烧结基础知识ppt
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第九章 烧 结
1
主要内容
1、烧结推动力及模型 2、固相烧结和液相烧结过程中的四种基本传质
产生的原因、条件、特点和动力学方程。 3、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制。 4、影响烧结的因素。
2
第一节 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。
18
*推动力与颗粒细度的关系:
颗粒堆积后,有很多细小气孔弯曲表面由于表面 张力而产生压力差,
当为球形:P=2/r 当非球形:P= ( 1 1 )
r1 r2
结论:粉料愈细,由曲率而引起的烧结推动力愈大!!
19
四、烧结模型
1945年以前:粉体压块
1945年后,G.C.Kuczynski
球模型中
中
心
心
距
距
不
缩
变
短
(库津斯基)提出:双
x2 / 2r A 2x3 / r V x4 / 2r
x2 / 4r A 2 x3 / 2r V x4 / 4r
x2 / 2r A x3 / r V x4 / 2r
20
第二节 烧结机理
对 烧结。
有液相参与下的烧结,如多组 分物系在烧结温度下常有液相 出现。
近年来,在研制特种结构材料和功能材料的同时,产 生了一些新型烧结方法。如热压烧结,放电等离子体 烧结,微波烧结等。
7
图1 热压炉
8
图2 放电等离子体烧结炉(SPS)
9
图3 气压烧结炉(GPS)
10
图4 微波烧结炉
11
烧结
化学组成、矿物组成
断裂强度
2、气孔 强度(应力集中点); 透明度(散射); 铁电性和磁性。
13
烧结现象
收缩
a
收缩 b
c 收缩
烧结现象示意图
说明:
无气孔的 多晶体
a: 颗粒聚焦
b: 开口堆积体中颗 粒中心逼近
c: 封闭堆积体中颗 粒中心逼近
14
烧结过程中性质的变化
15
三、烧结过程推动力
粉状物料的表面自由焓 > 多晶烧结体的晶界自 由焓
象: 单一粉体的 气相传质(蒸发-凝聚)
主要传质方式: 扩散传质
流动传质
溶解和沉淀
21
(一)气相传质(蒸发-凝聚传质)
由于颗粒表面各处的曲率不同,按开尔 文公式可知,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。 这一过程也称蒸发-冷凝。
粉体颗料尺寸很小,比表面积大,具有较高的 表面能,即使在加压成型体中,颗料间接面积也很小, 总表面积很大而处于较高能量状态。根据最低能量原理, 它将自发地向最低能量状态变化,使系统的表面能减少。
烧结是一个自发的不可逆过程,系统表面 能降低是推动烧结进行的基本动力。
16
* 烧结能否自发进行?
1m材料烧结 - 石英
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。
3
一、烧结的定义及指标
定义1:压制成型后的粉状物料在低于熔点的 高温作用下、通过坯体间颗粒相互粘结和物 质传递,气孔排除,体积收缩,强度提高、 逐渐变成具有一定的几何形状和坚固整体的 致密化过程。
来自百度文库物理性质变化:V 、气孔率 、强度 、 致密度
一般化学反应
G 1卡/g G 200卡/mol G 几万卡 / mol
结论:由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比, 很小,因而不能自发进行,必须加热!!
17
*烧结难易程度的判断:
GB SV
GB晶界能 SV表面能
愈小愈易烧结,反之难烧 结。
例:
烧结。
Al2O3 : 两者差别较大,易烧结; 共价化合物如Si3N4、SiC、AlN 难
22
表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压P分别低于和高 于平面表面处的蒸气压Po,
根据开尔文公式:
P
r x
ln P1 M ( 1 1 ) P0 dRT x
传质原因:曲率差别产生P
条件:液相易挥发,颗粒足够
小,r <10m
定量关系: P ~
表面凹凸不平的固体颗粒,其凸处呈正压,凹处 呈负压,故存在着使物质自凸处向凹处迁移。
存在范围:在高温下蒸汽压较大的系统。硅酸盐材料不多 见。
23
(二)扩散传质
扩散传质是指质点(或空位)借助于浓度梯度 推动而迁移的传质过程。
对象:多数固体材料,液相不易挥发,其蒸汽压低。
*表面张力是如何成为这种扩散的动力?
1、表面张力引起应力分布的不均匀
由于颈部有一个曲率为ρ的凹形曲面,
就使得颈部在张力的作用下并使在该曲面
材料性质 结构 显微结构
改变
目的:粉状物料变成致密体。
晶粒尺寸分布 气孔尺寸分布 晶界体积分数
应用
陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高温材料…… 现代无机材料
如:功能瓷:热、声、光、电、磁、生物特 结构瓷:耐磨、弯曲、湿度、韧性
12
如何改变材料性质:
1、=f(G-12 )
G 强度
晶粒尺寸
…… 缺点:只描述宏观变化,未揭示本质。
4
定义2:在表面张力作用下的扩散蠕变。
优点:揭示了本质。 缺点:未描述宏观物理性质变化。
5
烧结的指标
烧结收缩率 强度 实际密度/理论密度 吸水率 气孔率等
6
二、烧结分类
按照烧结时是否出现液相,可将烧结分为两类:
固相烧结 液相烧结
烧结温度下基本上无液相出 现的烧结,如高纯氧化物之 间的烧结过程。
之内有一个负的附加压强(σρ为张应力)。
这必然引起两颗粒接触处有一个压应力(σx)。
分别表示为 F 和Fx
。
24
为了定量分析应力,将颈部单独取出放大,颈部 应力模型见下图。(见书图3-3-5)
25
颈部应力
= (1- 1 ) x
x , - (张应力)
说明:颈部应力主要由
F
产生,Fx可以忽略不计。
理
想
状 况
2
实 颗粒尺寸、形状、堆积方式不同, 颈 际 状 部形状不规则接触点局部产生剪应力 况 晶界滑移,颗粒重排
密度,气孔率
2静压力
(但颗粒形状不变,气孔不可能完全消 除。)
26
2、应力分布不均匀必造成空位浓度梯度
⑴引起浓度差异的原因
1
主要内容
1、烧结推动力及模型 2、固相烧结和液相烧结过程中的四种基本传质
产生的原因、条件、特点和动力学方程。 3、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制。 4、影响烧结的因素。
2
第一节 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。
18
*推动力与颗粒细度的关系:
颗粒堆积后,有很多细小气孔弯曲表面由于表面 张力而产生压力差,
当为球形:P=2/r 当非球形:P= ( 1 1 )
r1 r2
结论:粉料愈细,由曲率而引起的烧结推动力愈大!!
19
四、烧结模型
1945年以前:粉体压块
1945年后,G.C.Kuczynski
球模型中
中
心
心
距
距
不
缩
变
短
(库津斯基)提出:双
x2 / 2r A 2x3 / r V x4 / 2r
x2 / 4r A 2 x3 / 2r V x4 / 4r
x2 / 2r A x3 / r V x4 / 2r
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第二节 烧结机理
对 烧结。
有液相参与下的烧结,如多组 分物系在烧结温度下常有液相 出现。
近年来,在研制特种结构材料和功能材料的同时,产 生了一些新型烧结方法。如热压烧结,放电等离子体 烧结,微波烧结等。
7
图1 热压炉
8
图2 放电等离子体烧结炉(SPS)
9
图3 气压烧结炉(GPS)
10
图4 微波烧结炉
11
烧结
化学组成、矿物组成
断裂强度
2、气孔 强度(应力集中点); 透明度(散射); 铁电性和磁性。
13
烧结现象
收缩
a
收缩 b
c 收缩
烧结现象示意图
说明:
无气孔的 多晶体
a: 颗粒聚焦
b: 开口堆积体中颗 粒中心逼近
c: 封闭堆积体中颗 粒中心逼近
14
烧结过程中性质的变化
15
三、烧结过程推动力
粉状物料的表面自由焓 > 多晶烧结体的晶界自 由焓
象: 单一粉体的 气相传质(蒸发-凝聚)
主要传质方式: 扩散传质
流动传质
溶解和沉淀
21
(一)气相传质(蒸发-凝聚传质)
由于颗粒表面各处的曲率不同,按开尔 文公式可知,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。 这一过程也称蒸发-冷凝。
粉体颗料尺寸很小,比表面积大,具有较高的 表面能,即使在加压成型体中,颗料间接面积也很小, 总表面积很大而处于较高能量状态。根据最低能量原理, 它将自发地向最低能量状态变化,使系统的表面能减少。
烧结是一个自发的不可逆过程,系统表面 能降低是推动烧结进行的基本动力。
16
* 烧结能否自发进行?
1m材料烧结 - 石英
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。
3
一、烧结的定义及指标
定义1:压制成型后的粉状物料在低于熔点的 高温作用下、通过坯体间颗粒相互粘结和物 质传递,气孔排除,体积收缩,强度提高、 逐渐变成具有一定的几何形状和坚固整体的 致密化过程。
来自百度文库物理性质变化:V 、气孔率 、强度 、 致密度
一般化学反应
G 1卡/g G 200卡/mol G 几万卡 / mol
结论:由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比, 很小,因而不能自发进行,必须加热!!
17
*烧结难易程度的判断:
GB SV
GB晶界能 SV表面能
愈小愈易烧结,反之难烧 结。
例:
烧结。
Al2O3 : 两者差别较大,易烧结; 共价化合物如Si3N4、SiC、AlN 难
22
表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压P分别低于和高 于平面表面处的蒸气压Po,
根据开尔文公式:
P
r x
ln P1 M ( 1 1 ) P0 dRT x
传质原因:曲率差别产生P
条件:液相易挥发,颗粒足够
小,r <10m
定量关系: P ~
表面凹凸不平的固体颗粒,其凸处呈正压,凹处 呈负压,故存在着使物质自凸处向凹处迁移。
存在范围:在高温下蒸汽压较大的系统。硅酸盐材料不多 见。
23
(二)扩散传质
扩散传质是指质点(或空位)借助于浓度梯度 推动而迁移的传质过程。
对象:多数固体材料,液相不易挥发,其蒸汽压低。
*表面张力是如何成为这种扩散的动力?
1、表面张力引起应力分布的不均匀
由于颈部有一个曲率为ρ的凹形曲面,
就使得颈部在张力的作用下并使在该曲面
材料性质 结构 显微结构
改变
目的:粉状物料变成致密体。
晶粒尺寸分布 气孔尺寸分布 晶界体积分数
应用
陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高温材料…… 现代无机材料
如:功能瓷:热、声、光、电、磁、生物特 结构瓷:耐磨、弯曲、湿度、韧性
12
如何改变材料性质:
1、=f(G-12 )
G 强度
晶粒尺寸
…… 缺点:只描述宏观变化,未揭示本质。
4
定义2:在表面张力作用下的扩散蠕变。
优点:揭示了本质。 缺点:未描述宏观物理性质变化。
5
烧结的指标
烧结收缩率 强度 实际密度/理论密度 吸水率 气孔率等
6
二、烧结分类
按照烧结时是否出现液相,可将烧结分为两类:
固相烧结 液相烧结
烧结温度下基本上无液相出 现的烧结,如高纯氧化物之 间的烧结过程。
之内有一个负的附加压强(σρ为张应力)。
这必然引起两颗粒接触处有一个压应力(σx)。
分别表示为 F 和Fx
。
24
为了定量分析应力,将颈部单独取出放大,颈部 应力模型见下图。(见书图3-3-5)
25
颈部应力
= (1- 1 ) x
x , - (张应力)
说明:颈部应力主要由
F
产生,Fx可以忽略不计。
理
想
状 况
2
实 颗粒尺寸、形状、堆积方式不同, 颈 际 状 部形状不规则接触点局部产生剪应力 况 晶界滑移,颗粒重排
密度,气孔率
2静压力
(但颗粒形状不变,气孔不可能完全消 除。)
26
2、应力分布不均匀必造成空位浓度梯度
⑴引起浓度差异的原因