第七章热压烧结

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例：热压氮化硅材料的抗弯强度和断裂韧性分 别 可 达 1100MPa 和 9MPa·m1/2 ； 热 压 氧 化 位 错增韧陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别为 1500MPa和15MPa·m1/2。此外，一些含有易 挥发组分的陶瓷，如氧化铅、氧化锌和某些氮 化物，以及用纤维、晶须、片状晶粒、颗粒弥 散强化的陶瓷基复合材料，用热压工艺比用无
烧结初期
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烧结中期
烧结后期
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烧结
粉料在外部压力作用下，形成一定形状的、具
初期 有一定机械强度的多孔坯体。烧结前成型体中颗粒
间接触有的彼此以点接触，有的则相互分开，保留
着较多的空隙，如图7.1(a)。
图7.1 不同烧结阶段晶粒排列过程示意图
随着烧结温度的提高和时间的延长，开始产生颗粒间的键合和重 排过程，这时粒子因重排而相互靠拢，大空隙逐渐消失，气孔的总 体积迅速减少，但颗粒间仍以点接触为主，总表面积并没减小。
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固相烧结(solid state sintering)是指松散的粉末 或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超 过其熔点的设定温度中在一定的气氛保护下， 保温一段时间的操作过程。
所设定的温度为烧结温度，所用的气氛称为烧 结气氛，所用的保温时间称为烧结时间。
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烧结过程可以分为两大类：
致密的晶体如果以细分的大量颗粒形态存在，这个颗粒 系统就必然处于一个高能状态．因为它本征地具有发达的 颗粒表面，与同质量的未细分晶体相比具有过剩的表面能。
烧结的主要目的是把颗粒系统烧结成为一个致密的晶体， 是向低能状态过渡。因此烧结前，颗粒系统具有的过剩的 表面能越高．这个过渡过程就越容易，它的烧结活性就越 大。
1 热压烧结的发展 2 热压烧结的原理 3 热压烧结工艺 4 热压烧结应用实例
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7.1热压烧结的发展
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。而热压技术已经有70年的历史，热压是粉末冶金 发展和应用较早的一种热成形技术。
1912年，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉制造致密 件的专利。
1926～1927年，德国将热压技术用于制造硬质合金。
从1930年起，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。
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热压烧结优点：许多陶瓷粉体(或素坯)在 烧结过程中，由于烧结温度的提高和烧结 时间的延长，而导致晶粒长大。与陶瓷无 压烧结相比，热压烧结能降低烧结温度和 缩短烧结时间，可获得细晶粒的陶瓷材料。
压烧结容易获得高致密的材料。
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7.2热压烧结的原理
❖ 7.2.1 热压烧结的概念 ❖ 7.2.2 热压烧结的原理 ❖ 7.2.3 热压烧结的适用范围
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7.2.1热压烧结的概念
烧结是陶瓷生坯在高温下的致密化过程和现象的 总称。
随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键 联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过 物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为 坚硬的只有某种显微结构的多晶烧结体，这种现象 称为烧结。烧结是减少成型体中气孔，增强颗粒之 间结合，提高机械强度的工艺过程。
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烧结
后期 随着传质的继续，粒界进一步发育扩大，气孔则逐渐 缩小和变形，最终转变成孤立的闭气孔。与此同时颗粒 粒界开始移动，粒子长大，气孔逐渐迁移到粒界上消失， 但深入晶粒内部的气孔则排除比较难。烧结体致密度提 高，坯体可以达到理论密度的95%左右。
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2 固体粉末烧结的本征热力学驱动力
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1 固体粉末烧结的过程和特点
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 因此烧结程度可以用坯体收缩率、气孔率或体积密度 与理论密度之比等来表征。
在热力学上，所谓烧结是指系统总能量减少的过程。
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一般烧结过程，总伴随着气孔率的降低，颗粒总表面 积减少，表面自由能减少及与其相联系的晶粒长大等 变化，可根据其变化特点来划分烧结阶段。
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热压的优点：
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， 容易得到具有良好机械性能、电学性能的产品。
能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。
热压法的缺点是生产率低、成本高。
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7.2.2热压烧结的原理
1 固体粉末烧结的过程和特点 2 固体粉末烧结的本征热力学驱动力 3 固相烧结动力学 4 热压过程的基本规律
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烧结
中期开始有明显的传质过程。颗粒间由点接触逐渐扩大为面 接触，粒界面积增加，固-气表面积相应减少，但气孔仍然 是联通的，此阶段晶界移动比较容易。在表面能减少的推 动力下，相对密度迅速增大，粉粒重排、晶界滑移引起的 局部碎裂或塑性流动传质，物质通过不同的扩散途径向颗 粒间的颈部和气孔部位填空，使颈部渐渐长大，并逐步减 少气孔所占的体积，细小的颗粒之间开始逐渐形成晶界， 并不断扩大晶界的面积，使坯体变得致密化，如图7.1(b) (c)。
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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袖压力的烧结过程。
热压的优点：
热压时，由于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，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。
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（1）本征过剩表面能驱动力 可以用下述简单方法估计本征过剩表面能驱动力数量
级。假定烧结前粉末系统的表面能为Ep．烧结成一个致 密的立方体后的表面能为Ed，忽略形成晶界能量的消耗， 则本征驱动力为：
不加压烧结
不施加外压力的烧结， 简称不加压烧结
(pressureless sintering)
加压烧结
施加外压力的烧结， 简称加压烧结
(applied pressure) or (pressure—assisted
sintering)
对松散粉末或粉末压坯同 时施以高温和外压，则是 所谓的加压烧结
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