熱壓燒結(jié)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)第一頁(yè)，共41頁(yè)。2熱壓燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)：許多陶瓷粉體熱壓燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)：許多陶瓷粉體(或素坯或素坯)在燒結(jié)過(guò)程中，由于燒結(jié)溫度的在燒結(jié)過(guò)程中，由于燒結(jié)溫度的提高和燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)提高和燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)(ynchng)，而導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大。與陶瓷無(wú)壓燒結(jié)，而導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大。與陶瓷無(wú)壓燒結(jié)相比，熱壓燒結(jié)能降低燒結(jié)和縮短燒結(jié)時(shí)間，可獲得細(xì)晶粒的陶瓷材相比，熱壓燒結(jié)能降低燒結(jié)和縮短燒結(jié)時(shí)間，可獲得細(xì)晶粒的陶瓷材料。料。例如：熱壓氮化硅材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別可達(dá)例如：熱壓氮化硅材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別可達(dá)1100MPa和和9MPam1/2；熱壓氧化鋁增韌陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性

2、分別為；熱壓氧化鋁增韌陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為 1500MPa和和15MPam1/2。7.1 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的發(fā)展的發(fā)展第1頁(yè)/共41頁(yè)第二頁(yè)，共41頁(yè)。37.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理一、熱壓燒結(jié)一、熱壓燒結(jié)(shoji)的概念的概念燒結(jié)：是陶瓷生坯在高溫下的致密化過(guò)程和現(xiàn)象的總稱。隨著溫度燒結(jié)：是陶瓷生坯在高溫下的致密化過(guò)程和現(xiàn)象的總稱。隨著溫度的上升和時(shí)間的延長(zhǎng)，固體顆粒相互鍵聯(lián)，晶粒長(zhǎng)大，空隙的上升和時(shí)間的延長(zhǎng)，固體顆粒相互鍵聯(lián)，晶粒長(zhǎng)大，空隙(氣孔氣孔)和晶界漸趨減少，通過(guò)物質(zhì)的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最和晶界漸趨減少，通過(guò)物質(zhì)的傳遞，

3、其總體積收縮，密度增加，最后成為堅(jiān)硬的只有某種顯微結(jié)構(gòu)的多晶燒結(jié)體。燒結(jié)是減少成型體后成為堅(jiān)硬的只有某種顯微結(jié)構(gòu)的多晶燒結(jié)體。燒結(jié)是減少成型體中氣孔，增強(qiáng)中氣孔，增強(qiáng)(zngqing)顆粒之間結(jié)合，提高機(jī)械強(qiáng)度的工藝過(guò)程顆粒之間結(jié)合，提高機(jī)械強(qiáng)度的工藝過(guò)程。燒結(jié)過(guò)程分類：不加壓燒結(jié)和加壓燒結(jié)。燒結(jié)過(guò)程分類：不加壓燒結(jié)和加壓燒結(jié)。第2頁(yè)/共41頁(yè)第三頁(yè)，共41頁(yè)。47.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理一、熱壓燒結(jié)一、熱壓燒結(jié)(shoji)的的概念概念固相燒結(jié)：是指松散的粉末或經(jīng)壓制具有一定形狀的粉末壓固相燒結(jié)：是指松散的粉末或經(jīng)壓制具有一定形狀的粉末壓坯被置于不超過(guò)其熔點(diǎn)的設(shè)定溫度

4、中，在一定的氣氛保護(hù)坯被置于不超過(guò)其熔點(diǎn)的設(shè)定溫度中，在一定的氣氛保護(hù)(boh)下保溫一段時(shí)間的操作過(guò)程。所設(shè)定的溫度為燒結(jié)溫下保溫一段時(shí)間的操作過(guò)程。所設(shè)定的溫度為燒結(jié)溫度，所用的氣氛稱為燒結(jié)氣氛，所用的保溫時(shí)間稱為燒結(jié)時(shí)度，所用的氣氛稱為燒結(jié)氣氛，所用的保溫時(shí)間稱為燒結(jié)時(shí)間。間。加壓燒結(jié)：對(duì)松散粉末或粉末壓坯同時(shí)施以高溫和外壓。加壓燒結(jié)：對(duì)松散粉末或粉末壓坯同時(shí)施以高溫和外壓。熱壓燒結(jié)：是指在對(duì)置于限定形狀的石墨模具中的松散粉末熱壓燒結(jié)：是指在對(duì)置于限定形狀的石墨模具中的松散粉末或?qū)Ψ勰号骷訜岬耐瑫r(shí)對(duì)其施加單軸壓力的燒結(jié)過(guò)程?；?qū)Ψ勰号骷訜岬耐瑫r(shí)對(duì)其施加單軸壓力的燒結(jié)過(guò)程。第3頁(yè)/共4

5、1頁(yè)第四頁(yè)，共41頁(yè)。57.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理一、熱壓燒結(jié)一、熱壓燒結(jié)(shoji)的概念的概念熱壓法優(yōu)點(diǎn)：熱壓法優(yōu)點(diǎn)： 熱壓時(shí)由于粉料處于熱塑性狀態(tài)，形變阻力小，易于塑性流動(dòng)熱壓時(shí)由于粉料處于熱塑性狀態(tài)，形變阻力小，易于塑性流動(dòng)和致密化。和致密化。 由于同時(shí)加溫、加壓，有助于粉末顆粒的接觸和擴(kuò)散、流動(dòng)等由于同時(shí)加溫、加壓，有助于粉末顆粒的接觸和擴(kuò)散、流動(dòng)等傳質(zhì)過(guò)程，降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時(shí)間，因而抑制了晶粒的長(zhǎng)傳質(zhì)過(guò)程，降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時(shí)間，因而抑制了晶粒的長(zhǎng)大。大。 熱壓法容易獲得接近理論密度、氣孔率接近于零的燒結(jié)體，容熱壓法容易獲得接近理論密度、氣孔率接

6、近于零的燒結(jié)體，容易得到細(xì)晶粒的組織，容易實(shí)現(xiàn)晶體的取向效應(yīng)和控制臺(tái)有高蒸易得到細(xì)晶粒的組織，容易實(shí)現(xiàn)晶體的取向效應(yīng)和控制臺(tái)有高蒸氣壓成分納系統(tǒng)的組成變化氣壓成分納系統(tǒng)的組成變化(binhu)，因而容易得到具有良好，因而容易得到具有良好機(jī)械性能、電學(xué)性能的產(chǎn)品。機(jī)械性能、電學(xué)性能的產(chǎn)品。 能生產(chǎn)形狀較復(fù)雜、尺寸較精確的產(chǎn)品。能生產(chǎn)形狀較復(fù)雜、尺寸較精確的產(chǎn)品。熱壓法的缺熱壓法的缺點(diǎn)是點(diǎn)是生產(chǎn)率生產(chǎn)率低、成本高低、成本高第4頁(yè)/共41頁(yè)第五頁(yè)，共41頁(yè)。67.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理二、熱壓燒結(jié)二、熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理1、固體粉末、固體粉末(fnm)燒結(jié)的過(guò)程

7、和特點(diǎn)燒結(jié)的過(guò)程和特點(diǎn)n 坯體燒結(jié)宏觀變化：體積收縮，致密度提高，強(qiáng)度增加。n 燒結(jié)程度表征：坯體收縮率、氣孔率或體積密度與理論密度之比。n 熱力學(xué)表現(xiàn)：燒結(jié)是系統(tǒng)總能量減少的過(guò)程。n 燒結(jié)過(guò)程變化：伴隨著氣孔率的降低，顆粒總表面積減少，表面自由能減少及與其相聯(lián)系的晶粒長(zhǎng)大等。第5頁(yè)/共41頁(yè)第六頁(yè)，共41頁(yè)。77.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理二、熱壓燒結(jié)二、熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理1、固體、固體(gt)粉末燒結(jié)的過(guò)程和特點(diǎn)粉末燒結(jié)的過(guò)程和特點(diǎn)燒結(jié)階段燒結(jié)階段： 燒結(jié)前成型體中顆粒間接觸有的彼此以點(diǎn)接觸，有的則相互分開(kāi)，保留著較多的空隙。隨著燒結(jié)溫度的提高和時(shí)間的延

8、長(zhǎng)，開(kāi)始產(chǎn)生顆粒間的鍵合鍵合和重排重排過(guò)程，這時(shí)粒子因重排而相互靠攏，大空隙逐漸消失，氣孔的總體積迅速減少，但顆粒間仍以點(diǎn)接觸為主，總表面積并沒(méi)減小。燒結(jié)初期第6頁(yè)/共41頁(yè)第七頁(yè)，共41頁(yè)。87.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理二、熱壓燒結(jié)二、熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理1、固體粉末燒結(jié)、固體粉末燒結(jié)(shoji)的過(guò)程和特點(diǎn)的過(guò)程和特點(diǎn)燒結(jié)階段燒結(jié)階段： 顆粒間由點(diǎn)接觸逐漸擴(kuò)大為面接觸，粒界面積增加，固-氣表面積相應(yīng)減少，但氣孔仍然是聯(lián)通的，此階段晶界移動(dòng)比較容易。在表面能減少的推動(dòng)力下，相對(duì)密度迅速增大，粉粒重排、晶界滑移引起的局部碎裂或塑性流動(dòng)傳質(zhì)，物質(zhì)通過(guò)不同的擴(kuò)

9、散途徑向顆粒間的頸部和氣孔部位填空，使頸部漸漸長(zhǎng)大，并逐步減少氣孔所占的體積，細(xì)小的顆粒之間開(kāi)始逐漸形成晶界，并不斷擴(kuò)大晶界的面積，使坯體變得致密化。燒結(jié)中期第7頁(yè)/共41頁(yè)第八頁(yè)，共41頁(yè)。97.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理二、熱壓燒結(jié)二、熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理1、固體粉末燒結(jié)、固體粉末燒結(jié)(shoji)的過(guò)程和特點(diǎn)的過(guò)程和特點(diǎn)燒結(jié)階段燒結(jié)階段： 隨著傳質(zhì)的繼續(xù)，粒界進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)大，氣孔則逐漸縮小和變形，最終轉(zhuǎn)變成孤立的閉氣孔。與此同時(shí)顆粒粒界開(kāi)始移動(dòng)，粒子長(zhǎng)大，氣孔逐漸遷移到粒界上消失，但深入晶粒內(nèi)部的氣孔則排除比較難。燒結(jié)體致密度提高，坯體可以達(dá)到理論密度的

10、95%左右。燒結(jié)后期第8頁(yè)/共41頁(yè)第九頁(yè)，共41頁(yè)。107.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理二、熱壓燒結(jié)二、熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理2、固體、固體(gt)粉末燒結(jié)的本征熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力粉末燒結(jié)的本征熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力本征過(guò)剩表面能驅(qū)動(dòng)力本征過(guò)剩表面能驅(qū)動(dòng)力：Ep為燒結(jié)前粉末系統(tǒng)的表面能，Ed為燒結(jié)成一個(gè)致密立方體后的表面能Wm為晶體材料的摩爾質(zhì)量 (g/mol)，sv為固-氣表面能 (J/m2)，Sp為粉末比表面 (cm2/g)，d為致密固體密度 (g/cm3)dpEEEpmsvSWE第9頁(yè)/共41頁(yè)第十頁(yè)，共41頁(yè)。117.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理粉末粒

11、度/m比表面積km2g-1固體密度kgmol-1摩爾質(zhì)量kgcm-1sv/Jmol-1 本征驅(qū)動(dòng)力Cu1505102 8.9 63.55 1.6 5.1 Ni104103 8.9 58.69 1.9 4.510 W0.3104 19.3 183.86 2.9 5.3102 Al2O30.2105 4.0 102.0 1.5 1.5103 結(jié)論：粉末粒度越粗，比表面越小，本征表面能驅(qū)動(dòng)力就越??；而粒度越細(xì)結(jié)論：粉末粒度越粗，比表面越小，本征表面能驅(qū)動(dòng)力就越??；而粒度越細(xì)，比表面越大，本征表面能驅(qū)動(dòng)力就越大。這也是實(shí)際燒結(jié)，比表面越大，本征表面能驅(qū)動(dòng)力就越大。這也是實(shí)際燒結(jié)(shoji)中細(xì)粉比中

12、細(xì)粉比粗粉易于燒結(jié)粗粉易于燒結(jié)(shoji)的原因。的原因。第10頁(yè)/共41頁(yè)第十一頁(yè)，共41頁(yè)。127.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理2、固體、固體(gt)粉末燒結(jié)的本征熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力粉末燒結(jié)的本征熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力本征本征Laplace應(yīng)力：應(yīng)力： 顆粒系統(tǒng)有兩個(gè)本征的特點(diǎn)：相接觸顆粒之間存在著顆粒系統(tǒng)有兩個(gè)本征的特點(diǎn)：相接觸顆粒之間存在著“空隙空隙”或孔洞及系統(tǒng)表面的減少。自由能的降低主要是通過(guò)或孔洞及系統(tǒng)表面的減少。自由能的降低主要是通過(guò)孔洞的收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的。燒結(jié)開(kāi)始時(shí)孔洞的形狀并不是球形，孔洞的收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的。燒結(jié)開(kāi)始時(shí)孔洞的形狀并不是球形，而是由尖角形，圓滑菱形，近球形逐漸向球

13、形過(guò)渡而是由尖角形，圓滑菱形，近球形逐漸向球形過(guò)渡(gud)。此時(shí)孔洞的收縮必然伴隨著顆粒接觸區(qū)的擴(kuò)展，這個(gè)接觸區(qū)此時(shí)孔洞的收縮必然伴隨著顆粒接觸區(qū)的擴(kuò)展，這個(gè)接觸區(qū)最先被稱作金屬顆粒之間的最先被稱作金屬顆粒之間的“橋橋”。第11頁(yè)/共41頁(yè)第十二頁(yè)，共41頁(yè)。137.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理2、固體、固體(gt)粉末燒結(jié)的本征熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力粉末燒結(jié)的本征熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力本征本征Laplace應(yīng)力：應(yīng)力： 顆粒之間接觸的直接結(jié)果是頸部出現(xiàn)了曲率半徑。顆粒之間接觸的直接結(jié)果是頸部出現(xiàn)了曲率半徑。Laplace和和Young以彎曲液體以彎曲液體(yt)表面為例，給出了表面的曲表面為

14、例，給出了表面的曲率半徑、表面張力和表面所受的應(yīng)力差值。率半徑、表面張力和表面所受的應(yīng)力差值。2111RR式中，R1與R2為表面上相互垂直的兩個(gè)曲線的曲率半徑，對(duì)于一個(gè)球形孔洞，R1=R2第12頁(yè)/共41頁(yè)第十三頁(yè)，共41頁(yè)。147.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理2、固體粉末、固體粉末(fnm)燒結(jié)的本征熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力燒結(jié)的本征熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力本征本征Laplace應(yīng)力：應(yīng)力： 對(duì)于對(duì)于(duy)不加壓團(tuán)相燒結(jié)的顆粒系統(tǒng)，由顆粒接觸形成的曲不加壓團(tuán)相燒結(jié)的顆粒系統(tǒng)，由顆粒接觸形成的曲率半徑對(duì)率半徑對(duì)Laplace應(yīng)力有重要影響。顆粒接觸的本征應(yīng)力有重要影響。顆粒接觸的本征Laplac

15、e應(yīng)力為應(yīng)力為：11x式中，x表示接觸面積的半徑，表示頸部的曲率半徑，即式中的R1與R2，負(fù)號(hào)表示從孔洞內(nèi)計(jì)算，正號(hào)表示x在顆粒內(nèi)計(jì)算半徑值。第13頁(yè)/共41頁(yè)第十四頁(yè)，共41頁(yè)。157.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理頸部頸部(jn b)的拉伸應(yīng)力為負(fù)號(hào)的解釋：的拉伸應(yīng)力為負(fù)號(hào)的解釋： 為負(fù)指的是對(duì)頸部為負(fù)指的是對(duì)頸部(jn b)而言，實(shí)際上它指向孔洞中而言，實(shí)際上它指向孔洞中心，對(duì)頸部心，對(duì)頸部(jn b)為拉伸應(yīng)力，對(duì)孔洞則為壓應(yīng)力，為拉伸應(yīng)力，對(duì)孔洞則為壓應(yīng)力，的存的存在使遍及壓坯的孔洞都受一個(gè)指向各孔洞中心的壓應(yīng)力，這在使遍及壓坯的孔洞都受一個(gè)指向各孔洞中心的壓應(yīng)力，這

16、樣理解樣理解為負(fù)與連續(xù)力學(xué)的定義就并不矛盾了。為負(fù)與連續(xù)力學(xué)的定義就并不矛盾了。第14頁(yè)/共41頁(yè)第十五頁(yè)，共41頁(yè)。167.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理二、熱壓燒結(jié)二、熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理2、固體、固體(gt)粉末燒結(jié)的本征熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力粉末燒結(jié)的本征熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力化學(xué)位梯度驅(qū)動(dòng)力化學(xué)位梯度驅(qū)動(dòng)力：?jiǎn)蜗嘞到y(tǒng)= 多相系統(tǒng)miV原子體積，原子體積，ii化學(xué)組元的化學(xué)位；化學(xué)組元的化學(xué)位；應(yīng)力；應(yīng)力；未加入未加入i組元時(shí)化學(xué)位組元時(shí)化學(xué)位;Vm摩爾體積。摩爾體積。結(jié)論結(jié)論：用化學(xué)位梯度來(lái)定義燒結(jié)過(guò)程的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力具有普遍意義。在不同燒結(jié)過(guò)程中的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，反應(yīng)燒結(jié)的過(guò)程

17、驅(qū)動(dòng)力最高，液相燒結(jié)過(guò)程顆粒合并次之。第15頁(yè)/共41頁(yè)第十六頁(yè)，共41頁(yè)。177.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理二、熱壓燒結(jié)二、熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理3、固相燒結(jié)、固相燒結(jié)(shoji)動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)顆粒的黏附作用顆粒的黏附作用：n 黏附是固體表面的普遍性質(zhì)，它起因于固體表面力。當(dāng)兩個(gè)表面靠近到表面力場(chǎng)作用范圍時(shí)既發(fā)生鍵合黏附。n 黏附力的大小直接取決于物體表面能和接觸面積，粉狀物料間的黏附作用特別顯著。n 黏附作用是燒結(jié)的初級(jí)階段，導(dǎo)致粉體顆粒間產(chǎn)生鍵合、靠攏和重排，并開(kāi)始形成接觸區(qū)的一個(gè)原因。 第16頁(yè)/共41頁(yè)第十七頁(yè)，共41頁(yè)。187.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(

18、shoji)的原理的原理二、熱壓燒結(jié)二、熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理3、固相燒結(jié)、固相燒結(jié)(shoji)動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)物質(zhì)的傳遞過(guò)程物質(zhì)的傳遞過(guò)程：（1）蒸發(fā)和凝聚蒸發(fā)和凝聚燒結(jié)過(guò)程中由于顆粒之間表面曲率的差異，造成各部分蒸氣壓不同，物質(zhì)從蒸氣壓鉸高的凸曲面蒸發(fā)，通過(guò)氣相傳遞，在蒸氣壓較低的凹曲面處(兩顆粒間的預(yù)部)凝聚。這樣就使顆粒間的接觸面積增加，顆粒和氣孔的形狀改變，導(dǎo)致坯體逐步致密化。物質(zhì)傳遞的蒸發(fā)和凝聚機(jī)理示意圖物質(zhì)傳遞的蒸發(fā)和凝聚機(jī)理示意圖(a)(a)兩球間距不變；兩球間距不變；(b)(b)兩球互相接近兩球互相接近第17頁(yè)/共41頁(yè)第十八頁(yè)，共41頁(yè)。197.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒

19、結(jié)(shoji)的原理的原理物質(zhì)的傳遞過(guò)程：物質(zhì)的傳遞過(guò)程：（2）擴(kuò)散）擴(kuò)散 擴(kuò)散傳質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)（或空位）借助于濃度梯度推動(dòng)而遷移傳質(zhì)過(guò)程擴(kuò)散傳質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)（或空位）借助于濃度梯度推動(dòng)而遷移傳質(zhì)過(guò)程，一般由濃度大的地方向濃度小的地方作定向擴(kuò)散。，一般由濃度大的地方向濃度小的地方作定向擴(kuò)散。 擴(kuò)散引起的燒結(jié)一般用空位擴(kuò)散的概念來(lái)描述。擴(kuò)散引起的燒結(jié)一般用空位擴(kuò)散的概念來(lái)描述。在空位濃度差推動(dòng)下，空位從頸部表面不斷地向顆粒的其他部位擴(kuò)在空位濃度差推動(dòng)下，空位從頸部表面不斷地向顆粒的其他部位擴(kuò)散，而固體質(zhì)點(diǎn)則頸部逆向擴(kuò)散。在一定溫度下空位濃度差是與表散，而固體質(zhì)點(diǎn)則頸部逆向擴(kuò)散。在一定溫度下空位濃度差是與表

20、面張力成比例的，因此由擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行的燒結(jié)過(guò)程，其推動(dòng)力也是面張力成比例的，因此由擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行的燒結(jié)過(guò)程，其推動(dòng)力也是表面張力。表面張力。 擴(kuò)散有表面擴(kuò)散、界面擴(kuò)散、體積擴(kuò)散和缺陷擴(kuò)散，影響擴(kuò)散有表面擴(kuò)散、界面擴(kuò)散、體積擴(kuò)散和缺陷擴(kuò)散，影響(yngxing)擴(kuò)散傳質(zhì)的主要因素是溫度和組成。擴(kuò)散傳質(zhì)的主要因素是溫度和組成。第18頁(yè)/共41頁(yè)第十九頁(yè)，共41頁(yè)。207.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理物質(zhì)的傳遞過(guò)程：物質(zhì)的傳遞過(guò)程：（3）粘滯流動(dòng)與塑性流動(dòng)）粘滯流動(dòng)與塑性流動(dòng) 粘性流動(dòng)：除有液相存在的燒結(jié)出現(xiàn)粘性流動(dòng)外，在高溫下晶體粘性流動(dòng)：除有液相存在的燒結(jié)出現(xiàn)粘性流動(dòng)外，在高溫下晶

21、體顆粒也具有流動(dòng)性質(zhì)，它與非晶體在高溫下的粘性流動(dòng)機(jī)理是相同顆粒也具有流動(dòng)性質(zhì)，它與非晶體在高溫下的粘性流動(dòng)機(jī)理是相同的。其黏性流動(dòng)分為兩個(gè)階段：一是物質(zhì)在高溫下形成粘性液體，的。其黏性流動(dòng)分為兩個(gè)階段：一是物質(zhì)在高溫下形成粘性液體，相鄰顆粒中心互相逼近，增加接觸面積，接著發(fā)生顆粒間的粘合作相鄰顆粒中心互相逼近，增加接觸面積，接著發(fā)生顆粒間的粘合作用和形成用和形成些封閉氣孔；二是封閉氣孔的粘性壓緊，即小氣孔在玻些封閉氣孔；二是封閉氣孔的粘性壓緊，即小氣孔在玻璃相包圍壓力作用下由于粘性流動(dòng)而密實(shí)化。璃相包圍壓力作用下由于粘性流動(dòng)而密實(shí)化。 決定燒結(jié)致密化速率決定燒結(jié)致密化速率(sl)的參數(shù)：顆粒

22、起始粒徑、黏度和表面張的參數(shù)：顆粒起始粒徑、黏度和表面張力。原料的起始粒度與液相粘度這兩項(xiàng)主要參數(shù)是互相配合的，它力。原料的起始粒度與液相粘度這兩項(xiàng)主要參數(shù)是互相配合的，它們不是孤立地起作用，而是相互影響的。們不是孤立地起作用，而是相互影響的。 第19頁(yè)/共41頁(yè)第二十頁(yè)，共41頁(yè)。217.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理物質(zhì)的傳遞過(guò)程：物質(zhì)的傳遞過(guò)程：（3）粘滯流動(dòng)）粘滯流動(dòng)(lidng)與塑性流動(dòng)與塑性流動(dòng)(lidng) 塑性流動(dòng)塑性流動(dòng)(lidng)：在固：在固-液兩相系統(tǒng)中，液相量占多數(shù)且液相粘度較液兩相系統(tǒng)中，液相量占多數(shù)且液相粘度較低時(shí)，燒結(jié)傳質(zhì)以粘流性流動(dòng)低時(shí)，燒結(jié)

23、傳質(zhì)以粘流性流動(dòng)(lidng)為主；而當(dāng)固相量占多數(shù)或粘為主；而當(dāng)固相量占多數(shù)或粘度較高時(shí)則以塑性流動(dòng)度較高時(shí)則以塑性流動(dòng)(lidng)為主。為主。 塑性流動(dòng)塑性流動(dòng)(lidng)傳質(zhì)過(guò)程在純固相燒鉆中同樣也存在，可以認(rèn)為晶傳質(zhì)過(guò)程在純固相燒鉆中同樣也存在，可以認(rèn)為晶體在高溫、高壓作用下產(chǎn)生流動(dòng)體在高溫、高壓作用下產(chǎn)生流動(dòng)(lidng)是由于晶體晶面的滑移，即是由于晶體晶面的滑移，即晶格間產(chǎn)生位錯(cuò)，而這種滑移只有超過(guò)某一應(yīng)力值才開(kāi)始。晶格間產(chǎn)生位錯(cuò)，而這種滑移只有超過(guò)某一應(yīng)力值才開(kāi)始。第20頁(yè)/共41頁(yè)第二十一頁(yè)，共41頁(yè)。227.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理物質(zhì)的傳遞過(guò)程：

24、物質(zhì)的傳遞過(guò)程：（4）溶解和沉淀）溶解和沉淀(chndin)當(dāng)有足量的液相生成、液相能潤(rùn)濕固相且固相在液相中有適當(dāng)當(dāng)有足量的液相生成、液相能潤(rùn)濕固相且固相在液相中有適當(dāng)?shù)娜芙舛葧r(shí)，傳質(zhì)過(guò)程存在下列關(guān)系：的溶解度時(shí)，傳質(zhì)過(guò)程存在下列關(guān)系：可見(jiàn)，溶解度隨顆粒半徑減少而增大，故小顆粒將優(yōu)先地溶解可見(jiàn)，溶解度隨顆粒半徑減少而增大，故小顆粒將優(yōu)先地溶解，并通過(guò)液相不斷向周?chē)鷶U(kuò)散，使液相中該位置的濃度隨之增，并通過(guò)液相不斷向周?chē)鷶U(kuò)散，使液相中該位置的濃度隨之增加，當(dāng)達(dá)到較大顆粒的飽和濃度時(shí)，就會(huì)在其表面沉淀加，當(dāng)達(dá)到較大顆粒的飽和濃度時(shí)，就會(huì)在其表面沉淀(chndin)析出這就使粒界不斷推移，大小顆粒間空

25、隙不斷被充析出這就使粒界不斷推移，大小顆粒間空隙不斷被充填從而導(dǎo)致燒結(jié)和致密化。這種通過(guò)液相傳質(zhì)的機(jī)理稱溶解填從而導(dǎo)致燒結(jié)和致密化。這種通過(guò)液相傳質(zhì)的機(jī)理稱溶解-沉沉淀淀(chndin)機(jī)理。機(jī)理。RTrMCCSL2ln0C、C0為小顆粒和普通(ptng)顆粒的溶解度；r為小顆粒半徑；SL為固-液相界面張力第21頁(yè)/共41頁(yè)第二十二頁(yè)，共41頁(yè)。237.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理物質(zhì)的傳遞過(guò)程：物質(zhì)的傳遞過(guò)程：（4）溶解和沉淀）溶解和沉淀溶解溶解-沉淀傳質(zhì)過(guò)程的推動(dòng)力是細(xì)顆粒間液相對(duì)毛細(xì)管壓力。傳質(zhì)沉淀傳質(zhì)過(guò)程的推動(dòng)力是細(xì)顆粒間液相對(duì)毛細(xì)管壓力。傳質(zhì)過(guò)程以下列方式進(jìn)行：過(guò)程

26、以下列方式進(jìn)行：第一，隨著燒結(jié)溫度提高，出現(xiàn)足夠量液相。固相顆粒分散在液相第一，隨著燒結(jié)溫度提高，出現(xiàn)足夠量液相。固相顆粒分散在液相中，在液相毛細(xì)管的作用下，顆粒相對(duì)侈動(dòng)，發(fā)生重新排列，得到中，在液相毛細(xì)管的作用下，顆粒相對(duì)侈動(dòng)，發(fā)生重新排列，得到一個(gè)更緊密的堆積，結(jié)果提高了坯體的密度。一個(gè)更緊密的堆積，結(jié)果提高了坯體的密度。第二，薄膜在液膜分開(kāi)的顆粒之間搭橋，在接觸部位有高的局部應(yīng)第二，薄膜在液膜分開(kāi)的顆粒之間搭橋，在接觸部位有高的局部應(yīng)力導(dǎo)致塑性變形和蠕變，這樣促進(jìn)顆粒進(jìn)一步重排。力導(dǎo)致塑性變形和蠕變，這樣促進(jìn)顆粒進(jìn)一步重排。第三，通過(guò)液相的重結(jié)晶過(guò)程，這一階段特點(diǎn)是細(xì)小第三，通過(guò)液相的重

27、結(jié)晶過(guò)程，這一階段特點(diǎn)是細(xì)小(xxio)顆粒顆粒的和固體顆粒表面凸起部分的溶解，通過(guò)液相轉(zhuǎn)移并在粗顆粒表面的和固體顆粒表面凸起部分的溶解，通過(guò)液相轉(zhuǎn)移并在粗顆粒表面上析出。在顆粒生長(zhǎng)和形狀改變的同時(shí)，使坯體進(jìn)一步致密化。顆上析出。在顆粒生長(zhǎng)和形狀改變的同時(shí)，使坯體進(jìn)一步致密化。顆粒之間有液相存在時(shí)顆?；ハ鄩壕o，顆粒間在壓力作用下又提高了粒之間有液相存在時(shí)顆?；ハ鄩壕o，顆粒間在壓力作用下又提高了固體物質(zhì)在液相中的溶解度。固體物質(zhì)在液相中的溶解度。 第22頁(yè)/共41頁(yè)第二十三頁(yè)，共41頁(yè)。247.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理二、熱壓燒結(jié)二、熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理4、熱

28、壓過(guò)程、熱壓過(guò)程(guchng)的基本規(guī)律的基本規(guī)律蠕變速率公式蠕變速率公式：( )mnGDTAe&式中A（T）為溫度的函數(shù)，且各種機(jī)制主要的區(qū)別在于應(yīng)力指數(shù)n和晶粒尺寸指數(shù)m的不同和擴(kuò)散系數(shù)的選用。第23頁(yè)/共41頁(yè)第二十四頁(yè)，共41頁(yè)。257.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理4、熱壓過(guò)程、熱壓過(guò)程(guchng)的基本規(guī)律的基本規(guī)律（1）加壓燒結(jié)冪指數(shù)蠕變?cè)诩訅簾Y(jié)過(guò)程中，粉末體的變形是在應(yīng)力和溫度同時(shí)作用下的變形。物質(zhì)遷移可能通過(guò)位錯(cuò)滑移、攀移、擴(kuò)散、擴(kuò)散蠕變等多種機(jī)制完成。燒結(jié)階段分為孔隙連通階段和相孤立孔洞階段。 燒結(jié)初期,應(yīng)力的施加首先使顆粒接觸區(qū)發(fā)生(fsh

29、ng)塑性屈服。而后在增加了的接觸區(qū)形成冪指數(shù)蠕變區(qū)，各類蠕變機(jī)制導(dǎo)致物質(zhì)遷移。同時(shí)，原子或空位不可避免地發(fā)生(fshng)體積擴(kuò)散相晶界擴(kuò)散。晶界中的位錯(cuò)也可能沿晶界攀移，導(dǎo)致晶界滑動(dòng)。第一階段的主要特征是孔洞仍然連通。 燒結(jié)末期，上述機(jī)制仍然存在，只不過(guò)孔洞成為孤立的閉孔，位于晶界相交處。同時(shí)，并不排除在晶粒內(nèi)部孤立存在的微孔。 第24頁(yè)/共41頁(yè)第二十五頁(yè)，共41頁(yè)。26第25頁(yè)/共41頁(yè)第二十六頁(yè)，共41頁(yè)。277.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理4、熱壓過(guò)程、熱壓過(guò)程(guchng)的基本規(guī)律的基本規(guī)律（2）加壓位錯(cuò)增值 金屬粉末(fnm)燒結(jié)體往往是松散粉末(fnm)

30、裝入摸具中在壓力下壓制成的壓坯。壓制壓力的施加，也往往使壓坯內(nèi)的位錯(cuò)密度大幅度增加。 例如：對(duì)于軟金屬Cu，在非常低的壓制壓力（1000MPa）下，壓坯的位錯(cuò)密度已達(dá)到1010cm-2數(shù)量級(jí)。第26頁(yè)/共41頁(yè)第二十七頁(yè)，共41頁(yè)。287.2 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)的原理的原理三、熱壓燒結(jié)三、熱壓燒結(jié)(shoji)的適的適用范圍用范圍n 熱壓燒結(jié)廣泛地用于在普通無(wú)壓條件下難致密化的材料的制備及納米陶瓷的制備。如納米Y-TZP陶瓷、硬質(zhì)合金等。n 在現(xiàn)代材料工業(yè)中，用粉體原料燒結(jié)成型的產(chǎn)業(yè)有兩類：一個(gè)是粉末冶金產(chǎn)業(yè)，一個(gè)是特種陶瓷產(chǎn)業(yè)。n 所使用的燒結(jié)工藝方法主要有兩種：一種是冷壓成型然

31、后燒結(jié)：另一種是熱壓燒結(jié)。n 實(shí)驗(yàn)證明(zhngmng)：采用真空熱壓燒結(jié)可以使產(chǎn)品無(wú)氧化、低孔隙、少雜質(zhì)、提高合金化程度，從而提高產(chǎn)品的綜合性能。 第27頁(yè)/共41頁(yè)第二十八頁(yè)，共41頁(yè)。297.3 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)工藝工藝一、熱壓燒結(jié)一、熱壓燒結(jié)(shoji)生產(chǎn)生產(chǎn)工藝種類工藝種類1、真空、真空(zhnkng)和氣氛熱壓和氣氛熱壓n 為防止氧化，真空熱壓將爐膛內(nèi)抽成真空。n 先進(jìn)陶瓷中引人注目的Si3N4、SiC等非氧化物，由于在高溫下易被氧化，因而在氮及惰性氣體中進(jìn)行燒結(jié)。2、熱等靜壓法、熱等靜壓法n 熱等靜壓是指對(duì)裝于包套之中的松散粉末加熱的同時(shí)對(duì)其施加各向同性的等靜壓

32、力的燒結(jié)過(guò)程。n 熱等靜壓強(qiáng)化了壓制和饒結(jié)過(guò)程，降低燒結(jié)溫度，消除空隙，避免晶粒長(zhǎng)大，可獲得高的密度和強(qiáng)度。同熱壓法比較，熱等靜壓溫度低，制品密度提高。第28頁(yè)/共41頁(yè)第二十九頁(yè)，共41頁(yè)。307.3 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)工藝工藝一、熱壓燒結(jié)一、熱壓燒結(jié)(shoji)生產(chǎn)生產(chǎn)工藝種類工藝種類3、反應(yīng)、反應(yīng)(fnyng)熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)n 定義：指在燒結(jié)傳質(zhì)過(guò)程中，除利用表面自由能下降和機(jī)械作用力推動(dòng)外，再加上一種化學(xué)反應(yīng)能作為推動(dòng)力或激活能，以降低燒結(jié)溫度，從而降低燒結(jié)難度以獲得致密陶瓷。n從化學(xué)反應(yīng)的角度看，可分為相變熱壓燒結(jié)、分解熱壓燒結(jié)，以及分解合成熱壓燒結(jié)三種類型。其特點(diǎn)是

33、熱能、機(jī)械能、化學(xué)能熱能、機(jī)械能、化學(xué)能三者缺一不可，緊密配合促使轉(zhuǎn)變完成。第29頁(yè)/共41頁(yè)第三十頁(yè)，共41頁(yè)。317.3 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)工藝工藝二、熱壓燒結(jié)二、熱壓燒結(jié)(shoji)生產(chǎn)設(shè)生產(chǎn)設(shè)備備n 熱壓機(jī)的結(jié)構(gòu)是按加熱和加壓方法，所采用(ciyng)的氣氛以及其他因素來(lái)劃分的。熱壓過(guò)程中通常利用電加熱。n 熱壓裝備用的模具材料常用石墨。石墨的價(jià)格不太貴，易于機(jī)械加工，在較大的溫度范圍內(nèi)具有較低密度，電阻較低，熱穩(wěn)定性好和具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，且能形成保護(hù)氣氛。石墨壓模的局限性是它的機(jī)械強(qiáng)度較低（不能在高壓下工作）以及能還原某些材料，尤其是氧化物。石墨還能和過(guò)渡族金屬，以及

34、過(guò)渡族金屬的氮化物和硅化物發(fā)生反應(yīng)。n 除石墨壓模外，金屬壓模應(yīng)用的最廣泛，尤其是銅基合金壓模。第30頁(yè)/共41頁(yè)第三十一頁(yè)，共41頁(yè)。327.3 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)工藝工藝三、熱壓燒結(jié)三、熱壓燒結(jié)(shoji)的工的工藝參數(shù)藝參數(shù)n 升溫過(guò)程：從室溫升至最高燒結(jié)溫度的這段時(shí)間叫做升溫期。在滿足產(chǎn)品性能要求的情況下，升溫速度應(yīng)該盡可能快些。但坯體中有氣體析出時(shí)，升溫速度要慢；坯體成分中存在多晶轉(zhuǎn)變時(shí)，應(yīng)密切注意；有液相出現(xiàn)(chxin)時(shí)升溫要謹(jǐn)慎；不同電子陶瓷還可能有其特殊的升溫方式。n 最高燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間：通常最高燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間之間是可以相互調(diào)節(jié)的，以達(dá)到一次晶粒發(fā)展成

35、熟，晶界明顯、交角近120，沒(méi)有過(guò)分二次晶粒長(zhǎng)大，收縮均勻、氣孔小，燒結(jié)件緊致而又耗能量少為目的。n 降溫方式：指瓷件燒好后的冷卻速度，一般采用隨爐冷卻。1、工藝制度、工藝制度第31頁(yè)/共41頁(yè)第三十二頁(yè)，共41頁(yè)。337.3 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)工藝工藝三、熱壓燒結(jié)三、熱壓燒結(jié)(shoji)的工的工藝參數(shù)藝參數(shù)n 提高燒結(jié)溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間有利于燒結(jié)的進(jìn)行。燒結(jié)過(guò)程是隨著溫度提高試樣的氣孔率降低，致密度和強(qiáng)度不斷提高的過(guò)程。提高燒結(jié)溫度無(wú)論對(duì)固相擴(kuò)散或?qū)θ芙?沉淀等傳質(zhì)都是有利的。 n 但是單純提高燒結(jié)溫度不僅浪費(fèi)燃料，很不經(jīng)濟(jì)，而且還會(huì)促使二次結(jié)晶而使制品性能惡化。在有液相的燒結(jié)

36、中，溫度過(guò)高使液相量增加，粘度下降，使制品變形。因此不同制品的燒結(jié)溫度必須仔細(xì)試驗(yàn)(shyn)來(lái)確定。 2、影響熱壓燒結(jié)的因素、影響熱壓燒結(jié)的因素溫度和保溫時(shí)間的影響溫度和保溫時(shí)間的影響：第32頁(yè)/共41頁(yè)第三十三頁(yè)，共41頁(yè)。347.3 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)工藝工藝n 外壓對(duì)燒結(jié)的影響(yngxing)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：生坯成型壓力和燒結(jié)時(shí)的外加壓力（熱壓）。 n 從燒結(jié)和固相反應(yīng)機(jī)理容易理解，成型壓力增大，坯體中顆粒堆積就較緊密，接觸面積增大，燒結(jié)被加速。 n 熱壓可以提供額外的推動(dòng)力以補(bǔ)償被抵消的表面張力，使燒結(jié)得以繼續(xù)和加速。采用熱壓燒結(jié)可以保證在較低溫度和較短時(shí)間內(nèi)制得高

37、質(zhì)密度的燒結(jié)體，對(duì)于有些物料甚至可以達(dá)到完全透明的程度。 壓力壓力(yl)的影響：的影響：第33頁(yè)/共41頁(yè)第三十四頁(yè)，共41頁(yè)。357.3 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)工藝工藝n 無(wú)論是固態(tài)或液態(tài)的燒結(jié)中，細(xì)顆粒由于增加了燒結(jié)的推動(dòng)力，縮短了原子擴(kuò)散距離和提高顆粒在液相中溶解度而導(dǎo)致(dozh)燒結(jié)過(guò)程的加速。n 燒結(jié)是基于在表面張力作用下的物質(zhì)遷移而實(shí)現(xiàn)的，質(zhì)點(diǎn)的遷移需較高的活化能，可以通過(guò)降低物料的粒度來(lái)提高活性。為了達(dá)到高度發(fā)散，必須對(duì)物料進(jìn)行細(xì)磨。此過(guò)程中的機(jī)械和球料之間的撞擊使得顆粒的表面能增加，內(nèi)部缺陷增加，晶格活化，質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)變得容易。物料物料(w lio)的影響：的影響：第34頁(yè)/共41頁(yè)第三十五頁(yè)，共41頁(yè)。367.3 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)(shoji)工