燒結(jié)習(xí)題及解答

1、第八章燒結(jié)過(guò)程8-1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(zhǎng)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(guò)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(kāi)始明顯流動(dòng)的溫度，一般在固體熔點(diǎn)(絕對(duì)溫度)的 2/3處的溫度。在斌燒 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。而在塔曼溫度以上，

2、主要為燒結(jié)，結(jié)晶黏結(jié)長(zhǎng)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(wú)應(yīng)變晶粒的成核和長(zhǎng)大過(guò)程。(7) 晶粒長(zhǎng)大：是指多晶體材料在高溫保溫過(guò)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(zhǎng)大被抑制而發(fā)生的少數(shù)晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象。8-2燒結(jié)推動(dòng)力是什么？它可憑哪些方式推動(dòng)物質(zhì)的遷移，各適用于何種燒結(jié)機(jī)理?解：推動(dòng)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(dòng)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，必須加熱

3、!(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(dòng)和塑性流動(dòng)等，一般燒結(jié)過(guò)程中各不同階段有不同的傳質(zhì)機(jī)理，即燒結(jié)過(guò)程中往往有幾種傳質(zhì)機(jī) 理在起作用。?試說(shuō)明理由。8-3下列過(guò)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（1）蒸發(fā)一冷凝；（2）體積擴(kuò)散；（3）粘性流動(dòng)；（4）晶界擴(kuò)散；（5）表面擴(kuò)散；（6）溶解一沉淀解：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

4、發(fā)生收縮，密度不變。8-4什么是燒結(jié)過(guò)程？燒結(jié)過(guò)程分為哪三個(gè)階段？各有何特點(diǎn)？解：燒結(jié)過(guò)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(guò)顆粒間的粘結(jié)結(jié)合以 提高其強(qiáng)度。燒結(jié)過(guò)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(dòng)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(zhǎng)大形狀變化不斷重排而致密化。8-5燒結(jié)的模型有哪幾種？各適用于哪些典型傳質(zhì)過(guò)程？解：粉體壓塊：蒸發(fā)一凝聚雙球模型：有液相

5、參與的粘性蠕變擴(kuò)散Kingery和LSW :溶解-沉淀8-6某氧化物粉末的表面能是 1000erg/cm 2,燒結(jié)后晶界能是550erg/cm 2,若用粒徑為1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(dòng)力。解：2x （1000/1x8- 4-550/1x8- 2） =1.99x10 7 erg/cm 38-7有粉粒粒度為5卬、若經(jīng)2h燒結(jié)后，x/r = 0.1。如果不考慮晶粒生長(zhǎng)，若燒結(jié)至x/r = 0.2。并分別通過(guò)蒸發(fā)-凝聚、體積擴(kuò)散、粘性流動(dòng)、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(guò)程的頸部增長(zhǎng)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

6、為16h , 64h , 8h , 128h，若只燒結(jié)8h ,則X/R分別為0.1 M1/3, 0.1 倒 1/5, 0.2 , 0.1 倒1/6。8-8如上題粉料粒度改為16，燒結(jié)至x/r= 0.2,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(guò)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(duì)四種傳質(zhì)過(guò)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(zhǎng)，很快停止；體積擴(kuò)散：燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，推動(dòng)力減小。在擴(kuò)散傳質(zhì)燒結(jié)過(guò)程中，控制起始粒度很重要；粘性流動(dòng)：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(zhǎng)，流變性增強(qiáng)；溶解-沉淀：粒度小，傳質(zhì)推動(dòng)力大。燒結(jié)時(shí)

7、間延長(zhǎng)，晶粒致密程度增加。8-9試就（1）推動(dòng)力來(lái)源；（2）推動(dòng)力大?。唬?）在陶瓷系統(tǒng)的重要性來(lái)區(qū)別初次再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng) 大和二次再結(jié)晶。解：晶粒生長(zhǎng)一一材料熱處理時(shí)，平均晶粒連續(xù)增大的過(guò)程。推動(dòng)力：基質(zhì)塑性變形所增加的能量提供了使晶界移動(dòng)和晶粒長(zhǎng)大的足夠能量。晶粒生長(zhǎng)取決于晶界移動(dòng) 的速率。二次再結(jié)晶一一（晶粒異常生長(zhǎng)或晶粒不連續(xù)生長(zhǎng)）少數(shù)巨大晶體在細(xì)晶消耗時(shí)成核-長(zhǎng)大過(guò)程。推動(dòng)力：大、小晶粒表面能的不同。二次再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大不均勻生長(zhǎng)均勻生長(zhǎng)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(wú)應(yīng)力8-10有人試圖用延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間來(lái)提高產(chǎn)品致密度，你以為此法是否可行，為什么

8、?解：不可行。蒸發(fā)-凝聚機(jī)理（凝聚速率=頸部體積增加）此類傳質(zhì)不能靠延長(zhǎng)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。8-11假如直徑為5gm的氣孔封閉在表而張力為 280dayn/cm 2的玻璃內(nèi)，氣孔內(nèi)氮?dú)鈮毫κ?0.8atm，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 = 6.9 頃8-12在1500 C, MgO正常的晶粒長(zhǎng)大期間，觀察到晶體在 1h內(nèi)從直徑從1卬m長(zhǎng)大到10頃，在此條件下，要得到直徑20卬仇的晶粒，需燒結(jié)多長(zhǎng)時(shí)間？如已知晶界擴(kuò)散活化能為60kcal/mol ,試計(jì)算在1600 C下4h后晶粒的

9、大小，為抑制晶粒長(zhǎng)大，加入少量雜質(zhì)，在1600 C下保溫4h ,晶粒大小又是多少？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:K'F*食(1)其中：從0為常數(shù)，Q為晶界擴(kuò)散活化能，在正常的晶粒長(zhǎng)大期間，晶粒直徑與時(shí)間關(guān)系為:（2） 其中日0為=0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)D3-Dl = K't在1500 C時(shí)，MgO正常生長(zhǎng)時(shí)，由（2）有 & -99再由(1 )有 外0 = 5789.5則在1500 C正常生長(zhǎng)條件下，達(dá)到 20 所需時(shí)間為： i=4.03/1在 1600 C 時(shí)既 =122.83由（2）斗 =22.2網(wǎng)加入雜質(zhì)后

10、由（3）有W =79囚溶8-13假定NiCr2O4的表面能為600erg/cm 2，由半徑0.5 的NiO和Cr2O3粉末合成尖晶石。在1200 C 和 1400 C時(shí) Ni2+ 和 Cr3 + 離子的擴(kuò)散系數(shù)分別為： Ni2+ 在 NiO 中 D1473 = 1X10一11 ； D1673 = 3X10 10cm2/s； Cr3 + 在 Cr2°3 中 D1473 = 7X10 11 cm2/s , D1673 = 10 9cm2/s ;求在 1200 C和 1400 C燒結(jié)時(shí)，開(kāi)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 

11、6;C,對(duì) NiO 和 Cr2O3 粉末，其Cr2O3則可求出K1473，同理，可求出K1673,代入上式，即可求出L1式中 g=600erg/cm 2,序0.59?T=1473K,1673K,r=0.5 叩8-14在制造透明Al2O3材料時(shí)，原始粉料粒度為2gm，燒結(jié)至最高溫度保溫 0.5h，測(cè)得晶粒尺寸10gm , 試I可若保溫時(shí)間為2h ,晶粒尺寸多大？為抑制晶粒生長(zhǎng)加入 0.1 % MgO ,此時(shí)若保溫時(shí)間為 2h ,晶粒又有 尺寸多大？解：由 '.|'1_在此條件下保溫2力，設(shè)直徑為D則有：D -19.7夕洗即求加入少量的MgO時(shí):由 "一 二8-15在15

12、00 °CAI2O3正常晶粒生長(zhǎng)期間，觀察到晶體在1h內(nèi)從0.5卬仇直徑長(zhǎng)大到10卬仇。如已知晶界 擴(kuò)散活化能為335kJ/mol ,試預(yù)測(cè)在1700 C下保溫時(shí)間為4h后，晶粒尺寸是多少？你估計(jì)加入 0.5 % MgO 雜質(zhì)對(duì)Al2O3晶粒生長(zhǎng)速度會(huì)有什么影響？在與上面相同條件下燒結(jié)，會(huì)有什么結(jié)果，為什么？解：由'.：'.：匚-三5在 1700 c時(shí)，"5岫-而)K'=999.7由 D'-說(shuō)二 ,有 D二 63,2伽加入0.5 % MgO時(shí)，會(huì)抑制Al2O3晶粒生長(zhǎng)，抑制現(xiàn)象會(huì)更加明顯，原因是由于晶界移動(dòng)時(shí)遇到的雜質(zhì) (MgO) 更多，限制

13、了晶粒的生長(zhǎng)。8-16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(guò)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(zhǎng)大。8-17晶界移動(dòng)通遇到夾雜物時(shí)會(huì)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(dòng)？怎樣控 制？解：晶粒正常長(zhǎng)大時(shí)，如果晶界受到第二相雜質(zhì)的阻礙，其移動(dòng)可能出現(xiàn)三種情況。(1) 晶界能量較小，晶界移動(dòng)被雜質(zhì)或氣孔所阻擋，晶粒正常長(zhǎng)大停止。(2) 晶界具有一定的能量，晶界帶動(dòng)雜質(zhì)或氣孔繼續(xù)移動(dòng)，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

14、過(guò)雜質(zhì)或氣孔，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(dòng)，控制晶界的能量以增加致密度。8-18在燒結(jié)時(shí)，晶粒生長(zhǎng)能促進(jìn)坯體致密化嗎？晶粒生長(zhǎng)會(huì)影響燒結(jié)速率嗎？試說(shuō)明之。解：在燒結(jié)時(shí)，晶粒生長(zhǎng)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(zhǎng)大，而晶粒的長(zhǎng)大過(guò) 程是另一部分晶粒的縮小或消失過(guò)程，其結(jié)果是平均晶粒尺寸增大。晶粒長(zhǎng)大不是晶粒的相互粘接，而是 晶界移動(dòng)的結(jié)果。推動(dòng)晶粒長(zhǎng)大的是晶界的自由能，隨著晶粒的長(zhǎng)大，使界面面積減小，從而促進(jìn)坯體致 密化。8-19試分析二

15、次再結(jié)晶過(guò)程對(duì)材料性能有何種效應(yīng)？解：二次再結(jié)晶發(fā)生后，由于個(gè)別晶粒異常長(zhǎng)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，胚體不再致密；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)胚體易膨脹而開(kāi)裂，使燒結(jié)體的機(jī)械，電學(xué)性能下降。8-20特種燒結(jié)和常規(guī)燒結(jié)有什么區(qū)別？試舉例說(shuō)明。解：常規(guī)燒結(jié)過(guò)程主要是基于顆粒間的接觸與鍵合，以及在表面張力推動(dòng)下物質(zhì)的傳遞過(guò)程。其總體的推動(dòng)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(duì)于特種燒結(jié)，它是為了適應(yīng)特種材料對(duì)性能的要求而產(chǎn)生的。這些燒結(jié)過(guò)程除了常規(guī)燒結(jié)中由系統(tǒng)表面

16、能提供的驅(qū)動(dòng)力之外，還由特殊工藝條件增加了系統(tǒng)燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)等傳質(zhì)過(guò)程，降低了燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間，抑制了晶粒的長(zhǎng)大。其容易獲 得接近理論密度、氣孔率接近零的燒結(jié)體。8-21(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)AI2O3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(duì)FeO,易形成負(fù)離子過(guò)剩型非化學(xué)計(jì)量化合物，其缺陷反應(yīng)式為： 1 «

17、 IF或；<=> 0。+ 吃 +2城另外，在MgO的燒結(jié)中是正離子起擴(kuò)散起控制作用的燒結(jié)過(guò)程，因而氧氣氛和氧分壓較高是有利的(2)燒結(jié)氧化鋁A12O3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?jiǎng)t由于其擴(kuò)散系數(shù)較小難于擴(kuò)散而阻礙燒結(jié)。8-22磁性氧化物材料被認(rèn)為是遵循正常晶粒長(zhǎng)大方程。當(dāng)顆粒尺寸增大超出lm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0.1 Mm。燒結(jié)30min使晶粒尺寸長(zhǎng)大為原來(lái)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(zhǎng)時(shí)間是多少？解：由 Do=O.1 m 和 t=30min,D

18、=3D 0=0.3 叫可得：D2-Do2=ktK=0.08/30 如2/minD=1g m,1 2- (0.1 ) 2=kt=0.08/30tt=371.25min8-23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：A12O3中加入3 % Cr2O3可在1860 C燒結(jié)；當(dāng)加入12% TiO2只需在約1600 C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(dòng)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 95%AI2O3材料，加入 CaO、Si°2,當(dāng)CaO:SiO 2=1時(shí)，產(chǎn)生

19、液相在 1540 C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(dòng)。例：燒結(jié)透明AI2O3時(shí)，加入MgO或MgF2,形成MgAl 2O4(4) 外加劑阻止多晶轉(zhuǎn)變例：ZrO2中加入5%CaO（5）外加劑（適量）起擴(kuò)大燒結(jié)范圍的作用例：在皓鈦酸鉛材料中加入適量La2O3和Nb2O5,可使燒結(jié)范圍由2040 C增加到80 C8-24為了減少燒結(jié)收縮，可把直徑1卬仇的細(xì)顆粒（約30%）和直徑50 gm的粗顆粒進(jìn)行充分混合，試問(wèn)此壓塊的收縮速率如何？如將lm和50卬仇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？瓦- 1少 LL t解：燒結(jié)收縮有： 4） 3 峋 （1）竺業(yè)竺些2必有崩 婦 r '幻RT(2)13次方成比例，說(shuō)明致密比較式（1）和式（2）是可見(jiàn)，在初期的重排階段