無機(jī)非金屬材料科學(xué)基礎(chǔ)06 燒結(jié)

無機(jī)非金屬材料學(xué)課程大綱緒論1晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2缺陷化學(xué)基礎(chǔ)3非晶態(tài)基礎(chǔ)4固相反應(yīng)5燒結(jié)6編輯ppt第六章燒結(jié)燒結(jié)的定義與分類1燒結(jié)機(jī)理2燒結(jié)動(dòng)力學(xué)3晶粒生長和二次結(jié)晶4燒結(jié)的影響因素5編輯ppt4.1燒結(jié)的定義及分類1.燒結(jié)的定義

燒結(jié)是一種或多種固體粉末，經(jīng)過成型，加熱到一定溫度后開始收縮，在低于熔點(diǎn)的溫度下，變成堅(jiān)硬固體[為什么]的過程。顯微結(jié)構(gòu)變化：接觸面積擴(kuò)大，中心距縮小，晶界形成；氣孔體積變小，從連通變?yōu)楣铝ⅰ！練夤探缑妗坦探缑妗渴裁词菬Y(jié)呢？編輯ppt燒結(jié)與燒成

燒成包括多種物理、化學(xué)變化。燒結(jié)指粉料經(jīng)加熱而致密化的物理過程。燒結(jié)與熔融

燒結(jié)在遠(yuǎn)低于熔融溫度下進(jìn)行，不全部轉(zhuǎn)為液相，至少有一部分為固相。燒結(jié)與固相反應(yīng)

固相反應(yīng)必須發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，至少生成一種新物質(zhì)；燒結(jié)不存在化學(xué)反應(yīng)，僅存在物質(zhì)遷移的物理過程。接下來我們還是要區(qū)分幾個(gè)概念？編輯ppt2.燒結(jié)的分類

液相燒結(jié)固相燒結(jié)按照有無液相出現(xiàn)下面看一下燒結(jié)的分類？編輯ppt加壓燒結(jié)無壓燒結(jié)按照是否施加壓力編輯ppt強(qiáng)化燒結(jié)常規(guī)燒結(jié)按照是否采用強(qiáng)化活化燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)微波燒結(jié)電弧燒結(jié)自蔓延燒結(jié)編輯ppt3.燒結(jié)的研究對(duì)象粉狀固體塊狀固體過程研究內(nèi)容編輯ppt編輯ppt物質(zhì)遷移驅(qū)動(dòng)力動(dòng)力學(xué)本質(zhì)規(guī)律燒結(jié)為什么能夠發(fā)生？燒結(jié)如何發(fā)生？燒結(jié)發(fā)生的過程中發(fā)生了什么現(xiàn)象呢？燒結(jié)的進(jìn)程如何描述呢？編輯ppt6.2燒結(jié)機(jī)理燒結(jié)過程1燒結(jié)推動(dòng)力2燒結(jié)傳質(zhì)機(jī)理3編輯ppt6.2.1燒結(jié)過程燒結(jié)初期：顆粒重排，接觸處產(chǎn)生鍵合，空隙變形、縮?。创髿饪紫В?，固-氣總表面積變化不大。燒結(jié)中期：傳質(zhì)迅速增大，粒界增大，空隙進(jìn)一步變形、縮小，但仍然連通，形如隧道。燒結(jié)后期：傳質(zhì)繼續(xù)進(jìn)行，顆粒長大，晶界移動(dòng)，氣孔變成孤立閉氣孔。燒結(jié)過程指從開始燒結(jié)到最后燒結(jié)完成整個(gè)過程中的現(xiàn)象。從燒結(jié)過程的現(xiàn)象來看，一般根據(jù)特征變化，燒結(jié)可分為初期、中期和后期。編輯ppt這一過程是如何發(fā)生的呢？氣體是如何被趕走的呢？編輯ppt燒結(jié)過程是一個(gè)物質(zhì)傳遞、排除氣體的過程物質(zhì)傳遞移動(dòng)結(jié)晶鍵合推動(dòng)力燒結(jié)過程是一個(gè)致密化的過程，因致密而堅(jiān)硬編輯ppt6.2.2燒結(jié)推動(dòng)力1.粉末燒結(jié)性粉狀固體塊狀固體熱力學(xué)高能量低能量什么在改變粉末為什么能夠變成堅(jiān)硬的固體呢？誰之功呢？編輯ppt能量狀態(tài)發(fā)生了什么改變？燒結(jié)的推動(dòng)力是什么編輯ppt2.燒結(jié)的推動(dòng)力能量力燒結(jié)的推動(dòng)力？編輯ppt自發(fā)收縮r1r2表面張力蒸汽壓差切向的力溶解度差空位濃度編輯ppt球形曲面顆粒半徑為1微米時(shí)，表面能按1000爾格/厘米2，球形與平面壓強(qiáng)差可達(dá)20個(gè)大氣壓。微米級(jí)顆粒之間約有0.1～1μm直徑的毛細(xì)管，如其中充滿硅酸鹽液相，毛細(xì)管壓力達(dá)1.23～12.3MPa編輯ppt6.2.3燒結(jié)機(jī)理1.一般燒結(jié)過程顆粒間粘附質(zhì)點(diǎn)傳遞編輯ppt2.顆粒間的粘附作用玻璃纖維的粘附編輯ppt粘附鍵合靠攏重排接觸區(qū)頸部結(jié)構(gòu)編輯ppt3.燒結(jié)傳質(zhì)機(jī)理在燒結(jié)過程中，物質(zhì)傳遞的機(jī)理多種多樣，但都以表面張力為動(dòng)力；主要有：A：流動(dòng)傳質(zhì)D：液相傳質(zhì)C：氣相傳質(zhì)B：擴(kuò)散傳質(zhì)雖然知道是表面張力的推動(dòng)，實(shí)際過程如何發(fā)生？質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)-成核-結(jié)晶：移動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)占據(jù)了空隙的位置---致密化。編輯pptA：流動(dòng)傳質(zhì)

指顆粒表面質(zhì)點(diǎn)在表面張力作用下通過變形、流動(dòng)引起的物質(zhì)遷移，可分為粘性流動(dòng)和塑性流動(dòng)。粘性流動(dòng)傳質(zhì)：高溫下軟化，表面張力作用下，質(zhì)點(diǎn)鹽表面張力流動(dòng)，類似液體流動(dòng)。編輯ppt塑性流動(dòng)傳質(zhì)：表面張力使晶體產(chǎn)生位錯(cuò)，質(zhì)點(diǎn)通過整排原子的運(yùn)動(dòng)或晶面的滑移來實(shí)現(xiàn)物質(zhì)傳遞，稱為塑性流動(dòng)傳質(zhì)。FF編輯pptB：擴(kuò)散傳質(zhì)顆粒接觸，頸部形成，相對(duì)與正常部分空位濃度C0，有一個(gè)空位濃度差。質(zhì)點(diǎn)(或空位)借助于濃度梯度推動(dòng)而遷移的傳質(zhì)過程。按照擴(kuò)散途徑劃分：體積擴(kuò)散界面擴(kuò)散表面擴(kuò)散編輯pptC:氣相傳質(zhì)

質(zhì)點(diǎn)從凸處蒸發(fā)，然后通過氣相傳遞到凹處凝結(jié)。

編輯pptD：溶解沉淀

質(zhì)點(diǎn)在溶解度大的地方溶解，在溶解度小的地方析出。

總結(jié)：

燒結(jié)是如何發(fā)生的呢？在表面張力的作用下，或者小顆粒消失或者顆粒半徑變小，這些消失的小顆粒或變小的半徑處的質(zhì)點(diǎn)，通過表面張力的各種表現(xiàn)形式，填充到頸部等曲率為負(fù)的空隙處---體積收縮，但空隙被填充。這就是質(zhì)點(diǎn)的傳遞。編輯ppt6.3燒結(jié)動(dòng)力學(xué)燒結(jié)初期1燒結(jié)中期和后期2先建立模型，然后推導(dǎo)反應(yīng)進(jìn)程和時(shí)間的關(guān)系式。編輯ppt6.3.1燒結(jié)初期1.燒結(jié)模型

動(dòng)力學(xué)燒結(jié)模型定量研究如何建立燒結(jié)模型？燒結(jié)過程如何表征？編輯ppt顆粒體系抽象：燒結(jié)模型●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●緊密堆積等徑圓球動(dòng)力學(xué)方程如何建立？編輯ppt初期模型建立：根據(jù)燒結(jié)初期發(fā)生的現(xiàn)象，找一個(gè)量表征燒結(jié)的進(jìn)程，哪個(gè)量呢？從燒結(jié)過程中看出，燒結(jié)初期表現(xiàn)為頸部的長大。頸部長大x/r頸部等同xrxrx/r與t的方程？編輯ppt編輯ppt2.燒結(jié)初期特征

頸部長大x/r<0.3編輯ppt3.動(dòng)力學(xué)關(guān)系

粘性流動(dòng)蒸發(fā)凝聚體積擴(kuò)散晶界擴(kuò)散表面擴(kuò)散m12323n23557編輯ppt6.3.2燒結(jié)中期及末期1.燒結(jié)模型編輯ppt編輯ppt2.燒結(jié)特征

A：中期顆粒變形，氣孔由不規(guī)則形狀變成近似圓柱形，氣孔連通；晶界開始移動(dòng)，晶粒長大；與氣孔接觸的表面為空位源，體積擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散為主。

B:末期氣孔封閉、孤立，為四個(gè)顆粒包圍，近似球形。編輯ppt3.動(dòng)力學(xué)編輯ppt6.4晶粒生長與二次再結(jié)晶1.燒結(jié)過程的晶粒二次再結(jié)晶初次再結(jié)晶燒結(jié)過程晶體長大編輯ppt初次再結(jié)晶：指已發(fā)生塑性形變的基質(zhì)中出現(xiàn)新生的無應(yīng)變晶粒的成核和長大過程。晶粒生長：無應(yīng)變的材料在熱處理時(shí)，平衡晶粒尺寸在不改變其分布的情況下，連續(xù)增大的過程。二次再結(jié)晶：指少數(shù)巨大晶粒在細(xì)晶消耗時(shí)成核長大的過程，又稱晶粒異常長大和晶粒不連續(xù)生長。編輯ppt2.晶粒長大在燒結(jié)中后期晶粒要逐漸長大，晶粒的長大過程也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加；不是晶粒的相互粘接，是晶界移動(dòng)的結(jié)果。粒度越小，表面積越大，晶粒長大自由能降低越多。晶粒尺寸由1μm→1cm，能量變化約為0.42～21J/g晶界能晶界移動(dòng)晶粒長大編輯ppt編輯pptAB編輯ppt燒結(jié)溫度

對(duì)AlN晶粒

尺寸的影響編輯ppt晶粒生長過程的氣孔和雜質(zhì)：晶界能量較小，晶界移動(dòng)被雜質(zhì)或氣孔所阻擋，晶粒正常長大停止，多出現(xiàn)在燒結(jié)初期；

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)，氣孔利用晶界的快速通道排除，坯體不斷致密。晶界能量大，晶界越過雜質(zhì)或氣孔，把氣孔包裹在晶粒內(nèi)部，氣孔被包入晶體內(nèi)不，再不能利用晶界這樣的快速通道而排除，只能通過體積擴(kuò)散來排除，是十分困難的，坯體很難致密化。編輯ppt編輯ppt3.二次再結(jié)晶指在細(xì)晶消耗時(shí)，成核長大形成少數(shù)巨大晶粒的過程。推動(dòng)力：表面能晶粒生長二次再結(jié)晶晶粒尺寸均勻生長個(gè)別晶粒異常長大界面處于平衡狀態(tài)，無應(yīng)力大晶粒界面上有應(yīng)力存在不存在晶核大晶粒時(shí)二次再結(jié)晶的核心氣孔都維持在晶界上或晶界交匯處氣孔被包裹在晶粒內(nèi)部編輯ppt編輯ppt6.4燒結(jié)的影響因素1.燒結(jié)溫度溫度升高蒸汽壓增大擴(kuò)散系數(shù)增大粘度降低加強(qiáng)傳質(zhì)促進(jìn)燒結(jié)編輯ppt2.燒結(jié)時(shí)間

延長時(shí)間提高致密度二次再結(jié)晶編輯ppt3.原料種類及粒度

結(jié)合牢固擴(kuò)散困難晶格能大不利于燒結(jié)原料種類原料粒度粒度越小表面能大利于燒結(jié)編輯ppt4.添加劑形成固溶體阻止晶型轉(zhuǎn)變抑制晶粒長大產(chǎn)生液相晶格變形、缺陷增加易于致密化晶粒粗大不利于致密顆粒重排、液相傳質(zhì)擴(kuò)大燒結(jié)范圍工藝控制方便編輯ppt5.氣氛氧化、還原、中性氧化物大多受氧氛圍影響：擴(kuò)散有些物質(zhì)不能在氧化氛圍中燒結(jié)氣體分子越小，越容易擴(kuò)散，氫氣和氬氣容易揮發(fā)的物質(zhì)，防止揮發(fā)編輯ppt6.壓力成型壓力和燒結(jié)壓力成型壓力大利于顆粒接觸，減小擴(kuò)散距離熱壓燒結(jié)利于高溫下的塑性流動(dòng)熱壓燒結(jié)是高熔點(diǎn)陶瓷中的常用方法編輯ppt例題：某固體粉料r為6微米，在一定溫度下燒結(jié)，10分鐘后，其x/r為0.1。研究表明，該初期燒結(jié)機(jī)理為