烧结知识讲解

❖ 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。
❖ 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。
所以
[Cn][C0]1(k
) T
同理
[Ct][C0]1 (k
) 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]：
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
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： lnP1 M(11)
P2 dRT x
❖压P1—曲率半径为ρ的颈部的蒸汽 ❖P0—球形颗粒表面蒸汽压 ❖γ—表面张力 ❖d—密度
设 PP1P0很小
ln P 1ln P 0Pln 1 (P)P
P 0
P 0
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 P03
r
3
T2
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
1. 传质机理：空位浓度差△C
E
' V
则
EV' EV
❖压应力区： EV' EV
❖张应力区： EV' EV
不同部位空位形成能大小次序：
张应力区[Et]<无应力区[Ev]<压应力区[En]
[C n]ex E p Vk (T ) [C 0]ex k p )T (
若kT 1当 x0时，
则
exp()1
kT kT
ex 1xx2 x3 2! 3!
V L kT
由方程出发，从工艺角度考虑，在烧结是需控制的变量：
百度文库
Ⅰ.烧结时间：
x
1
t5,
r
Lt5 2
L
故以扩散传质为主要传质手段的烧结，用延长烧结时间来
达到坯体致密化的目的是不妥当的，此类烧结宜采用较短的
保温时间。
如NaF和Al2O3 试块的烧结收缩曲线
Ⅱ.原料的起始粒度： x
r
3
r 5 粒度与接触颈部增长关系图
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
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
logY—t作图为一直线，截矩
＝K’(随T升高而升高)，斜率＝ 1/P(不随T变化)
⑵ 烧结中期：
❖ 坯体变化：进入中期，颗粒开始粘结，颈部扩大， 气孔由不规则形状逐渐变成由三个颗粒包围的圆柱 形管道，气孔相互联通。晶界开始移动。晶粒正常 生长。以晶界和晶格扩散为主，气孔率降低为5%， 收缩达80%～90%。
第九章 烧 结
❖ 主要内容： ❖ 烧结有关概念；推动力* ❖ 固态烧结* ❖ 液相烧结# ❖ 晶粒长大与二次再结晶* ❖ 影响烧结的因素*
第一节 概述
一 烧结定义
如图
❖ 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
P 0 P 0
P
P0
M (1 dRT
1x)P
r1 0
x
MP0 dRT
2. 条件：颗粒足够小 r 1m 0， P 1~ 1P 0a
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 r
1
t 3，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
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γSV之
比值来衡量烧结的难易。GB SV 越小越易烧结。
对球形曲率：弯曲表面由于表面张力而造成的压差
对非球形曲面：P (1 1) P 2
r1 r2
r
烧结的推动力： GVP
下面通过计算不同部位空位浓度说明扩散传质机理：
在无应力区(晶粒内部)：
C0
n0 exp(EV)
N
kT
❖ n0—晶粒内空位数 ❖ N—晶粒内原子数
❖ EV—空位生成能
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:
张应力区
Et
压应力区
En
设在颈部或颗粒接触点区域
空位形成能为
在扩散传质的烧结过程中，起始粒度的控制相当重要
Ⅲ.温度对烧结过程的决定性作用
温度升高，自扩散系数 D*D 0expQ(R)T
D*明显增大，故升高温度必然加快烧结的进行。
x(160D*)15r53t15
r
kT
扩散传质初期动力学方程可以写成：
YPK t loYg 1lot gK' P
Y — 烧结收缩率 K — 烧结速率常数 t — 烧结时间
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
烧结初期物质迁移路线图
❖ 坯体变化：以表面扩散为主，气孔率大，收缩约在 1%左右
❖ 动力学方程：
颈部增长速率：
x(160D*)1 5r5 3t1 5
r
kT
颗粒中心距逼近速率：
V3L3(5D*)5 2r5 6t5 2
盐类
TS 0.57TM
硅酸盐 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
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 缩 不心 心 短 变距 距
第二节 固态烧结
固态烧结主要传质方式：蒸发-凝聚、 扩散传质和塑性流变