浙大考研无机非金属—第三章-烧结过程PPT课件

一、烧结定义
➢国际标准组织（International Organization for Standardization，ISO）：加热至粉体主成分熔点以下温度， 通过粉体颗粒间粘结使粉体或其压坯产生强度的热处理过程
➢理化学词典（日本）：将粉体加热到熔点以下或生成部分液相 的温度时，成为具有烧紧程度固体现象
❖此后陆续开展了单元体系（单元氧化物如Al2O3、 MgO，单元金属等）的烧结研究
❖上世纪三十年代初，对金属粉末的烧结进行了详细 研究，提出了烧结的定义：烧结是“金属粉末颗粒 粘结和长大的过程”
❖1938年，研究了液相烧结的溶解-析出现象，提出 了解释大颗粒长大的理论模型
❖这些烧结理论模型大多建立在对烧结过程中颗粒长 大现象的维象解释上----最初期和原始的烧结理论
➢对解决各类材料烧结技术与工艺，有效控制材料 制品的显微结构与性能以及发展各类新型的材料都 有极为重要的意义。
烧结过程影响因素很多，烧结动力学方程都是在 一定的理想模型的条件下获得的，对真正定量解决 复杂多变实际烧结问题还有相当距离，有待进一步 研究
2008年3月
材料科学基础-----烧结过程
第一节 烧 结 概 述
➢材料大词典：通过加热使粉体产生颗粒粘结，经过物质的迁移 使粉体产生强度并导致致密化的再结晶过程
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
2008年3月
材料科学基础-----烧结过程
二、 现代烧结理论研究
❖1910年，Coolidge成功实现钨的粉末冶金工作， 标志近代烧结技术的开始
❖计算机模拟烧结过程对象经历了从简单烧结物理 模型到复杂的、接近实际过程的复杂烧结物理模型 的变化 ❖1990年Ku等人针对经反应烧结制备氮化硅陶瓷 过程建立了晶粒模型（Grain Model）和尖锐界面 模型（Sharp Interface Model）
பைடு நூலகம்008年3月
材料科学基础-----烧结过程
了解烧结过程现象及机理，掌握烧结过程动 力学对材料显微结构影响规律，对材料的制备 和应用具有重要的指导意义
2008年3月
材料科学基础-----烧结过程
烧结是一个复杂物理化学过程，除了物理变 化之外，有时还伴随有化学变化，如固相反应
高纯物质的烧结体系在烧结温度下基本上不 会出现液相，而多组分物系在烧结温度下常伴 随有液相的产生
❖线收缩率、强度、容重或气孔率等物理指标 衡量物料的烧结过程
2008年3月
材料科学基础-----烧结过程
烧结是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高温 材料等生产过程的一个重要工序
➢材料性能不仅与材料的组成（化学组成和矿 物组成）有关，还与材料显微结构密切相关
➢当某种材料的配方、原料颗粒、混合与成型 工艺确定后，烧结过程是材料获得预期显微结 构的关键工序
2008年3月
材料科学基础-----烧结过程
❖二次世界大战期间军工产业繁荣极大地促进金属材料制 备技术与相关科学理论的发展，烧结理论研究也进入新阶 段
❖苏联学者两篇论文“结晶体中的粘性流动”（The Viscous Flow in Crystal Bodies） “结晶体表面蠕变与 晶体表面粗糙度”（On the Surface Creep of Particles in Crystal and Natural Roughness of the Crystal Faces） ➢第一次建立了基于两个圆球粘结简化模型，提出由空位流 动进行传质的烧结机制，考虑了颗粒表面微粒子的迁移对 烧结传质过程的重要作用 ➢第一次将烧结理论研究深入到原子水平，考虑晶体内空位 和晶体表面原子迁移等现象，代表了烧结理论第一次突破
❖这些理论建立在新兴物理学和现代烧结技术发展 的基础上，反过来又极大地促进了烧结理论在金属、 陶瓷及复合材料等先进材料的研究和开发
2008年3月
材料科学基础-----烧结过程
❖1965年，Nichols用计算机模拟技术对烧结颈演 化过程进行了模拟研究 ❖1974年Ashby将算机模拟用于压力-烧结图的预 报 ❖八十年代后期多个研究小组开始用计算机模拟烧 结过程中晶粒生长问题，计算机模拟烧结过程的相 关研究进入了快速发展的阶段
❖1949年 论文“金属颗粒烧结过程中的自扩散”（Selfdiffusion in Sintering of Metallic Particles），在板球模型上建立了烧结初期基于各种扩散与蒸发-凝聚机制的 较为系统的物质传质与迁移理论
2008年3月
材料科学基础-----烧结过程
❖上世纪七十年代后，以量子力学等为代表的新兴 物理学理论以及计算机科学技术在材料科学，包括 烧结理论研究中得到广泛应用，烧结理论进入到了 新的阶段 ➢Samsonov用电子稳定组态理论对活化烧结现象 进行了解释 ➢Rhines和Kuczynski分别提出了烧结拓扑理论 和统计理论 ➢Ashby提出了热压、热等静压等加压烧结条件下 的蠕变模型
2008年3月
材料科学基础-----烧结过程
第三章
烧 结 过程
2008年3月
材料科学基础-----烧结过程
❖一种或多种固体（金属、氧化物、氮化物、 粘土等）粉末经压制成型成坯体，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
❖目前对烧结过程的机理以及各种烧结机制 的动力学研究已经比较完善。研究结果对解
决各类材料的烧结技术与工艺，有效控制材
料制品显微结构与性能以及发展各类新型材 料有极为重要的意义
无液相参与的烧结即只在单纯固体之间进行 的烧结称为固相烧结，有液相参与的烧结称为 液相烧结
2008年3月
材料科学基础-----烧结过程
烧结是一个古老的工艺过程，人类很早就利用烧 结工艺来制备陶瓷、水泥、耐火材料
系统开展烧结机理以及烧结动力学的研究从二十 世纪才开始的。目前对烧结过程机理以及各种烧结 机制动力学研究已经比较完善