热压烧结技术的研究与应用

热压烧结技术的研究与应用

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专业：无机非金属

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热压烧结技术的研究与应用

陈琼毅无机非金属 20080800301

摘要：热压烧结是一种压制成形和烧结同时进行的粉体材料成形工艺方法,是将粉末装在压模内,在专门的热压机中加压同时把粉末加热到熔点以下,在高温下单向或双向施压成形的过程。热压烧结具有烧结时间短、温度低、晶粒细、产品性能高等优点。

关键词：烧结热压热压烧结

1热压烧结技术发展背景

自20世纪70年代中期以来，除北美外，烧结矿一直是国内外高炉的主要原料。但由于金融危机，钢铁产业的不景气，烧结技术研究发展受到限制。所幸的是随着人们对产品质量和能源节约的重视，烧结技术再一次焕发出新生。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。1912年，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉混合制造成致密件的专利。从1930年以后，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。在这个日新月异的新世纪中，有人大胆的将热压烧结技术与纳米材料、超导材料和复合材料等相联系结合，开创了热压烧结技术的新天地。

2热压烧结技术的原理

2.1烧结定义与特点

其宏观定义为：粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度，发生固结、气孔率下降、收缩加大、致密度提高、晶粒增大，变成坚硬的烧结体，这个现象称为烧结。

其微观定义为：固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，质点获得足够的能量，进行迁移使粉末体产生颗粒粘结，增加强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。

烧结的特点有三点：第一，烧结温度远低于熔点温度下，质点发生迁移、扩散、开始烧结温度在0.3-0.5T m范围内，这样便节省了大量的能源利于环境保护，而且便于制造高熔点物质如钨丝等；第二，同样对于硅酸盐材料，完全烧结温度在0.7-0.8T m；第三，烧结主要是物理过程，但也伴随有固相反应，烧结前后主晶相不变化。这样便易于控制烧结成品的物象成分。

2.2热压定义与优缺点

热压的定义：热压是指在对置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。

热压的优点：由于热压时粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密化，因此其所需的成型压力仅为冷压法的1/10，可以成型大尺寸的A12O3、BeO、BN和TiB2等产品。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有高蒸气压成分纳米系统的组成变化，因而容易得到具有良好的机械性能、电学性能的产品，而且能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。

热压的缺点:热压法生产工艺复杂生产率低、成本高，不能普及生产工艺。

2.3热压烧结定义、过程与特点

热压烧结的定义：热压烧结就是一种压制成形和烧结同时进行的粉体材料成形工艺方法,是将粉末装在压模内,在专门的热压机中加压同时把粉末加热到熔点以下,在高温下单向或双向施压成形的过程。

热压烧结的过程：在烧结过程中,高温高压的交互作用使粉体颗粒的粘性、塑性流动及原子的扩散得以加强；同时颗粒与颗粒间的接触点因有较大的接触电阻,在烧结时的大电流下产生电弧放弧或局部大量发热,而且电磁场的作用进一步加速了原子的扩散,有利于烧结颈的形成和长大,具有催化和活化烧结功效,并有利于坯件的烧成,使烧结温度降低、时间缩短、性能提高。

热压烧结的特点：热压烧结的优点是烧结时间短、温度低、晶粒细、产品性能高等；热压烧结的缺点是过程及设备复杂，生产控制要求严，模具材料要求高，能源消耗大，生产效率较低，生产成本高。

2.4烧结过程驱动力

烧结过程驱动力主要有三个部分组成，分别是：能量差、压力差、空位

差。能量差为:

()SV GB G A γγ∆=- ①

粉状物料的表面能sv γ大于多晶烧结体的晶界能GB γ，这就是烧结的推动

力，即粉状物料的表面能与多晶烧结体的晶界能的能量差。任何系统降低能

量是一种自发趋势、粉体经烧结后，晶界能取代了表面能，这是多晶材料稳

定存在的原因。

常用GB γ和sv γ之比值来衡量烧结的难易， GB γ/sv γ愈小，则愈容易烧结。

为了促进烧结，必须使sv γ>GB γ。一般Al 2O 3粉的表面能约为1J/m 2，而晶界能

为0.4J/m 2，两者之差较大，比较易烧结；而Si 3N 4、SiC 和AlN 等， GB γ/sv

γ比值高，烧结推动力小，因而不易烧结。

粒度为lμm 的材料烧结时所发生的自由焓降低约为8.3J/g 。而α-石英转

变为β-石英时能量变化约为1.7kJ/mol ，通常情况下化学反应前后能量变化大

于200kJ/mol 。因此烧结推动力与相变和化学反应的能量相比还是极小的。烧

结不能自发进行，必须对粉体加以高温，才能促使粉末体转变为烧结体。

粉末体紧密堆积以后，颗粒间仍有很多细小气孔通过，在这些弯曲的表

面上由于表面张力γ的作用而造成的压力差为：

12P r γ∆= （球 面） ②

()

1211P r r γ∆=+ （非球面） ③

粉体表面张力G V P ∆=-∆ 越大、颗粒越细即颗粒半径越小， 则附加压

力ΔP 越大，自由焓差值 ΔG =-VΔP 越大，烧结推动力越大。

空位差的描述，颗粒表面上的空位浓度一般比内部空位浓度为大，二者

之差可以由下式描述：

o C RT C ργδ3

=∆ ④ 式④中： ΔC 为颗粒内部与表面的空位差；γ为表面能；δ3空位体积；ρ曲率

半径；0C 为平表面的空位浓度。