陶瓷中的擴散

第四章陶瓷的燒結與擴散作業(yè)題一1舉例分析陶瓷材料中離子晶體所占比例依據(jù)?

側重電負性角度2試分析組群狀硅酸鹽中綠寶石的晶體結構。3石英晶體與石英玻璃的主要區(qū)別是什么？繪圖說明。

旨在分析非晶態(tài)與晶態(tài)結構特征4試分析陶瓷燒結過程中的幾種物質傳遞方式。CompanyLogo第二章非晶態(tài)與玻璃結構石英晶體：[SiO4]有著嚴格的規(guī)則排列。石英玻璃：各[SiO4]都通過頂點連接成為三維空間網絡，而且[SiO4]的排列是無序的，缺乏對稱性和周期性的重復。CompanyLogo第二章非晶態(tài)與玻璃結構晶體：原子排列具有長程有序（晶格具有周期性）非晶體結構晶體結構非晶體：原子排列具有長程無序，但短程有序（晶格無周期性）建議：1）課下閱讀；2）總結歸納；

CompanyLogo第四章陶瓷的燒結與擴散4.1概述（了解燒結的過程與分類）4.2燒結參數(shù)及其對燒結性能的影響（掌握）4.3固相燒結過程及機理（了解）4.4液相燒結過程與機理（了解）4.5特色燒結方法（理解）4.6燒結設備（了解）4.7最佳燒成制度的確定（掌握）CompanyLogo第四章陶瓷的燒結與擴散4.5特色燒結方法4.5.1熱壓燒結4.5.2熱等靜壓4.5.3放電等離子體燒結4.5.4微波燒結4.5.5反應燒結4.5.6爆炸燒結第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.1熱壓燒結4.5特色燒結方法熱壓燒結（hotpressing）是在燒結過程中同時對坯料施加一定的壓力，加速了致密化的過程。所以熱壓燒結的溫度更低，燒結時間更短。熱壓技術已有70年歷史，最早用于碳化鎢和鎢粉致密件的制備?，F(xiàn)在已廣泛應用于陶瓷、粉末冶金和復合材料的生產。第四章陶瓷的燒結與擴散

熱壓裝置示意圖4.5.1熱壓燒結4.5特色燒結方法第四章陶瓷的燒結與擴散ZRYS-真空熱壓燒結爐系列4.5.1熱壓燒結4.5特色燒結方法第四章陶瓷的燒結與擴散VHPSF真空熱壓燒結爐主要技術數(shù)據(jù)：specification○最高溫度（maxtemp）:2000℃

○容量（capacity）15-180kg

○極限真空度（ultinmatepressure)2*10-3Pa

○壓升率（pressurerisingrate）≤0.67Pa/h

○熱區(qū)溫度均勻性（Tempuniformity)±5℃

○最高充氣壓力（Maxgaspressure)0.18Mpa

○液壓機壓力（Loadofhydraulicpress)500T4.5.1熱壓燒結4.5特色燒結方法第四章陶瓷的燒結與擴散真空熱壓燒結爐主要技術參數(shù)：○最高溫度：2000℃（也可做2300℃）○工作區(qū)尺寸：Ф160χ160mm○額定功率：40KW○極限真空度：6.67χ10-3Pa○液壓系統(tǒng)壓強：>16MPa○壓力輸入：電動壓力線性可調○壓頭直徑：80-120mm（由用戶選擇）○顯示方式：位移、壓力數(shù)字顯示4.5.1熱壓燒結4.5特色燒結方法第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.1熱壓燒結4.5特色燒結方法（1）所需的成型壓力僅為冷壓法的1/10（2）降低燒結溫度和縮短燒結時間，抑制了晶粒的長大。（3）易得到具有良好機械性能、電學性能的產品（燒成的陶

瓷晶粒度小）。（4）氣孔率接近于零，密度接近于理論密度。（5）能生產形狀較復雜、尺寸較精確的產品。（一）熱壓燒結的優(yōu)點熱壓法的缺點:連續(xù)熱壓燒結生產效率高，但設備與模具費用較高，又不利于過高過厚制品的燒制。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.1熱壓燒結4.5特色燒結方法（二）熱壓裝置和模具電阻間熱式感應間熱式電阻直熱式感應直熱式第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法等靜壓等靜壓技術是一種利用密閉高壓容器內制品在各向均等的超高壓壓力狀態(tài)下成型的超高壓液壓先進設備。等靜壓工作原理為帕斯卡定律：“在密閉容器內的介質（液體或氣體）壓強，可以向各個方向均等地傳遞?！钡褥o壓技術已有70多年的歷史，初期主要應用于粉末冶金的粉體成型；近20年來，等靜壓技術已廣泛應用于陶瓷鑄造、原子能、工具制造、塑料、超高壓食品滅菌和石墨等領域。等靜壓技術按成型和固結時的溫度高低，分為冷等靜壓、溫等靜壓、熱等靜壓三種不同類型。

第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法等靜壓與常規(guī)成型技術相比的特點（1）制品密度高，一般要比單向和雙向模壓成型高5～l5。熱等靜壓制品相對密度可達998％～99．09％。（2）壓坯的密度均勻一致。在模壓成型中，無論是單向、還是雙向壓制，都會出現(xiàn)壓坯密度分布不均現(xiàn)象。這種密度的變化在壓制復雜形狀制品時，往往可達到10%以上。這是由于粉料與鋼模之間的摩擦阻力造成的。等靜壓流體介質傳遞壓力，在各方向上相等。包套與粉料受壓縮大體一致，粉料與包套無相對運動，它們之間的摩擦阻力很少，壓力只有輕微地下降，這種密度下降梯度一般只有1%以下，因此，可認為坯體密度是均勻的。

第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法等靜壓與常規(guī)成型技術相比的特點（3）因為密度均勻．所以制作長徑比可不受限制，這就有利于生產棒狀、管狀細而長的產品。（4）等靜壓成型工藝，一般不需要在粉料中添加潤滑劑，這樣既減少了對制品的污染，又簡化了制造工序。（5）等靜壓成型的制品，性能優(yōu)異，生產周期短，應用范圍廣。等靜壓成型工藝的缺點：工藝效率較低，設備昴貴。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法等靜壓冷等靜壓技術(Cold

Isostatic

Pressing,簡稱CIP)冷等靜壓技術，是在常溫下，通常用橡膠或塑料作包套模具材料，以液體為壓力介質主要用于粉體材料成型，為進一步燒結，煅造或熱等靜壓工序提供坯體。一般使用壓力為100~630MPa。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法等靜壓美國AvureTechnologies公司冷等靜壓機超高壓容器第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法等靜壓溫等靜壓技術

溫等靜壓技術，壓制溫度一般在80～120℃下．也有在250~450℃下，使用特殊的液體或氣體傳遞壓力，使用壓力為300MPa左右。主要用于粉體物料在室溫條件下不能成型的石墨、聚酰胺橡膠材料等。以使能在升高的溫度下獲得堅實的坯體。

第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法等靜壓熱等靜壓技術(hot

isostatic

pressing，簡稱HIP)

熱等靜壓技術(HIP)，是一種在高溫和高壓同時作用下，使物料經受等靜壓的工藝技術，它不僅用于粉末體的固結．睫傳統(tǒng)粉末冶金工藝成型與燒結兩步作業(yè)一并完成．而且還用于工件的擴散粘結，鑄件缺陷的消除，復雜形狀零件的制作等。在熱等靜壓中，一般采用氬、氨等惰性氣體作壓力傳遞介質，包套材料通常用金屬或玻璃。工作溫度一般為1000~2200℃，工作壓力常為100~200MPa第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法等靜壓美國AvureTechnologies公司熱等靜壓機第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法基本原理：以氣體作為壓力介質，使材料（粉料、坯體或燒結體）在加熱過程中經受各向均衡的壓力，借助高溫和高壓的共同作用促進材料的致密化。目前，熱等靜壓技術的主要應用有：金屬和陶瓷的固結，金剛石刀具的燒結，鑄件質量的修復和改善，高性能磁性材料及靶材的致密化。熱等靜壓技術(hot

isostatic

pressing，簡稱HIP)第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法（一）熱等靜壓的優(yōu)點（1）陶瓷材料的致密化可以在比無壓燒結或熱壓燒結低得多的溫度下完成，可以有效地抑制材料在高溫下發(fā)生很多不利的發(fā)應或變化；（2）能夠在減少甚至無燒結添加劑的條件下，制備出微觀結構均勻且?guī)缀醪缓瑲饪椎闹旅芴沾蔁Y體；（3）可以減少乃至消除燒結體中的剩余氣孔，愈合表面裂紋，從而提高陶瓷材料的密度、強度；（4）能夠精確控制產品的尺寸與形狀，而不必使用費用高的金剛石切割加工，理想條件下產品無形狀改變。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法（一）熱等靜壓設備結構特點熱等靜壓設備由壓力容器、加熱爐、壓縮機、真空泵、冷卻裝置和計算機控制系統(tǒng)組成第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.2熱等靜壓燒結4.5特色燒結方法（二）熱等靜壓燒結工藝直接HIP工藝流程圖后HIP工藝流程圖第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.3放電等離子燒結4.5特色燒結方法放電等離子體燒結工藝(SparkPlasmaSintering，簡寫為SPS)（1）相關概念放電等離子燒結（SPS），是近年來發(fā)展起來的一種新型的快速燒結技術。它是利用放電等離子體進行燒結的。等離子體是指包含足夠多的正負電荷數(shù)目近于相等的帶電粒子的非凝聚系統(tǒng)。SPS技術利用的是采用直流放電法產生的等離子體，是一種熱等離子體，溫度可達5000K以上。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.3放電等離子燒結4.5特色燒結方法放電等離子體燒結工藝(SparkPlasmaSintering，簡寫為SPS)（2）SPS燒結原理SPS技術是通過將特殊電源控制裝置發(fā)生的ON-OFF直流脈沖電壓加到粉體試料上，除了能利用通常放電加工所引起的燒結促進作用（放電沖擊壓力和焦耳加熱）外，還有效利用脈沖放電初期粉體間產生的火花放電現(xiàn)象（瞬間產生高溫等離子體）所引起的燒結促進作用通過瞬時高溫場實現(xiàn)致密化的快速燒結技術。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.3放電等離子燒結4.5特色燒結方法放電等離子體燒結工藝(SparkPlasmaSintering，簡寫為SPS)（2）SPS燒結原理SPS的制造商Sumitomo公司的M.Tokita最早提出放電等離子燒結的觀點，他認為：粉末顆粒微區(qū)還存在電場誘導的正負極，在脈沖電流作用下顆粒間發(fā)生放電，激發(fā)等離子體，由放電產生的高能粒子撞擊顆粒間的接觸部分，使物質產生蒸發(fā)作用而起到凈化和活化作用，電能貯存在顆粒團的介電層中，介電層發(fā)生間歇式快速放電。

SPS燒結機理目前還沒有達成較為統(tǒng)一的認識，其燒結的中間過程還有待于進一步研究。第四章陶瓷的燒結與擴散放電等離子體形成的機理示意圖第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.3放電等離子燒結4.5特色燒結方法放電等離子體燒結工藝(SparkPlasmaSintering，簡寫為SPS)（3）SPS特點由于脈沖放電產生的放電沖擊波以及電子、離子在電場中反方向的高速流動，可使粉末吸附的氣體逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被擊穿，使粉末得以凈化、活化；由于脈沖是瞬間、斷續(xù)、高頻率發(fā)生，在粉末顆粒未接觸部位產生的放電熱，以及粉末顆粒接觸部位產生的焦耳熱，都大大促進了粉末顆粒原子的擴散，其擴散系數(shù)比通常熱壓條件下的要大得多，從而達到粉末燒結的快速化;第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.3放電等離子燒結4.5特色燒結方法放電等離子體燒結工藝(SparkPlasmaSintering，簡寫為SPS)（3）SPS特點ON-OFF快速脈沖的加入，使粉末內的放電部位及焦耳發(fā)熱部件，都會快速移動，使粉末的燒結能夠均勻化。使脈沖集中在晶粒結合處是SPS過程的一個特點。在燒結過程中，由于是局部發(fā)熱，熱量立即從發(fā)熱中心傳遞到顆粒表面和向四周擴散，頸部快速冷卻而使蒸汽壓低于其他部位，氣相物質凝聚在頸部而達成物質的蒸發(fā)-凝聚傳遞。SPS過程可以看作是顆粒放電、導電加熱和加壓綜合作用的結果。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.3放電等離子燒結4.5特色燒結方法放電等離子體燒結工藝(SparkPlasmaSintering，簡寫為SPS)（3）SPS燒結優(yōu)點①燒結溫度低（比HP和HIP低200-300℃）、燒結時間短（只需3-10min，而HP和HIP需要120-300min）、單件能耗低；②燒結機理特殊，賦予材料新的結構與性能；③燒結體密度高，晶粒細小，是一種近凈成形技術；④操作簡單，不像熱等靜壓那樣需要十分熟練的操作人員和特別的模套技術。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.3放電等離子燒結4.5特色燒結方法（3）SPS燒結設備1.上電極2.上壓頭3.粉末4.下壓頭5.下電極6.模具

第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.3放電等離子燒結4.5特色燒結方法（3）SPS燒結設備第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.3放電等離子燒結4.5特色燒結方法（4）SPS燒結工藝第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.3放電等離子燒結4.5特色燒結方法（4）SPS燒結體界面第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.4微波燒結4.5特色燒結方法微波燒結（MicrowaveSintering）是利用微波具有的特殊波段與材料的基本細微結構耦合而產生熱量，材料在電磁場中的介質損耗使材料整體加熱至燒結溫度而實現(xiàn)致密化的方法。目前，微波燒結技術已經被廣泛用于多種陶瓷復合材料的試驗研究。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.4微波燒結4.5特色燒結方法第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.4微波燒結4.5特色燒結方法（1）微波燒結的技術特點微波與材料直接耦合，導致整體加熱

由于微波的體積加熱，得以實現(xiàn)材料中大區(qū)域的零梯度均勻加熱，使材料內部熱應力減少，從而減少開裂、變形傾向。同時由于微波能被材料直接吸收而轉化為熱能，所以，能量利用率極高，比常規(guī)燒結節(jié)能80%左右。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.4微波燒結4.5特色燒結方法（1）微波燒結的技術特點微波燒結升溫速度快，燒結時間短

某些材料在溫度高于臨界溫度后，其損耗因子迅速增大，導致升溫極快。另外，微波的存在降低了活化能，加快了材料的燒結進程，縮短了燒結時間。短時間燒結晶粒不易長大，易得到均勻的細晶粒顯微結構，內部孔隙少，空隙形狀比傳統(tǒng)燒結的圓，因而具有更好的延展性和韌性。同時，燒結溫度亦有不同程度的降低。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.4微波燒結4.5特色燒結方法（1）微波燒結的技術特點微波可對物相進行選擇性加熱

由于不同的材料、不同的物相對微波的吸收存在差異，因此，可以通過選擇性和加熱或選擇性化學反應獲得新材料和新結構。還可以通過添加吸波物相來控制加熱區(qū)域，也可利用強吸收材料來預熱微波透明材料，利用混合加熱燒結低損耗材料。此外，微波燒結易于控制、安全、無污染。第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.4微波燒結4.5特色燒結方法（2）材料與微波的作用類型材料與微波的作用方式示意圖第四章陶瓷的燒結與擴散4.5.5反應燒結4.5特色燒結方法

反應燒結（reaction-bo