材料科学基础2-第三章-烧结过程

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达到理论密度
通常可将烧结过程分成几步:
a.烧结前颗粒堆积:颗粒间彼此以点接触,有的相 互分开,有较多的空隙。
ab. T,t,产生颗粒间键合和重排,粒子相互 靠拢,a中的大孔隙逐渐消失,气孔总体积迅速减少, 但颗粒间仍以点接触为主,总表面积没有缩小
bc.有明显的传质过程,由点接触逐渐扩大为面接 触,粒界增加,固-气表面积相应减少,但空隙仍连 通。
➢无液相参与的烧结,即只在单纯固相颗粒之间进 行的烧结称为固相烧结
➢有部分液相参与的烧结称为液相烧结 ➢通过蒸发-凝聚机理进行传质的烧结称为气相烧结
3. 根据烧结体系的组元多少分类: ➢烧结可分为单组元系统烧结、二组元系统烧结和多 组元系统烧结。单组元系统烧结在烧结理论的研究中 非常有用。而实际的粉末材料烧结大都是二组元系统 或多组元系统的烧结。
❖在烧结过程中,坯体内部发生一系列物理变化过程:
(i)颗粒间首先在接触部分开始相互作用,颗粒接触 界面逐渐扩大并形成晶界(有效粘结,Bonding)
(ii)同时气孔形状逐渐发生变化、由连通气孔变成孤 立气孔并伴随体积的缩小,气孔率逐渐减少
(iii)发生数个晶粒相互结合,产生再结晶和晶粒长 大等现象
第三章
烧 结 过程
❖一种或多种固体(金属、氧化物、氮化物、 粘土等)粉末经压制成为坯体,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
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
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
❖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
❖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
熔融过程和烧结过程都是由于原子热振动引起, 即由晶格中原子的振幅在温度升高的影响下增大, 使原子间联系减弱而引起。
烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行。
泰曼发现烧结温度(TS)和熔融温度(TM)之间 关系有一定规律:
金属粉末:TS(0.3~0.4)TM 盐 类:TS0.57TM 硅 酸 盐:TS(0.8~0.9)TM 熔融时系统中全部组元都转变为液相,烧结时至 少有一种组元处于固态
❖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
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
cd.随传质继续,粒界进一步扩大,气孔则逐渐缩 小和变形,最终变成孤立闭气孔。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, 致密度提高
❖烧结过程伴随的主要物理过 程:
➢粉料成型后形成具有一定外 形的坯体,坯体中包含百分之 几十的气孔率,颗粒之间只有 点接触
气孔率
➢随着烧结进行,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 性 孔形状产生变化,体积缩小, 质 并逐渐从连通的气孔变成孤立 的气孔,气孔逐渐缩小,直至 最后大部分甚至全部气孔从晶 体中排除。 ➢伴随这些物理变化,坯体中 的气孔率下降,密度、强度增 加,电阻率下降,晶粒尺寸增 加
3.烧结与固相反应:
两个过程均在低于材料熔点或熔融温度下进行,过程中自 始至终都至少有一相是固态
❖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
❖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
(iv)反应烧结(Reaction Sintering);
(v)微波烧结(Microwave Sintering);
(vi)电弧等离子烧结(Spark Plasma Sintering);
(vii)自蔓延烧结(Self-Propagating High-Temperature Sintering)
五、 烧结及其它一些概念
电阻 密度 强度
温度
晶粒尺寸
四、烧结分类
1. 根据烧结过程是否施加压力分类: ➢不施加外部压力的无压烧结(Pressureless Sintering) ➢施加额外外部压力的加压烧结(Applied Pressure or Pressure-assisted Sintering) 2. 根据烧结过程中主要传质媒介的物相种类分类:
❖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
❖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将计算机模拟用于压力-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
❖烧结过程是一个复杂的工艺过程,影响因 素很多,已有的烧结动力学方程都是在相当 理想和简化的物理模型条件下获得的,对真 正定量地解决复杂多变的实际烧结问题还有 相当的距离,尚有待进一步研究
三、烧结过程
❖被烧结的对象是一种或多种固体(金属、氧化物、 非氧化物类、粘土等)松散粉末,它们经加压等成 型方法加工成坯体(又称粉末压块,Compact)
❖坯体中通常含有大量气孔,一般约在35%~60%, 颗粒之间虽有接触,但接触面积小且没有形成粘结, 因而强度较低
❖将坯体放入烧成设备中,在一定的气氛条件下, 以一定的加热速度将坯体加热,到设定温度(低于 主成分的熔点温度)并保温一定时间后,既可获得 烧结样品
❖上述烧结过程中使用的气氛条件称为烧结气氛, 使用的设定温度称为烧结温度,所用的保温时间成 为称为烧结时间
4. 根据烧结是否采用强化手段分类: 烧结可以分为常规烧结和强化烧结两大类。不施加
外加烧结推动力、仅靠被烧结组元的扩散传质进行的 烧结称为常规烧结;通过各种手段,施加额外的烧结 推动力的烧结称为强化烧结或特种烧结。
强化烧结主要有:
(i)添加第二相粉末作为烧结活化剂(又称烧结添加剂或烧结 助剂等)的活化烧结(Activated Sintering);
(1) 烧结温度增加,比电导和拉力迅速增高,但在 约600℃以前,密度几乎无变化,说明颗粒间隙被 填充之前,颗粒接触处可能已产生某种键合,从而 导致电导和拉力增大。
(2)继续增大温度,除键合增加外,物质开始向间 隙传递,使密度增大。
(3)当密度达到一定程度后(约90~95%理论密 度),其增长速度显著放慢,且在通常情况下很难
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
第一节 烧 结 概 述
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 ➢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
伴随上述烧结过程中发生的物理变化:坯体出现体积 收缩、气孔率下降、致密度与强度增加、电阻率下降 等宏观性能的变化,最后变成致密、坚硬并具有相当 强度的烧结体
❖可用线收缩率、机械强度、电阻率、容重、气孔 率、吸水率、相对密度(烧结体密度与理论密度比 值)以及晶粒尺寸等宏观物理指标来衡量和分析粉 料的烧结过程
❖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)
❖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
❖这些宏观物理指标尚不能揭示烧结过程的本质。 在后来的烧结理论研究中,建立各种烧结的物理模 型,利用物理学等基础学科的最新研究成果,对颗 粒表面的粘结发展过程、伴随的表面与内部发生的 物质输运和迁移过程,发生的热力学条件和动力学 规律,以及烧结控制等进行了大量的研究
铜粉经高压成型,在不同温度的氢保护气氛中烧 结2小时后,取出样品测试密度、比电导和拉力, 实验结果:
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
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
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
(ii)利用部分组元在烧结温intering);
(iii)施加额外外部压力的加压烧结(Applied Pressure or Pressure-assisted Sintering):热压烧结(Hot Pressing Sintering);热等静压烧结(Hot Isostatic Pressing Sintering)等;
1.烧结与烧成:
烧成包括多种物理和化学变化,如脱水,坯体内气 体分解,多相反应和熔融,溶解,烧结等 烧结仅仅指粉料经加热而致密化的简单物理过程, 仅仅是烧成过程一个重要组成部分 烧成的含义及包括的范围更广,如普通陶瓷制备过 程中从坯体进入隧道窑到制品离开隧道窑的整个过 程可称为陶瓷的烧成
2.烧结与熔融:
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
➢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。
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