲
晶粒生长的影响因素
• 1.夹杂物如杂质、气孔等阻碍作用 • 晶界在移动时可能会遇到夹杂物，晶界为了通过夹杂物， 界面能就被降低，降低的量正比于夹杂物的横截面积。通 过障碍以后，弥补界面又要付出能量，结果使界面继续前 进能力减弱，界面变得平直，晶粒生长逐渐停止。 • 2.晶界上液相的影响 • 少量液相使晶界上形成两个新的固-液界面，从而界面移 动的推动力降低，扩散距离增加，因此少量液相可以起到 抑制晶粒长大的作用。但当坯体中有大量液相时，可以促 进晶粒的生长和出现二次再结晶。 • 3.晶粒生长极限尺寸 • 烧结达到气孔的体积分数为10%时，晶粒长大就停止了， 这也是普通烧结中坯体终点密度低于理论密度的原因。
影响烧结的因素
1.原始粉料的粒度 1.原始粉料的粒度 • 从烧结速率考虑：无论在固态或液态的烧结中，细颗粒由 于曲率半径小，从而增加的烧结的推动力—表面能之差， 缩短了原子扩散距离，提高了颗粒在液相中溶解度而导致 烧结过程的加速。 • 从防止二次再结晶考虑：起始颗粒粒径必须细而均匀，如 果细颗粒中有少量大颗粒存在，则易发生晶粒异常生长而 不利用烧结。 • 如果烧结速率与起始粒度的1/3次方成正比，从理论上计 算，当起始粒度从2μm减小到0.5μm，烧结速率将增加64 倍，这相当于粒度小的粉料烧结温度降低了150—300℃。 • 一般氧化物材料最适宜的粉末粒度为0.05—0.5μm。
严格控制温度即保温的重要性
• 当烧结达到晶界移动速率Vb=Vp时，烧结过程已接近完成。 严格控制温度是十分重要的，继续维持Vb=Vp，气孔易迅 速排除而实现致密化。此时烧结体应适当保温，如果再继 续升高温度，由于晶界的速率随温度呈指数增加，必然导 致Vb>>Vp，晶界越过气孔而向曲率中心移动，使气孔包入 晶粒内部，气孔一旦包入晶粒内部，只能通过体积扩散来 排除，而这是十分困难的。 • 随着烧结的进行，气孔逐渐缩小，而气孔内的气压不断增 大，当增加至2γ/r时，即气孔内气压等于烧结推动力， 烧结停止。如果继续升高温度，气孔内的气压继续增大， 这时气孔不仅不能缩小反而膨胀，对致密化不利。 • 烧结如果不采取特殊措施是不可能达到坯体完全致密化的， 如果要获得接近理论密度的制品，必须采用气氛或真空烧 结和热压烧结等方法。
陶瓷烧成机理
1、概述 2、烧结定义 3、烧结的驱动力 4、烧结的机理 5、烧结的过程 6、陶瓷烧结方法
1、概述
烧结过程是一门古老的工艺。现在，烧 结过程在许多工业部门得到广泛应用，如 陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料 等生产过程中都含有烧结过程。烧结的目 的是把粉状材料转变为致密体。 研究物质在烧结过程中的各种物理化学 变化。对指导生产、控制产品质量，研制 新型材料显得特别重要。
4.2.3蒸发-冷凝
由于颗粒表面各处的曲率不同，按开尔文公式: (8) 式中d为液体密度，M为摩尔质量，R为气体常数。 可知，各处相应的蒸气压大小也不同。故质点容易从高 能阶的凸处（如表面）蒸发，然后通过气相传递到低能 阶的凹处(如颈部）凝结，使颗粒的接触面增大，颗粒 和空隙形状改变而使成型体变成具有一定几何形状和性 能的烧结体。这一过程也称气相传质。
6、陶瓷烧结方法
陶瓷烧结方法很多，必须根据对材料烧结 的要求以及具体的实验条件和成本等来进行选 择，以下介绍其中的几种烧结方法。 6.1热压烧结法
将粉体置于压模中，加高温并单轴加压(10~50Mpa), 通过模具热辐射和加压形成塑性变形进行烧结。此法可 以得到高强度和低空隙率的产品，如切削工具等。但是 由于单轴向加压，因此难以进行形状复杂的陶瓷产品的 烧结。
烧结中期晶粒间的界面增大，晶粒开始长大，烧 结温度一般大于0.25Tm（Tm为熔点）。颈的生长以 扩散为主，此时气孔在表面和界面张力作用下达到平 衡并相互连通成连续网络，而颗粒间的界面互相孤立， 未形成连续网络。烧结中期占了整个烧结过程的大部 分时间，通常以烧结体的密度达到理论密度的90%时 标志烧结中期结束。
图1
因此，粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体 颗粒间产生键合、靠拢和重排，并开始形成接触 区的一个原因。
烧结名词解释
烧结是指将粉状或颗粒状原料在一定条件下加热至一定温度，使其颗粒之间发生结合并形成固体块状的过程。
在材料工程和冶金学中，烧结通常是用于制造陶瓷、金属和合金等材料的一种常见加工方法。
烧结过程中，原料颗粒表面的一小部分会熔化，形成一种称为熔液的液体相。
这些熔液在高温下具有表面张力，可以使颗粒之间产生结合力。
当温度升高时，熔液会在颗粒之间扩散，并在冷却过程中形成固体相。
这种固体相由于颗粒之间的结合而形成坚固的结构。
烧结的主要目的是增强材料的力学性能、改善材料的密实性和减少孔隙率。
通过烧结，原料颗粒之间的结合力得以增强，从而提高了材料的强度和硬度。
此外，烧结还可以消除原料颗粒之间的间隙，减少材料的孔隙率，提高材料的密实性和耐久性。
烧结技术在多个领域得到广泛应用。
例如，在陶瓷工业中，烧结用于制造陶瓷瓷砖、陶瓷器具和陶瓷零件。
在金属工业中，烧结常用于制造金属粉末冶金零件、硬质合金和磁性材料等。
此外，烧结还可以用于制造复合材料、矿石的烧结还原等多个领域。
烧结是一种通过加热原料颗粒使其结合形成块状固体的加工方法，广泛应用于材料工程和冶金学中，以提高材料的力学性能、密实性和耐久性。
材料科学基础2-第三章-烧结过程
通常可将烧结过程分成几步：
a.烧结前颗粒堆积：颗粒间彼此以点接触，有的相 互分开，有较多的空隙。
ab. T，t，产生颗粒间键合和重排，粒子相互 靠拢，a中的大孔隙逐渐消失，气孔总体积迅速减少， 但颗粒间仍以点接触为主，总表面积没有缩小
bc.有明显的传质过程，由点接触逐渐扩大为面接 触，粒界增加，固-气表面积相应减少，但空隙仍连 通。
➢无液相参与的烧结，即只在单纯固相颗粒之间进 行的烧结称为固相烧结
➢有部分液相参与的烧结称为液相烧结 ➢通过蒸发-凝聚机理进行传质的烧结称为气相烧结
3. 根据烧结体系的组元多少分类： ➢烧结可分为单组元系统烧结、二组元系统烧结和多 组元系统烧结。单组元系统烧结在烧结理论的研究中 非常有用。而实际的粉末材料烧结大都是二组元系统 或多组元系统的烧结。
❖在烧结过程中，坯体内部发生一系列物理变化过程：
（i）颗粒间首先在接触部分开始相互作用，颗粒接触 界面逐渐扩大并形成晶界（有效粘结，Bonding）
（ii）同时气孔形状逐渐发生变化、由连通气孔变成孤 立气孔并伴随体积的缩小，气孔率逐渐减少
（iii）发生数个晶粒相互结合，产生再结晶和晶粒长 大等现象
第三章
烧 结 过程
❖一种或多种固体（金属、氧化物、氮化物、 粘土等）粉末经压制成为坯体，坯体中含有大 量气孔，颗粒之间的接触面积较小，强度较低。
❖烧结---将坯体加热到一定温度后，坯体中颗 粒开始相互作用，气孔逐渐收缩，气孔率逐渐 减少，颗粒接触界面逐渐扩大为晶界，最后数 个晶粒相互结合，产生再结晶和晶粒长大，坯 体在低于熔点温度下变成致密，坚硬的烧结体
烧结过程有两个共性的基本特征：一是需要高温加热，第二是 烧结的目的是为了使粉体致密，产生相当强的机械强度
陶瓷烧成原理
陶瓷烧成原理
陶瓷烧成是指将陶瓷原料在高温条件下进行加热处理，使其发生化学和物理改变，最终得到坚硬、致密的陶瓷制品的过程。
陶瓷烧成的原理主要涉及以下几个方面：
1. 结晶相变：陶瓷原料中的各种氧化物通过烧结作用在高温下发生结晶相变。
例如，氧化铝在高温下会转变为α-Al2O3，氯化钠会转变为氯化镁，这些结晶相变过程会使陶瓷材料的结构更加致密和稳定。
2. 高温反应：陶瓷原料与燃料或气体在高温条件下发生反应，产生新的化合物或物质。
例如，硅石与石英在高温下反应生成二氧化硅，氧化铝与氧化硅在高温下反应生成熔点较低的玻璃相。
3. 粒子烧结：陶瓷原料颗粒在高温下发生相互结合与扩散，使颗粒间的孔隙逐渐减少并最终闭合。
这种粒子的烧结过程是陶瓷制品形成的核心过程，通过颗粒间的结合，使陶瓷制品具有一定的致密性和强度。
4. 物理变化：在烧成过程中，原料中的水分和其他挥发性物质会发生蒸发，从而改变了陶瓷的结构和性质。
同时，陶瓷原料的体积也会发生变化，经过烧结后形成固体的制品。
总的来说，陶瓷烧成是通过高温作用下的化学反应、物理变化和结晶相变等多种过程，使陶瓷原料形成致密、坚硬的陶瓷制
品。
这些制品具有优异的耐高温、耐磨损、绝缘性和化学稳定性等特点，因此在各个领域得到广泛应用。
窑炉烧成原理
窑炉烧成原理概述窑炉烧成是指通过高温的加热作用，将加工后的陶瓷原料转化为具有一定物理、化学性能的成品陶瓷制品的过程。
窑炉烧成是整个陶瓷生产过程中至关重要的一环，它不仅决定了成品陶瓷制品的品质，而且对能耗、产率、环保等方面也有着重要影响。
窑炉烧成的基本原理可以从热传导、物质变化和传输等几个方面来解释。
下面将详细介绍窑炉烧成原理的基本知识。
1. 热传导热传导是窑炉烧成过程中的一个基本原理。
在窑炉内，燃料燃烧产生的热量通过传导、辐射和对流三种方式传递给陶瓷制品。
窑炉烧成过程中，热传导起着重要的作用。
热传导的基本原理是热量由高温区域传递到低温区域。
在窑炉内部，燃料燃烧产生的高温气体和燃烧产物会加热窑炉内的墙体和炉膛，从而使陶瓷制品得到加热。
热量会从高温区域的颗粒内部传导到表面，然后再通过传导传递到其他颗粒。
热传导的速度取决于颗粒的材料特性、尺寸和温度差。
热传导的过程会导致窑炉内温度的变化，从而影响到陶瓷制品的烧成效果。
因此，在窑炉烧成过程中，需要合理控制燃料的供给、窑炉内部的温度分布，以确保热传导能够顺利进行。
2. 物质变化窑炉烧成过程中，陶瓷原料会经历多种物质变化，从而转化为成品陶瓷制品。
物质变化包括烧结、结晶、相变等过程。
•烧结是指陶瓷原料在高温下发生的固相粒子间的结合作用。
在窑炉内，陶瓷原料经过初烧后，粒子之间会发生烧结现象，从而形成致密的陶瓷坯体。
烧结过程中，陶瓷颗粒之间的共晶相或液相可以起到“胶黏剂”的作用，促进颗粒的结合。
•结晶是陶瓷原料在高温条件下形成结晶相的过程。
结晶是陶瓷制品获得特殊性能的重要途径之一。
在窑炉内，陶瓷原料经过烧结后，部分成份会发生结晶反应，形成晶体结构。
结晶过程中，原子或分子重新排列，从而形成特定的结晶相，提高陶瓷制品的强度、硬度、耐磨性等性能。
•相变是指陶瓷原料在加热或冷却过程中发生物理或化学性质改变的过程。
相变包括固相变、液相变和气相变等。
在窑炉烧成过程中，陶瓷原料会经历多个温度区间，从而发生相变。
陶瓷烧成与烧结
陶瓷坯体在烧成过程中的物理化学变化陶瓷坯体在烧成过程中一般经过低温阶段、氧化分解阶段和高温阶段。
1.低温阶段(由室温～300℃)坯料在窑内进行烧成时，首先是排除在干燥过程中尚未除去的残余水分。
这些残余水分主要是吸附水和少量的游离水，其量约为2～5%。
随着水分排除固体颗粒紧密靠拢，发生少量的收缩。
但这种收缩并不能完全填补水分所遗留的空间，因此物料的强度和气孔率都相应的增加。
在120～140℃之前，由于坯体内颗粒间尚有一定的孔隙，水分可以自由排出，可以迅速升温，随着温度进一步提高，坯体中毛细管逐渐变小，坯体内汽化加剧，使得开裂倾向增大。
例如，当加热至120℃时，一克水占有的水蒸气容积为：22.4×(1+120/273)/18=1.79(升)。
如果坯体中含有4～5%的游离水，则100克坯体的水蒸气体积达7.16--8.95升，相当于坯体体积的155倍。
这些水蒸气主要由坯体的边角部位排出。
为了保证水分排出不致使坯体开裂，在此阶段应注意均匀升温，速度要慢（大制品30℃/时，中小制品50～60℃/时），尤其是厚度和形状复杂的坯体更应注意。
此外，要求通风良好，以便使排出的水蒸气能迅速排出窑外，避免冷聚在坯体表面。
2.分解与氧化阶段(300～950℃)此阶段坯体内部发生了较复杂的物理化学变化，粘土和其它含水矿物排除结构水；碳酸盐分解；有机物、碳素和硫化物被氧化，石英晶型转化等。
这些变化与窑内温度气氛和升温速度等因素有关。
（1）粘土和其它含水矿物排除结构水粘土矿物因其类型不同、结晶完整程度不同、颗粒度不同、坯体厚度不同，脱水温度也有所差别，见表11-1。
Al2O3·2SiO2·2H2O 加热——→Al2O3·2SiO2＋2H2O↑(高岭土) （偏高岭土）（水蒸气）粘土矿物脱去结构水与升温速度有关。
升温速度加快，结构水的排除转向高温，且排出集中。
结晶不良的矿物脱水温度较低。
高岭石类矿物含结构水较多，在500～650℃之间集中排出，而蒙脱石和伊利石类粘土结构水量较少，脱水速度较为缓和。
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7 烧成与烧结7.1 烧成原理为制定合理的煅烧工艺，就必须对物料在烧成时所发生的物理化学变化的类型和规律有深入的了解。
但是物料烧成时的变化较所用的原料单独加热时更为复杂，许多反应是同时进行的。
一般而言，物料的烧成变化首先取决于物料的化学组成，正确的说是物料中的矿物组成。
使用不同的地区的原料，即使物料的化学组成相同，也不能得到完全相同的烧成性质。
其次，物料的烧成变化在很大程度上还取决于物料中各组分的物理状态，即粉碎细度、混合的均匀程度、物料的致密度等，因为物料的烧成是属于液相参与的烧结过程，因此物料的分散性和各组分的接触的密切程度直接影响固相反应、液相的生成和晶体的形成。
此外，烧成温度、时间和气氛条件对物料的烧成变化影响也很大。
要将这些复杂的因素在物料烧成过程中的变化上反映出来是困难的。
为研究方便本书以长石质陶瓷坯体为例进行讨论。
7.1.1 陶瓷坯体在烧成过程中的物理化学变化陶瓷坯体在烧成过程中一般经过低温阶段、氧化分解阶段和高温阶段。
1.低温阶段(由室温～300℃)坯料在窑内进行烧成时，首先是排除在干燥过程中尚未除去的残余水分。
这些残余水分主要是吸附水和少量的游离水，其量约为2～5%。
随着水分排除固体颗粒紧密靠拢，发生少量的收缩。
但这种收缩并不能完全填补水分所遗留的空间，因此物料的强度和气孔率都相应的增加。
在120～140℃之前，由于坯体内颗粒间尚有一定的孔隙，水分可以自由排出，可以迅速升温，随着温度进一步提高，坯体中毛细管逐渐变小，坯体内汽化加剧，使得开裂倾向增大。
例如，当加热至120℃时，一克水占有的水蒸气容积为：22.4×(1+120/273)/18=1.79(升)。
如果坯体中含有4～5%的游离水，则100克坯体的水蒸气体积达7.16--8.95升，相当于坯体体积的155倍。
这些水蒸气主要由坯体的边角部位排出。
为了保证水分排出不致使坯体开裂，在此阶段应注意均匀升温，速度要慢（大制品30℃/时，中小制品50～60℃/时），尤其是厚度和形状复杂的坯体更应注意。
此外，要求通风良好，以便使排出的水蒸气能迅速排出窑外，避免冷聚在坯体表面。
2.分解与氧化阶段(300～950℃)此阶段坯体内部发生了较复杂的物理化学变化，粘土和其它含水矿物排除结构水；碳酸盐分解；有机物、碳素和硫化物被氧化，石英晶型转化等。
这些变化与窑内温度气氛和升温速度等因素有关。
（1）粘土和其它含水矿物排除结构水粘土矿物因其类型不同、结晶完整程度不同、颗粒度不同、坯体厚度不同，脱水温度也有所差别，见表11-1。
Al2O3·2SiO2·2H2O 加热——→Al2O3·2SiO2＋2H2O↑(高岭土) （偏高岭土）（水蒸气）表11－1 各类粘土矿物脱水温度单位：℃原料吸热交换放热效应排除吸附水排除结晶水晶格破坏新结晶物质形成重结晶高岭土450～600 950～1050 1200～1300 地开石500～700 950～1050 1200～1300 珍珠陶土500～700 950～1050 1200～1300 多水高岭土100～200 450～600 900～1000 1200～1300 蒙脱石100～200 600～750 800～900 900～1000叶腊石600～750 870 1120～1150伊利石100～200 400～600 800～900 900～1000绢云母600～800粘土矿物脱去结构水与升温速度有关。
升温速度加快，结构水的排除转向高温，且排出集中。
结晶不良的矿物脱水温度较低。
高岭石类矿物含结构水较多，在500～650℃之间集中排出，而蒙脱石和伊利石类粘土结构水量较少，脱水速度较为缓和。
粘土类矿物在集中排除结构水后，残存部分结构水要在更高的温度下才能排除，甚至持续到1100℃才能完全排除干净。
产生这种现象的主要原因是：①这一部分水的（OH）根与粘土结合较紧密；②加热时，排出的结构水部分地被吸附在坯体空隙中。
粘土脱水后，继而晶体结构被破坏，失去可塑性。
（2）碳酸盐分解MgCO3——→MgO + CO2 ↑500～800℃CaCO3——→CaO + CO2↑800～1050℃MgCO3·CaCO3——→CaO + MgO + 2CO2 ↑650～1000℃4FeCO3——→2Fe2O3+3CO2 ↑800～1000℃碳酸盐的结晶程度，升温速度和气氛都会影响碳酸盐的分解温度。
（3）有机物、碳素和硫化物的氧化可塑性粘土，如紫木节土、黑碱石、黑泥等都含有大量的有机物和碳素，同时在烧成的低温阶段，烟气中的CO被分解，析出的碳素被多孔的坯体所吸附，这些物质加热时都要被氧化，反应将持续至1000℃。
C + O2——→CO2 ↑350℃～600℃以上坯料中夹杂的硫化物的氧化反应约在800℃左右才能完毕。
FeS2 + O2 ——→FeS + SO2 350～450℃4FeS + 7O2——→2Fe2O3 + 4SO2 ↑500～800℃Fe2(SO3)3 ——→Fe2O3 + 3SO2↑560～770℃（4）石英的晶型转变和少量液相形成石英在573℃发生β—SiO2 —→α—SiO2，体积膨胀0.82%。
按照K2O-Al2O3-SiO2 三元相图，985℃时出现低共熔物。
由于杂质的存在，该共熔点的温度较相图所示温度约低60℃以上。
也就是说，900℃左右在长石与石英、长石和被分解后的粘土颗粒的接触部位将出现熔滴。
此阶段物料的物理化学变化：当结构水和分解气体排除时，重量减轻，气孔相应增加。
后期强度提高，坯体体积变化特征表现为三种原料（粘土、石英和长石）的膨胀和收缩的综合效应。
在300--500℃为受热膨胀；500--600℃，含高龄土多的收缩大，含伊利石多的呈膨胀，含石英多的晶型转变具有较大膨胀；650--850℃，粘土收缩较大，加上高温型石英膨胀系数是负值，虽然长石有较大膨胀，但含粘土多的显示收缩，长石多粘土少的显示平缓膨胀。
850--900℃，由于长石显著膨胀，粘土收缩相对平缓，膨胀较小。
因此，在此阶段，就坯体本身而言，危险性并不大，可以进行快速升温。
决定本阶段升温速度的主要因素是窑炉的结构特点，如果窑炉的结构能保证工作截面上温度均匀，就可以快速升温，窑炉结构不能保证温度的均匀分布，快速升温将造成窑内较大温差，使温度较低部位的产品因氧化分解不充分而进入高温成瓷期后，产生烟熏、起泡的缺陷。
为了加速此阶段化学反应的进行，应控制窑内为氧化气氛，并保持良好的通风。
3.高温阶段（950℃～烧成温度）（1）氧化保温期（950--1050℃）坯体在氧化分解期的氧化实际上是不完全的。
由于水汽及其它气体产物的急剧排除，在坯体周围包围着一层气膜，它妨碍氧化继续往坯体内部渗透，从而使坯体孔隙中的沉碳难以烧尽。
因此在进入还原操作之前，必须进行氧化保温，以使坯体中的氧化分解和结构水排除进行完毕，并使窑内温度均匀，为还原操作奠定基础。
所谓氧化保温，即采用低速升温或保温操作，加强烟气流通量，提高空气过剩系数。
适宜的氧化保温的温度范围和时间取决于坯体的烧结温度、坯体的尺寸和窑炉的结构，对于在1300℃左右烧成的陶瓷坯体，在900--1050℃之间氧化保温较适宜。
产品尺寸越大，坯体越厚，碳素含量越大，釉的软化温度越低，装窑密度越大，保温时间则越长。
在氧化保温期的主要化学反应是：①继续氧化分解反应并排除结构水；②偏高岭石转化为铝硅尖晶石和无定形的SiO2；③液相开始出现，并开始熔融石英；④在液相存在下，无定形石英和部分石英晶体转化为方石英；伴随液相的出现和铝硅尖晶石的形成，坯体开始显著收缩，气孔率急剧降低，强度逐渐提高。
（2）还原期（1050--1180℃）在此期间发生的主要反应是：由铝硅尖晶石形成一次莫来石和方石英；硫酸盐分解和高价铁的还原和分解；氧化气氛还原气氛MgSO4——→MgO + SO3↑900℃以上CaSO4——→CaO + SO3 ↑1250～1370℃迅速分解1080～1100℃Na2SO4——→Na2O + SO3 ↑1200～1370℃1080～1100℃2Fe2O3——→4FeO + O2 ↑1250～1370℃1080～1100℃Fe2O3+CO ——→2FeO + CO2 ↑1000～1100℃液相大量生成石英进一步被熔融，三组分的共熔物亦不断增加，碱和碱土金属氧化物与低价铁、石英等形成另一系列的低共熔物，所以坯体中液相量大大增加。
如FeO·SiO2在1170℃出现液相，2FeO·SiO2在1250℃出现液相，K2O·Fe2O3·SiO2在900+10℃出现液相。
二次莫来石的形成长石熔化后，熔体中的K+、Na+向高岭石残骸扩散形成少量熔质，从而促进高岭石的分解和生成莫来石。
另一方面熔体中K2O、Na2O含量降低组成移向三元相图的莫来石析晶区，而且碱金属离子扩散激活了剩下的离子，导致长石熔体中形成细小针状莫来石。
由高岭石分解经固相反应形成的粒状及片状莫来石称为一次莫来石，由长石熔体形成的针状莫来石称为二次莫来石。
至1200℃，莫来石达到最大值，随后由于温度升高，莫来石的溶解，又使其含量减少。
由上述化学反应可见，硫酸盐和Fe2O3一般在高于1300℃的氧化气氛中进行分解，此时已接近制品的烧成温度，这些物质的分解产生气体将对釉面产生严重的缺陷，Fe2O3显黑色将降低瓷的白度。
如果采用还原气氛，这些物质的分解温度显著降低，Fe2O3被还原为FeO有利于液相的生成，可促进坯体烧结温度的降低，FeO+SiO2——→FeSiO3呈青色，有利于瓷坯白度和半透明度的提高，因此，在此期间必须采用强还原气氛烧成。
还原期的起始温度一般比釉的软化温度低150℃左右，使气体在釉面气孔未被封闭前排出。
升温速度平缓(30--35℃/小时)，使分解反应充分进行。
烟气中控制CO(0～4)%，游离O2(0～1)%。
釉面封闭时作为还原结束温度。
由于液相的粘滞流动和表面张力的拉紧作用，填充坯内孔隙，促进晶粒重新排列，颗粒互相靠拢，坯体显著收缩致密，气孔率降低，气孔数目减少。
形状变圆，坯体强度显著提高。
（3）弱还原期（1180℃--止火温度）由于还原气氛是在窑内空气不足的情况下供给了较多的燃料形成的，燃料的不完全燃烧不仅造成燃料浪费，而且坯体和釉面长期处于还原气氛中还会沉积一层未燃烧的碳粒，导致制品“烟熏”。
因此，在还原烧成操作后要换成中性气氛或弱还原气氛，这样使沉积的碳粒能充分燃烧，防止釉面污染，更重要的是使液相继续发展，促进莫来石晶体进一步长大。
由于中性气氛很难控制，为了防止铁的氧化使瓷器发黄，更不希望出现氧化气氛，所以大多采用弱还原气氛，此时废气的组成是：CO2（16～9）%；O2（0.5～1）%，CO（1～3）% 。