河南省精品课程陶瓷工艺原理(1)
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2020/10/9
文库专用
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在烧结驱动力的作用下烧结过程中的基本现象
2020/10/9
文库专用
5.2.3 烧结参数
材料参数 工艺参数
粉体
形貌，粒度，粒度分布，团聚，混合均匀性等
化学特性
化学组分，纯度，非化学计量性，绝对均性等
烧结温度，烧结时间，压力气氛，升温和降温度
等
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（3）颗粒形状对烧结的影响
颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响
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只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形状的 陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。
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（4）颗粒尺寸分布对烧结的影响
颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力学过程 来研究，即分析由不同尺寸分布的坯体内部，在烧结过程中“拉出气孔” （pore drag）和晶粒生长驱动力之间力的平衡作用。
气孔尺寸减小。
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5.3.1 双球模型（two-particle model）
图 (a)为未收缩的模型，颗粒之间的距离不发生变化，但是随着烧14结时 间的增加，颈部尺寸会不断增加，烧结样品开始收缩，其收缩后几何模型 如图 (b)所示，颈部增大主要是颗粒接触间物质扩散和坯体收缩造成的。
5.2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响
一、材料参数对烧结的影响
（1）颗粒尺寸对烧结的影响 在一定温度下，半径为r1的一列球形颗粒所需要的烧结时间为t1，半径为r2的
另一列排列相同的球形颗粒烧结时间为t2，则：
t2 (r2 / r1 ) n t1
如果颗粒尺寸从1 m减小到0.01 m，则烧结时间降低106到108数量级。同 时，小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高，同时降低烧结温度、减少烧7 结时 间。
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5.2.2 烧结驱动力
烧结的驱动力就是总界面能的减少。粉末坯体的总界面能表示为γA， 其中γ为界面能；A为总的比表面积。那么总界面能的减少为：
A A A
其中，界面能的变化（Δγ）是因为样品的致密化，比表面积的变化 是由于晶粒的长大。对于固相烧结，Δγ主要是固/固界面取代固/气界面。
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5.3.2晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快速 长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
能或者是薄膜的表面能等 ③ 材料内存在高的化学不平衡性。
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5.2 烧结参数及其对烧结性影响
5.2.1 烧结类型
Tm A
液相烧结
Tm B
（Liquid phase intering）
T3
T2
T1
固相烧结
（Solid state sintering）
2
烧结过程示意相图
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(a)固相烧结(Al2O3)和(b)液相烧结样品 (98W-1Ni-1F2(wt%))的显微结构
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（2）粉体结块和团聚对烧结的影响
结块的概念是指一小部分质量的颗粒通过表面力和/或固体桥接作用结合在一 起；而团聚描述的是颗粒经过牢固结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团 聚形成的粗大颗粒都是通过表面力结合。
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细小颗粒在液体和固体介质中承8 受吸引 力和排斥力形成结块和团聚体示意图
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烧结中的物质传输机理
物质扩散机理 1．晶格扩散
2．晶界扩散 3．粘性流动 4．表面扩散
5．晶格扩散 6．气相传输
蒸发－凝聚 气相扩散
材料部位 晶界 晶界
整体晶粒 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db 粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散16率,Dg
② 气氛对坯体的收缩和烧结的影响
③ 气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响
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（4）升温与降温速度对产品性能的影响
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5.3 固相烧结过程及机理
初始阶段 中间阶段
最终阶段
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固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状
改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为
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烧结的驱动力主要来源于由于颗粒表面曲率的变化而造成的体积压力差、空位 浓度差和蒸汽压差。对于图中的模型示意图，体积压力差ΔP为：
空位浓度差为： 蒸汽压差为：
P
Pa
Pr
s
2 a
1 r
1 x
s
r
Cv
Cv
Vm, s
RTr
a x r
Leabharlann Baidup p Vm s
RTr 其中，γs为固相的表面能，Vm’为空位摩尔体积，Vm为固相的摩尔体积15。由于 上述体积压力差、空位浓度差和蒸汽压差的存在，促使物质扩散。
研究表明，较小的颗粒尺寸分布范围是获取高烧结密度的必要条件。
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二、影响陶瓷材料烧结的工艺参数
（1）烧成温度对产品性能的影响
烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即操作时的 止火温度。
烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸和数量。对固相扩散或液相重结晶来 说，提高烧成温度是有益的。然而过高的烧成温度对特瓷来说，会因总体晶 粒过大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，因而产品的机电性能变差。
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（2）保温时间对产品性能的影响
在烧成的最高温度保持一定的时间，一方面使物理化学变化更趋完全，使 坯体具有足够液相量和适当的晶粒尺寸，另一方面组织结构亦趋均一。但保温 时间过长，则晶粒溶解，不利于在坯中形成坚强骨架，而降低机械性能。
（3）烧成气氛对产品性能的影响
① 气氛对陶瓷坯体过烧膨胀的影响
第五章 陶瓷材料的烧结
5.1 概述
烧结（sintering）是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其具体 的定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机 械性能提高的致密化过程。
只有掌握了坯体在高温烧成过程中的变化规律，正确地选择和设计窑 炉，科学地制定和执行烧成制度，严格地执行装烧操作规程，才能提高产 品质量，降低燃料消耗，获得良好的经济效益。
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在烧结驱动力的作用下烧结过程中的基本现象
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5.2.3 烧结参数
材料参数 工艺参数
粉体
形貌，粒度，粒度分布，团聚，混合均匀性等
化学特性
化学组分，纯度，非化学计量性，绝对均性等
烧结温度，烧结时间，压力气氛，升温和降温度
等
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（3）颗粒形状对烧结的影响
颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响
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只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形状的 陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。
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（4）颗粒尺寸分布对烧结的影响
颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力学过程 来研究，即分析由不同尺寸分布的坯体内部，在烧结过程中“拉出气孔” （pore drag）和晶粒生长驱动力之间力的平衡作用。
气孔尺寸减小。
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5.3.1 双球模型（two-particle model）
图 (a)为未收缩的模型，颗粒之间的距离不发生变化，但是随着烧14结时 间的增加，颈部尺寸会不断增加，烧结样品开始收缩，其收缩后几何模型 如图 (b)所示，颈部增大主要是颗粒接触间物质扩散和坯体收缩造成的。
5.2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响
一、材料参数对烧结的影响
（1）颗粒尺寸对烧结的影响 在一定温度下，半径为r1的一列球形颗粒所需要的烧结时间为t1，半径为r2的
另一列排列相同的球形颗粒烧结时间为t2，则：
t2 (r2 / r1 ) n t1
如果颗粒尺寸从1 m减小到0.01 m，则烧结时间降低106到108数量级。同 时，小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高，同时降低烧结温度、减少烧7 结时 间。
3 文库专用
5.2.2 烧结驱动力
烧结的驱动力就是总界面能的减少。粉末坯体的总界面能表示为γA， 其中γ为界面能；A为总的比表面积。那么总界面能的减少为：
A A A
其中，界面能的变化（Δγ）是因为样品的致密化，比表面积的变化 是由于晶粒的长大。对于固相烧结，Δγ主要是固/固界面取代固/气界面。
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5.3.2晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快速 长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
能或者是薄膜的表面能等 ③ 材料内存在高的化学不平衡性。
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5.2 烧结参数及其对烧结性影响
5.2.1 烧结类型
Tm A
液相烧结
Tm B
（Liquid phase intering）
T3
T2
T1
固相烧结
（Solid state sintering）
2
烧结过程示意相图
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(a)固相烧结(Al2O3)和(b)液相烧结样品 (98W-1Ni-1F2(wt%))的显微结构
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（2）粉体结块和团聚对烧结的影响
结块的概念是指一小部分质量的颗粒通过表面力和/或固体桥接作用结合在一 起；而团聚描述的是颗粒经过牢固结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团 聚形成的粗大颗粒都是通过表面力结合。
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细小颗粒在液体和固体介质中承8 受吸引 力和排斥力形成结块和团聚体示意图
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烧结中的物质传输机理
物质扩散机理 1．晶格扩散
2．晶界扩散 3．粘性流动 4．表面扩散
5．晶格扩散 6．气相传输
蒸发－凝聚 气相扩散
材料部位 晶界 晶界
整体晶粒 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db 粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散16率,Dg
② 气氛对坯体的收缩和烧结的影响
③ 气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响
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（4）升温与降温速度对产品性能的影响
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5.3 固相烧结过程及机理
初始阶段 中间阶段
最终阶段
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固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状
改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为
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烧结的驱动力主要来源于由于颗粒表面曲率的变化而造成的体积压力差、空位 浓度差和蒸汽压差。对于图中的模型示意图，体积压力差ΔP为：
空位浓度差为： 蒸汽压差为：
P
Pa
Pr
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1 x
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Cv
Cv
Vm, s
RTr
a x r
Leabharlann Baidup p Vm s
RTr 其中，γs为固相的表面能，Vm’为空位摩尔体积，Vm为固相的摩尔体积15。由于 上述体积压力差、空位浓度差和蒸汽压差的存在，促使物质扩散。
研究表明，较小的颗粒尺寸分布范围是获取高烧结密度的必要条件。
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二、影响陶瓷材料烧结的工艺参数
（1）烧成温度对产品性能的影响
烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即操作时的 止火温度。
烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸和数量。对固相扩散或液相重结晶来 说，提高烧成温度是有益的。然而过高的烧成温度对特瓷来说，会因总体晶 粒过大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，因而产品的机电性能变差。
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2020/10/9
文库专用
（2）保温时间对产品性能的影响
在烧成的最高温度保持一定的时间，一方面使物理化学变化更趋完全，使 坯体具有足够液相量和适当的晶粒尺寸，另一方面组织结构亦趋均一。但保温 时间过长，则晶粒溶解，不利于在坯中形成坚强骨架，而降低机械性能。
（3）烧成气氛对产品性能的影响
① 气氛对陶瓷坯体过烧膨胀的影响
第五章 陶瓷材料的烧结
5.1 概述
烧结（sintering）是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其具体 的定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机 械性能提高的致密化过程。
只有掌握了坯体在高温烧成过程中的变化规律，正确地选择和设计窑 炉，科学地制定和执行烧成制度，严格地执行装烧操作规程，才能提高产 品质量，降低燃料消耗，获得良好的经济效益。