燒結(jié)習(xí)題及解答

1、第八章燒結(jié)過程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。8-2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。?試說明理由。8-3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（1）蒸發(fā)一冷凝；（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)處被溶解較大顆粒或自由表面沉積晶粒長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，若燒結(jié)至x/r = 0.2。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

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)

7、間延長，晶粒致密程度增加。8-9試就（1）推動力來源；（2）推動力大?。唬?）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：晶粒生長一一材料熱處理時(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)晶一一（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8-10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

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正常的晶粒長大期間，觀察到晶體在 1h內(nèi)從直徑從1卬m長大到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正常生長時(shí)，由（2）有 & -99再由(1 )有 外0 = 5789.5則在1500 C正常生長條件下，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 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正常晶粒生長期間，觀察到晶體在1h內(nèi)從0.5卬仇直徑長大到10卬仇。如已知晶界 擴(kuò)散活化能為335kJ/mol ,試預(yù)測在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'.：'.：匚-三5在 1700 c時(shí)，"5岫-而)K'=999.7由 D'-說二 ,有 D二 63,2伽加入0.5 % MgO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

13、了晶粒的生長。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。8-17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

14、過雜質(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，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。8-19試分析二

15、次再結(jié)晶過程對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

16、能提供的驅(qū)動力之外，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。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： 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 子半徑大的氮則由于其擴(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 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。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，說明致密比較式（1）和式（2）是可見，在初期的重排階段