材料科學(xué)基礎(chǔ)第十章答案

1、第十章答案10-1名詞解釋：燒結(jié)燒結(jié)溫度泰曼溫度液相燒結(jié)固相燒結(jié)初次再結(jié)晶晶粒長大二次再結(jié)晶（1）燒結(jié)：粉末或壓坯在低于主要組分熔點(diǎn)的溫度下的熱處理，目的在于通過顆粒間的冶金結(jié)合以提高其強(qiáng)度。（2）燒結(jié)溫度：坯體在高溫作用下，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，最后顯氣孔率接近于零，達(dá)到致密程度最大值時(shí)，工藝上稱此種狀態(tài)為"燒結(jié)"，達(dá)到燒結(jié)時(shí)相應(yīng)的溫度，稱為"燒結(jié)溫度"。（3）泰曼溫度：固體晶格開始明顯流動的溫度，一般在固體熔點(diǎn)（絕對溫度）的2/3處的溫度。在煅燒時(shí)，固體粒子在塔曼溫度之前主要是離子或分子沿晶體表面遷移，在晶格內(nèi)部空間擴(kuò)散（容積擴(kuò)散）和再結(jié)晶。而在塔

2、曼溫度以上，主要為燒結(jié)，結(jié)晶黏結(jié)長大。（4）液相燒結(jié)：燒結(jié)溫度高于被燒結(jié)體中熔點(diǎn)低的組分從而有液相出現(xiàn)的燒結(jié)。（5）固相燒結(jié)：在固態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行的燒結(jié)。（6）初次再結(jié)晶：初次再結(jié)晶是在已發(fā)生塑性變形的基質(zhì)中出現(xiàn)新生的無應(yīng)變晶粒的成核和長大過程。（7）晶粒長大：是指多晶體材料在高溫保溫過程中系統(tǒng)平均晶粒尺寸逐步上升的現(xiàn)象.（8）二次再結(jié)晶：再結(jié)晶結(jié)束后正常長大被抑制而發(fā)生的少數(shù)晶粒異常長大的現(xiàn)象。10-2燒結(jié)推動力是什么？它可憑哪些方式推動物質(zhì)的遷移，各適用于何種燒結(jié)機(jī)理?解：推動力有：（1）粉狀物料的表面能與多晶燒結(jié)體的晶界能的差值，燒結(jié)推動力與相變和化學(xué)反應(yīng)的能量相比很小，因而不能自發(fā)進(jìn)行，必

3、須加熱!（2）顆粒堆積后，有很多細(xì)小氣孔彎曲表面由于表面張力而產(chǎn)生壓力差，（3）表面能與顆粒之間形成的毛細(xì)管力。傳質(zhì)方式：（1）擴(kuò)散（表面擴(kuò)散、界面擴(kuò)散、體積擴(kuò)散）；（2）蒸發(fā)與凝聚；（3）溶解與沉淀；（4）黏滯流動和塑性流動等，一般燒結(jié)過程中各不同階段有不同的傳質(zhì)機(jī)理，即燒結(jié)過程中往往有幾種傳質(zhì)機(jī)理在起作用。10-3下列過程中，哪一個(gè)能使燒結(jié)體強(qiáng)度增大，而不產(chǎn)生坯體宏觀上的收縮?試說明理由。（1）蒸發(fā)冷凝；（2）體積擴(kuò)散；（3）粘性流動；（4）晶界擴(kuò)散；（5）表面擴(kuò)散；（6）溶解沉淀解：蒸發(fā)凝聚機(jī)理（凝聚速率頸部體積增加）燒結(jié)時(shí)頸部擴(kuò)大，氣孔形狀改變，但雙球之間中心距不變，因此坯體不發(fā)生收縮

4、，密度不變。10-4什么是燒結(jié)過程？燒結(jié)過程分為哪三個(gè)階段？各有何特點(diǎn)？解：燒結(jié)過程：粉末或壓坯在低于主要組分熔點(diǎn)的溫度下的熱處理，目的在于通過顆粒間的粘結(jié)結(jié)合以提高其強(qiáng)度。燒結(jié)過程大致可以分為三個(gè)界線不十分明顯的階段。（1）液相流動與顆粒重排階段：溫度升高，出現(xiàn)足夠量液相，固相顆粒在DP作用下重新排列，顆粒堆積更緊密；（2）固相溶解與再析出：接觸點(diǎn)處高的局部應(yīng)力®塑性變形和蠕變®顆粒進(jìn)一步重排；（3）固相的的燒結(jié)：小顆粒接觸點(diǎn)處被溶解較大顆?；蜃杂杀砻娉练e晶粒長大形狀變化不斷重排而致密化。10-5燒結(jié)的模型有哪幾種？各適用于哪些典型傳質(zhì)過程？解：粉體壓塊：蒸發(fā)凝聚雙球模型

5、：有液相參與的粘性蠕變擴(kuò)散Kingery和LSW：溶解-沉淀10-6某氧化物粉末的表面能是1000erg/cm2，燒結(jié)后晶界能是550erg/cm2，若用粒徑為1m的粉料（假定為方體）壓成1cm3的壓塊進(jìn)行燒結(jié)，試計(jì)算燒結(jié)時(shí)的推動力。解：2x（1000/1x10-4-550/1x10-2）=1.99x107erg/cm310-7有粉粒粒度為5m，若經(jīng)2h燒結(jié)后，x/r0.1。如果不考慮晶粒生長，若燒結(jié)至x/r0.2。并分別通過蒸發(fā)凝聚、體積擴(kuò)散、粘性流動、溶解沉淀傳質(zhì)，各需多少時(shí)間？若燒結(jié)8h，各個(gè)傳質(zhì)過程的頸部增長x/r又是多少？解：根據(jù)查得各傳質(zhì)方式公式可得：時(shí)間分別為16h，64h，8h

6、，128h，若只燒結(jié)8h，則X/R分別為0.1×41/3，0.1×41/5，0.2，0.1×41/6。10-8如上題粉料粒度改為16m，燒結(jié)至x/r0.2，各個(gè)傳質(zhì)需多少時(shí)間？若燒結(jié)時(shí)間為8h，各個(gè)過程的x/r又是多少？從兩題計(jì)算結(jié)果，討論粒度與燒結(jié)時(shí)間對四種傳質(zhì)過程的影響程度？解：蒸發(fā)凝聚：顆粒粒度愈小燒結(jié)速率愈大。初期x/r增大很快，但時(shí)間延長，很快停止；體積擴(kuò)散：燒結(jié)時(shí)間延長，推動力減小。在擴(kuò)散傳質(zhì)燒結(jié)過程中，控制起始粒度很重要；粘性流動：粒度小為達(dá)到致密燒結(jié)所需時(shí)間短，燒結(jié)時(shí)間延長，流變性增強(qiáng)；溶解沉淀：粒度小，傳質(zhì)推動力大。燒結(jié)時(shí)間延長，晶粒致密程度增加

7、。10-9試就（1）推動力來源；（2）推動力大??；（3）在陶瓷系統(tǒng)的重要性來區(qū)別初次再結(jié)晶、晶粒長大和二次再結(jié)晶。解：晶粒生長材料熱處理時(shí)，平均晶粒連續(xù)增大的過程。推動力：基質(zhì)塑性變形所增加的能量提供了使晶界移動和晶粒長大的足夠能量。晶粒生長取決于晶界移動的速率。二次再結(jié)晶（晶粒異常生長或晶粒不連續(xù)生長）少數(shù)巨大晶體在細(xì)晶消耗時(shí)成核-長大過程。推動力：大、小晶粒表面能的不同。二次再結(jié)晶晶粒長大不均勻生長均勻生長不符合Dl=d/f符合Dl=d/f氣孔被晶粒包裹氣孔排除界面上有應(yīng)力界面無應(yīng)力10-10有人試圖用延長燒結(jié)時(shí)間來提高產(chǎn)品致密度，你以為此法是否可行，為什么？解：不可行。蒸發(fā)凝聚機(jī)理（凝聚

8、速率頸部體積增加）此類傳質(zhì)不能靠延長時(shí)間達(dá)到燒結(jié)。高溫短時(shí)間燒結(jié)是制造致密陶瓷材料的好方法。10-11假如直徑為5m的氣孔封閉在表而張力為280dayn/cm2的玻璃內(nèi)，氣孔內(nèi)氮?dú)鈮毫κ?.8atm，當(dāng)氣體壓力與表面張力產(chǎn)生的負(fù)壓平衡時(shí)，氣孔尺寸是多少?解：2x280x0.001/r=0.8x101325r=6.9m10-12在1500，MgO正常的晶粒長大期間，觀察到晶體在1h內(nèi)從直徑從1m長大到10m，在此條件下，要得到直徑20m的晶粒，需燒結(jié)多長時(shí)間？如已知晶界擴(kuò)散活化能為60kcal/mol，試計(jì)算在1600下4h后晶粒的大小，為抑制晶粒長大，加入少量雜質(zhì)，在1600下保溫4h，晶粒大

9、小又是多少?解：燒結(jié)數(shù)率常數(shù)和溫度關(guān)系服從阿累尼烏斯方程：即（1）其中：為常數(shù)，Q為晶界擴(kuò)散活化能，在正常的晶粒長大期間，晶粒直徑與時(shí)間關(guān)系為：（2）其中為時(shí)晶粒的平均尺寸。在加入少量雜質(zhì)時(shí)，晶粒直徑與時(shí)間關(guān)系為：（3）在1500時(shí)，MgO正常生長時(shí)，由（2）有99再由（1）有5789.5則在1500正常生長條件下，達(dá)到所需時(shí)間為：在1600時(shí)122.83由（2）22.2加入雜質(zhì)后由（3）有7.910-13假定NiCr2O4的表面能為600erg/cm2，由半徑0.5m的NiO和Cr2O3粉末合成尖晶石。在1200和1400時(shí)Ni2和Cr3離子的擴(kuò)散系數(shù)分別為：Ni2在NiO中D14731&#

10、215;1011；D16733×1010cm2/s；Cr3在Cr2O3中D14737×1011cm2/s，D1673109cm2/s；求在1200和1400燒結(jié)時(shí)，開始1h的線收縮率是多少？（假定擴(kuò)散粒子的半徑為0.059nm）解：線收縮率：1200,對NiO和Cr2O3粉末,其則可求出K1473,同理,可求出K1673,代入上式,即可求出式中g(shù)=600erg/cm2,ó=0.59ÅT=1473K,1673K,r=0.5µm10-14在制造透明Al2O3材料時(shí)，原始粉料粒度為2m，燒結(jié)至最高溫度保溫0.5h，測得晶粒尺寸10m，試問若保溫時(shí)間為

11、2h，晶粒尺寸多大？為抑制晶粒生長加入0.1MgO，此時(shí)若保溫時(shí)間為2h，晶粒又有尺寸多大？解：由在此條件下保溫,設(shè)直徑為則有：即求加入少量的MgO時(shí)：由10-15 在1500Al2O3正常晶粒生長期間，觀察到晶體在1h內(nèi)從0.5m直徑長大到10m。如已知晶界擴(kuò)散活化能為335kJ/mol，試預(yù)測在1700下保溫時(shí)間為4h后，晶粒尺寸是多少？你估計(jì)加入0.5MgO雜質(zhì)對Al2O3晶粒生長速度會有什么影響？在與上面相同條件下燒結(jié)，會有什么結(jié)果，為什么？解：由由在1700時(shí)，由，有加入0.5MgO時(shí)，會抑制Al2O3晶粒生長，抑制現(xiàn)象會更加明顯，原因是由于晶界移動時(shí)遇到的雜質(zhì)（MgO）更多，限制了

12、晶粒的生長。10-16材料的許多性能如強(qiáng)度、光學(xué)性能等要求其晶粒尺寸微小且分布均勻，工藝上應(yīng)如何控制燒結(jié)過程以達(dá)到此目的?解：（1）晶粒的大小取決于起始晶粒的大小,燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間。（2）防止二次再結(jié)晶引起的晶粒異常長大。10-17晶界移動通遇到夾雜物時(shí)會出現(xiàn)哪幾種情況？從實(shí)現(xiàn)致密化目的考慮，晶界應(yīng)如何移動？怎樣控制？解：晶粒正常長大時(shí)，如果晶界受到第二相雜質(zhì)的阻礙，其移動可能出現(xiàn)三種情況。（1）晶界能量較小，晶界移動被雜質(zhì)或氣孔所阻擋，晶粒正常長大停止。（2）晶界具有一定的能量，晶界帶動雜質(zhì)或氣孔繼續(xù)移動，這時(shí)氣孔利用晶界的快速通道排除，坯體不斷致密。（3）晶界能量大，晶界越過雜質(zhì)或氣孔，

13、把氣孔包裹在晶粒內(nèi)部。由于氣孔脫離晶界，再不能利用晶界這樣的快速通道排除，使燒結(jié)停止，致密度不再增加，這將出現(xiàn)二次再結(jié)晶現(xiàn)象。從實(shí)現(xiàn)致密化目的考慮，晶界應(yīng)按第二種情況移動，控制晶界的能量以增加致密度。10-18在燒結(jié)時(shí)，晶粒生長能促進(jìn)坯體致密化嗎？晶粒生長會影響燒結(jié)速率嗎？試說明之。解：在燒結(jié)時(shí)，晶粒生長能促進(jìn)坯體的致密化。在燒結(jié)中、后期，細(xì)小晶粒逐漸長大，而晶粒的長大過程是另一部分晶粒的縮小或消失過程，其結(jié)果是平均晶粒尺寸增大。晶粒長大不是晶粒的相互粘接，而是晶界移動的結(jié)果。推動晶粒長大的是晶界的自由能，隨著晶粒的長大，使界面面積減小，從而促進(jìn)坯體致密化。10-19試分析二次再結(jié)晶過程對材料

14、性能有何種效應(yīng)?解：二次再結(jié)晶發(fā)生后,由于個(gè)別晶粒異常長大,氣孔進(jìn)入晶粒內(nèi)部,成為孤立閉氣孔,不易排除,使燒結(jié)速率降低甚至停止,肧體不再致密；加之大晶粒的晶界上有應(yīng)力存在,使其內(nèi)部易出現(xiàn)隱裂紋,繼續(xù)燒結(jié)時(shí)肧體易膨脹而開裂,使燒結(jié)體的機(jī)械,電學(xué)性能下降。10-20特種燒結(jié)和常規(guī)燒結(jié)有什么區(qū)別？試舉例說明。解：常規(guī)燒結(jié)過程主要是基于顆粒間的接觸與鍵合,以及在表面張力推動下物質(zhì)的傳遞過程。其總體的推動力由系統(tǒng)表面能提供。這就決定了其致密化是有一定限度的。常規(guī)條件下坯體密度很難達(dá)到理論密度值。對于特種燒結(jié),它是為了適應(yīng)特種材料對性能的要求而產(chǎn)生的。這些燒結(jié)過程除了常規(guī)燒結(jié)中由系統(tǒng)表面能提供的驅(qū)動力之外

15、,還由特殊工藝條件增加了系統(tǒng)燒結(jié)的驅(qū)動力,因此提高了坯體的燒結(jié)速率,大大增加了坯體的致密化程度。例如熱壓燒結(jié),它是加壓成型與加壓燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行的一種燒結(jié)工藝。由于同時(shí)加溫加壓,有利于粉末顆粒的接觸、擴(kuò)散和流動等傳質(zhì)過程,降低了燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間,抑制了晶粒的長大。其容易獲得接近理論密度、氣孔率接近零的燒結(jié)體。10-21（1）燒結(jié)MgO時(shí)加入少量FeO，在氫氣氛和氧分壓低時(shí)都不能促進(jìn)燒結(jié)，只有在氧分壓高的氣氛下才促進(jìn)燒結(jié)；（2）燒結(jié)Al2O3時(shí)，氫氣易促進(jìn)致密化而氮?dú)夥恋K致密化。試分析其原因。解：（1）對FeO,易形成負(fù)離子過剩型非化學(xué)計(jì)量化合物,其缺陷反應(yīng)式為：另外,在MgO的燒結(jié)中是正離子起擴(kuò)

16、散起控制作用的燒結(jié)過程,因而氧氣氛和氧分壓較高是有利的。（2）燒結(jié)氧化鋁Al2O3時(shí),由于氫原子半徑很小,擴(kuò)散系數(shù)較大,易于擴(kuò)散而有利于閉氣孔的清除；而原子半徑大的氮則由于其擴(kuò)散系數(shù)較小難于擴(kuò)散而阻礙燒結(jié)。10-22磁性氧化物材料被認(rèn)為是遵循正常晶粒長大方程。當(dāng)顆粒尺寸增大超出1m的平均尺寸時(shí)，則磁性和強(qiáng)度等性質(zhì)就變壞，未燒結(jié)前的原始顆粒大小為0.1m。燒結(jié)30min使晶粒尺寸長大為原來的3倍。因大坯件翹曲，生產(chǎn)車間主任打算增加燒結(jié)時(shí)間。你想推薦的最長時(shí)間是多少?解：由D0=0.1µm和t=30min,D=3D0=0.3µm可得：D2-D02=ktK=0.08/30

17、1;m2/minD=1µm,12-（0.1）2=kt=0.08/30tt=371.25min10-23分析添加物是如何影響燒結(jié)的。解：（1）外加劑與燒結(jié)主體形成固溶體兩者離子產(chǎn)生的晶格畸變程度越大，越有利于燒結(jié)。例：Al2O3中加入3Cr2O3可在1860燒結(jié)；當(dāng)加入12TiO2只需在約1600就能致密化。（2）外加劑與燒結(jié)主體形成液相在液相中擴(kuò)散傳質(zhì)阻力小，流動傳質(zhì)速度快，降低了燒結(jié)溫度和提高了坯體的致密度。例：制95Al2O3材料，加入CaO、SiO2，當(dāng)CaO:SiO2=1時(shí)，產(chǎn)生液相在1540即可燒結(jié)。（3）外加劑與燒結(jié)主體形成化合物抑制晶界移動。例：燒結(jié)透明Al2O3時(shí)，加

18、入MgO或MgF2,形成MgAl2O4（4）外加劑阻止多晶轉(zhuǎn)變例：ZrO2中加入5CaO。（5）外加劑（適量）起擴(kuò)大燒結(jié)范圍的作用例：在鋯鈦酸鉛材料中加入適量La2O3和Nb2O5，可使燒結(jié)范圍由2040增加到80。10-24為了減少燒結(jié)收縮，可把直徑1m的細(xì)顆粒（約30）和直徑50m的粗顆粒進(jìn)行充分混合，試問此壓塊的收縮速率如何？如將1m和50m以及兩種粒徑混合料制成的燒結(jié)體log（L/L）的logt和的曲線分別繪入適當(dāng)位置，將得出什么結(jié)果？解：燒結(jié)收縮有：（1）（2）比較式（1）和式（2）是可見，在初期的重排階段，相對收縮近似地和時(shí)間的次方成比例，說明致密化速度減慢了，若將式（1）和式（2）以對作圖，則曲線斜率分別接近于和1。各曲線可明顯的分為三段，初期斜率接近于1,中期粗略的接近于，至于后期，曲線十分的平坦，說明在后期致密化速度減慢了。10-25影響燒結(jié)的因素有哪些？最易控制的因素是哪幾個(gè)？解：（1）粉末的粒度。細(xì)顆粒增加了燒結(jié)推動力，縮短原子擴(kuò)散距離，提高顆粒在液相中的溶解度，從而導(dǎo)致燒結(jié)過程的加速。（2）外加劑的作用。在固相燒結(jié)中，有少量外加劑可與主晶相形成固溶體，促進(jìn)缺陷增加，在液相燒結(jié)中，外加劑改變液相的性質(zhì)（如粘度，組成等），促進(jìn)燒結(jié)。（3）燒結(jié)溫度：晶體中晶格能越大，離子結(jié)合也越牢固，離子擴(kuò)散也越困難，燒結(jié)溫度越高。保溫時(shí)間：高溫段以體積擴(kuò)散為主，以短時(shí)間為