第4次課特種陶瓷的燒結(jié)課件

緒論第一章特種陶瓷生產(chǎn)工藝原理第二章結(jié)構(gòu)陶瓷第三章功能陶瓷第七章薄膜材料第八章生物陶瓷第九章新能源材料第十章環(huán)境材料第四章特種玻璃第五章人工晶體第六章無機(jī)纖維緒論第四章特種玻璃1.3

特種陶瓷的成型方法

配料計(jì)算

配料制備

混合

塑化

造粒1.3特種陶瓷的成型方法1.3

特種陶瓷的成型方法

坯料含水量30～40%成型方法冷法石膏模普通注漿強(qiáng)化注漿有模無模等靜壓成型法：使用橡皮膜，坯料含水量1.5～3%干壓成型法：使用鋼模，坯料含水量6～8%

可塑成型法坯料含水量18～26%注漿成型法熱法（熱壓鑄法）：鋼模1.3特種陶瓷的成型方法坯料含水量成型冷法石膏模普通注漿1.3

特種陶瓷的成型方法

1.3特種陶瓷的成型方法1.3

特種陶瓷的成型方法1.3.5模壓成型

一、工藝原理為：

1.3特種陶瓷的成型方法1.3.5模壓成型1.3

特種陶瓷的成型方法1.3.5模壓成型三、加壓方式和壓力分布加壓方式和壓力分布關(guān)系圖(橫條線為等密度線)a－單面加壓；b－雙面同時(shí)加壓；c－雙面先后加壓；d－四面加壓

1.3特種陶瓷的成型方法1.3.5模壓成型三、加壓方式和第一章特種陶瓷工藝原理1.1特種陶瓷粉體的物理性能1.2特種陶瓷粉體的制備方法1.3特種陶瓷的成型方法1.4特種陶瓷的燒結(jié)第一章特種陶瓷工藝原理1.1特種陶瓷粉體的物理性能1.21.4特種陶瓷的燒結(jié)材料性質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)組成、礦物組成顯微結(jié)構(gòu)晶粒尺寸及分布?xì)饪壮叽缂胺植季Ы珞w積分?jǐn)?shù)改變目的：粉狀物料變成致密體。陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高溫材料……特種陶瓷應(yīng)用燒結(jié)1.4特種陶瓷的燒結(jié)材料性質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)組成、礦物組成1.4特種陶瓷的燒結(jié)如何改變材料性質(zhì)：

1、斷裂強(qiáng)度晶粒尺寸G

強(qiáng)度2、氣孔強(qiáng)度(應(yīng)力集中點(diǎn))；透明度(散射)；鐵電性和磁性。1.4特種陶瓷的燒結(jié)如何改變材料性質(zhì)：斷裂強(qiáng)度晶粒尺寸G1.4特種陶瓷的燒結(jié)收縮收縮ab收縮c1.4特種陶瓷的燒結(jié)收縮收縮ab收縮c1.4特種陶瓷的燒結(jié)燒結(jié)：

陶瓷生坯在高溫下的致密化過程和現(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（氣孔）和晶界逐漸減少，通過物質(zhì)的傳遞，其總體積V、氣孔率、強(qiáng)度、致密度，成為堅(jiān)硬的具有某種顯微結(jié)構(gòu)的多晶燒結(jié)體的過程。

1.4特種陶瓷的燒結(jié)燒結(jié)：1.4特種陶瓷的燒結(jié)燒結(jié)

定義2：由于分子或原子的吸引，通過加熱使粉體產(chǎn)生顆粒粘結(jié)，并進(jìn)一步經(jīng)過物質(zhì)遷移使粉體產(chǎn)生強(qiáng)度并致密化和再結(jié)晶的過程。

衡量燒結(jié)的指標(biāo):收縮率、氣孔率、相對(duì)密度

熱力學(xué)依據(jù)：燒結(jié)是系統(tǒng)總能量減少的過程。

1.4特種陶瓷的燒結(jié)燒結(jié)1.4特種陶瓷的燒結(jié)一、特種陶瓷的燒結(jié)概論二、特種陶瓷的燒結(jié)方法

1.4特種陶瓷的燒結(jié)一、特種陶瓷的燒結(jié)概論1.4特種陶瓷的燒結(jié)一、特種陶瓷燒結(jié)理論二、燒結(jié)過程中的晶粒生長(zhǎng)三、陶瓷燒結(jié)過程的影響因素

1.4.1特種陶瓷燒結(jié)概論1.4特種陶瓷的燒結(jié)一、特種陶瓷燒結(jié)理論1.4.1特種陶1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論1.燒結(jié)現(xiàn)象

燒結(jié)過程中剛開始只有點(diǎn)接觸，在表面能減少的推動(dòng)力下物質(zhì)向顆粒間的頸部和氣孔部位填充，細(xì)小的顆粒間開始形成晶界。兩顆粒燒結(jié)模型多顆粒燒結(jié)模型1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論1.燒結(jié)現(xiàn)象

隨著連通氣孔不斷縮小，形成晶界網(wǎng)絡(luò)，最終氣孔相互不再連通，形成孤立的氣孔布于晶粒相交的位置或晶粒內(nèi)部。如圖所示1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論1.4特種陶瓷的燒結(jié)a收縮b收縮無氣孔的多晶體c說明：a:顆粒聚集b:開口堆積體中顆粒中心逼近c(diǎn):封閉堆積體中顆粒中心逼近收縮燒結(jié)現(xiàn)象示意圖1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論1.燒結(jié)現(xiàn)象1.4特種陶瓷的燒結(jié)a收縮b收縮無氣孔的多晶體c說明：收縮1.4特種陶瓷的燒結(jié)(a)固相燒結(jié)(Al2O3)和(b)液相燒結(jié)樣品(98W-1Ni-1F(wt%))的顯微結(jié)構(gòu)

1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論1.燒結(jié)現(xiàn)象1.4特種陶瓷的燒結(jié)(a)固相燒結(jié)(Al2O3)和1.1.4特種陶瓷的燒結(jié)燒結(jié)與熔融相同點(diǎn)：都是由原子熱振動(dòng)而引起的不同點(diǎn)：熔融時(shí)全部組元都轉(zhuǎn)變?yōu)橐合酂Y(jié)時(shí)至少有一組元是處于固態(tài)燒結(jié)是在低于固態(tài)物質(zhì)的熔融溫度下進(jìn)行的。泰曼指出，燒結(jié)溫度Ts與其熔點(diǎn)Tm之間關(guān)系的一般規(guī)律：金屬粉末Ts≈（0.3—0.4）Tm無機(jī)鹽類Ts≈0.57Tm硅酸鹽類Ts≈（0.8—0.9）Tm1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論1.燒結(jié)現(xiàn)象1.4特種陶瓷的燒結(jié)燒結(jié)與熔融相同點(diǎn)：都是由原子熱振動(dòng)而1.4特種陶瓷的燒結(jié)

按照燒結(jié)時(shí)是否出現(xiàn)液相，可將燒結(jié)分為兩類：

固相燒結(jié)液相燒結(jié)燒結(jié)溫度下基本上無液相出現(xiàn)的燒結(jié)，如高純氧化物之間的燒結(jié)過程。有液相參與下的燒結(jié)，如多組分物系在燒結(jié)溫度下常有液相出現(xiàn)。1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論1.燒結(jié)現(xiàn)象1.4特種陶瓷的燒結(jié)按照燒結(jié)時(shí)是否出現(xiàn)液相，可將燒結(jié)分為1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論2、燒結(jié)動(dòng)力粉狀物料的表面能大于多晶燒結(jié)體的晶界能，這就是燒結(jié)的推動(dòng)力。γSV>γGB1）能量差能量差、壓力差、空位差如：粒度為1μm的材料燒結(jié)后，△G↓8.3J/g；α-石英與β-石英之間的多晶轉(zhuǎn)變時(shí)，△G1.7KJ/mol；一般化學(xué)反應(yīng)前后能量變化，超過200KJ/mol.燒結(jié)不能自發(fā)進(jìn)行，必須對(duì)粉體加以高溫，才能促使粉末體轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)體。由于熱力學(xué)更穩(wěn)定，所以燒結(jié)是一個(gè)不可逆過程。燒結(jié)的難易以γGB晶界能/γSV表面能比值來衡量：γGB/γSV↑，燒結(jié)越困難1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論粉狀物1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論2、燒結(jié)動(dòng)力

被水膜包裹的兩固體球的粘附

1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論1.4特種陶瓷的燒結(jié)由表面張力作用產(chǎn)生的壓力差：或2）壓力差3）空位差顆粒的彎曲表面上存在有壓力差顆粒表面上的空位濃度與內(nèi)部濃度之差1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論2、燒結(jié)動(dòng)力1.4特種陶瓷的燒結(jié)由表面張力作用產(chǎn)生的壓力差：或2）壓力1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論3、燒結(jié)過程中的物質(zhì)傳遞燒結(jié)過程除了要有推動(dòng)力外還必須有物質(zhì)的傳遞過程，這樣才能使氣孔逐漸得到填充，使坯體由疏松變得致密。氣相傳質(zhì)——蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)流動(dòng)傳質(zhì)塑性流動(dòng)粘性流動(dòng)溶解-沉淀傳質(zhì)

固相燒結(jié)相結(jié)液燒1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.1特種陶瓷燒結(jié)理論氣相傳1.4特種陶瓷的燒結(jié)一、特種陶瓷燒結(jié)理論二、燒結(jié)過程中的晶粒生長(zhǎng)三、陶瓷燒結(jié)過程的影響因素

1.4.1特種陶瓷燒結(jié)概論1.4特種陶瓷的燒結(jié)一、特種陶瓷燒結(jié)理論1.4.1特種陶1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.2燒結(jié)過程中的晶粒生長(zhǎng)

——與燒結(jié)傳質(zhì)過程同時(shí)進(jìn)行

1、基本概念

2）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(zhǎng)大過程。1）晶粒生長(zhǎng)：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。3）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(zhǎng)大的過程，又稱晶粒異常長(zhǎng)大和晶粒不連續(xù)生長(zhǎng)。1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.2燒結(jié)過程中的晶粒生長(zhǎng)1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.2燒結(jié)過程中的晶粒生長(zhǎng)

——與燒結(jié)傳質(zhì)過程同時(shí)進(jìn)行

2、晶粒生長(zhǎng)實(shí)質(zhì)

晶粒長(zhǎng)大不是小晶粒相互粘結(jié)，而是晶界移動(dòng)的結(jié)果；晶粒生長(zhǎng)取決于晶界移動(dòng)的速率。動(dòng)力：晶界兩邊物質(zhì)的自由焓之差G使晶界向曲率中心移動(dòng)；小晶粒長(zhǎng)大，界面能

晶界結(jié)構(gòu)(A)及原子躍遷的能量變化最終：晶界平直化，界面兩側(cè)自由能相等為止。1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.2燒結(jié)過程中的晶粒生長(zhǎng)晶粒長(zhǎng)大的幾何情況：

晶界上有界面能作用，晶粒形成一個(gè)與肥皂泡沫相似的三維陣列；

邊界表面能相同，界面夾角呈1200夾角，晶粒呈正六邊形；實(shí)際表面能不同，晶界有一定曲率，

使晶界向曲率中心移動(dòng)。

晶界上雜質(zhì)、氣泡如果不與主晶相形成液相，則阻礙晶界移動(dòng)。1.4特種陶瓷的燒結(jié)晶粒長(zhǎng)大的幾何情況：1.4特種陶瓷的燒結(jié)晶界移動(dòng)

氣孔位于晶界上移動(dòng)？阻礙？影響因素：晶界曲率；氣孔直徑、數(shù)量；氣孔作為空位源向晶界擴(kuò)散的速度氣孔內(nèi)氣體壓力大?。话鼩饪椎木Я?shù)。1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.2燒結(jié)過程中的晶粒生長(zhǎng)晶界移動(dòng)氣孔位于晶界上移動(dòng)？影響因素：1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4特種陶瓷的燒結(jié)一、特種陶瓷燒結(jié)理論二、燒結(jié)過程中的晶粒生長(zhǎng)三、陶瓷燒結(jié)過程的影響因素

1.4.1特種陶瓷燒結(jié)概論1.4特種陶瓷的燒結(jié)一、特種陶瓷燒結(jié)理論1.4.1特種陶1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.3陶瓷燒結(jié)過程的影響因素?zé)Y(jié)溫度、時(shí)間和粉體粒度；添加劑：促進(jìn)燒結(jié)；阻滯劑：阻礙晶粒長(zhǎng)大，控制燒結(jié)速度；燒結(jié)氣氛、壓力。1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.3陶瓷燒結(jié)過程的影響因素1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.3陶瓷燒結(jié)過程的影響因素一、燒結(jié)溫度和時(shí)間的影響

1、燒結(jié)溫度2、燒結(jié)時(shí)間T↑，P蒸↑，D擴(kuò)↑，η↓，促進(jìn)燒結(jié)T過高：1）浪費(fèi)燃料，不經(jīng)濟(jì)；2）促使二次再結(jié)晶，使制品性能惡化；

3）液相量增多，η急劇下降，使制品變形。延長(zhǎng)t↑，會(huì)不同程度的促進(jìn)燒結(jié)的完成；但是，在燒結(jié)后期，不合理的延長(zhǎng)t↑↑，會(huì)加劇二次再結(jié)晶的作用，得不到致密的制品。1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.3陶瓷燒結(jié)過程的影響因素二、原始粉料粒度的影響

1、物料粒度r↓，總表面能，則：

1）燒結(jié)推動(dòng)力↑；2）原子擴(kuò)散距離↓；3）液相中的溶解度↑。使燒結(jié)過程加速例如：粒度r由2μm→0.5μm，燒結(jié)速率，↑64倍，相當(dāng)于燒結(jié)溫度降低了150～300℃。1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.1.3陶瓷燒結(jié)過程的影響因素二、原始粉料粒度的影響1、物料粒度r↓，總表面能，則第4次課特種陶瓷的燒結(jié)課件當(dāng)添加物能與燒結(jié)物形成固溶體時(shí)，將使晶格畸變而得到活化。故可降低燒結(jié)溫度，使擴(kuò)散和燒結(jié)速度增大，這對(duì)于形成缺位型或間隙型固溶體尤為強(qiáng)烈。三、外加劑的作用

1、外加劑與燒結(jié)主體形成固溶體例如：在Al2O3燒結(jié)中，通常加入少量Cr2O3或TiO2促進(jìn)燒結(jié)燒結(jié)時(shí)若有適當(dāng)?shù)囊合?，往往?huì)大大促進(jìn)顆粒重排和傳質(zhì)過程。添加物能在較低溫度下產(chǎn)生液相以促進(jìn)燒結(jié)。2、外加劑與燒結(jié)主體形成液相添加物本身熔點(diǎn)較低；添加物與燒結(jié)物形成多元低共熔物。當(dāng)添加物能與燒結(jié)物形成固溶體時(shí)，將使晶格畸變而得到活化。故可外加劑與燒結(jié)物成形成的新的化合物包裹于表面，會(huì)抑制晶界移動(dòng)速率，防止晶粒的異常長(zhǎng)大，促使坯體致密化的進(jìn)行。3、外加劑與燒結(jié)主體形成化合物——抑制晶粒長(zhǎng)大例如：在Al2O3燒結(jié)中，加入MgO或MgF2，高T下，形成MgAl2O4（尖晶石）。4、外加劑阻止晶型轉(zhuǎn)變有些氧化物在燒結(jié)時(shí)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變并伴有較大體積效應(yīng)，這就會(huì)使燒結(jié)致密化發(fā)生困難，并容易引起坯體開裂；這時(shí)若能選用適宜的掭加物加以抑制，即可促進(jìn)燒結(jié)。例如：在ZrO2中加入5％的CaO。外加劑與燒結(jié)物成形成的新的化合物包裹于表面，會(huì)抑制晶界移動(dòng)速1.4特種陶瓷的燒結(jié)一、特種陶瓷的燒結(jié)概論二、特種陶瓷的燒結(jié)方法

1.4特種陶瓷的燒結(jié)一、特種陶瓷的燒結(jié)概論1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法普通燒結(jié)低溫?zé)Y(jié)熱壓燒結(jié)氣氛燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)其它燒結(jié)方法1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法普通燒結(jié)（常壓燒結(jié)）：

又稱無壓燒結(jié)。屬于在大氣壓條件下坯體自由燒結(jié)的過程。在無外加動(dòng)力下材料開始燒結(jié)，溫度一般達(dá)到材料的熔點(diǎn)０.５－０.８即可。在此溫度下固相燒結(jié)能引起足夠原子擴(kuò)散，液相燒結(jié)可促使液相形成或由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生液相促進(jìn)擴(kuò)散和粘滯流動(dòng)的發(fā)生。

1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法普通燒結(jié)（常壓燒結(jié)）：1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種普通燒結(jié)（常壓燒結(jié)）：1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法高溫隧道窯普通燒結(jié)（常壓燒結(jié)）：1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種普通燒結(jié)（常壓燒結(jié)）：1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法實(shí)驗(yàn)用電爐普通燒結(jié)（常壓燒結(jié)）：1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種普通燒結(jié)（常壓燒結(jié)）：1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法最高使用溫度2500℃專門用于高新材料的燒結(jié),如常壓燒結(jié)碳化硅、氮化硅、其他復(fù)合材料的燒結(jié)。HTF-300無壓燒結(jié)碳化硅生產(chǎn)爐普通燒結(jié)（常壓燒結(jié)）：1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法2、低溫?zé)Y(jié)（p74)低溫?zé)Y(jié)方法主要有以下幾種：

1）引入添加劑；

①使晶格空位增加，易于擴(kuò)散；②使液相在較低的溫度下生成，使晶體能粘性流動(dòng)。

2）壓力燒結(jié)（熱壓燒結(jié)）；3）使用易于燒結(jié)的粉料（如超細(xì)粉）1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法3、熱壓燒結(jié)對(duì)于同一材料而言，壓力燒結(jié)與常壓燒結(jié)相比，燒結(jié)溫度低的多，燒結(jié)體中氣孔率也低，所得的燒結(jié)體致密。且較低的溫度抑制了晶粒生長(zhǎng)，具有較高的強(qiáng)度。①一般熱壓法②高溫等靜壓法1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法①一1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法3、熱壓燒結(jié)①一般熱壓法

是對(duì)較難燒結(jié)的粉料或生坯在模具內(nèi)施加壓力，同時(shí)升溫?zé)Y(jié)的工藝。加壓操作有：恒壓法；分段加壓法；高溫加壓法；真空熱壓法；氣氛熱壓法；連續(xù)熱壓法等。熱壓裝置示意圖1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法3、熱壓燒結(jié)①一般熱壓法真空熱壓燒結(jié)爐主要技術(shù)參數(shù)：

1.最高溫度：2000℃（也可做2300℃）2.工作區(qū)尺寸：Ф160χ160mm3.額定功率：40KW4.極限真空度：6.67χ10-3Pa5.液壓系統(tǒng)壓強(qiáng)：>16MPa6.壓力輸入：電動(dòng)壓力線性可調(diào)7.壓頭直徑：80-120mm（由用戶選擇）8.顯示方式：位移、壓力數(shù)字顯示1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法真空熱壓1.4特種陶瓷的燒結(jié)1.4.2特種陶瓷的燒結(jié)方法3、熱壓燒結(jié)②高溫等靜壓法

該方法適合制作形狀較復(fù)雜的制品，而且材料的性能隨著制品密度均勻性的改善而提高，比一