第九章 烧结分析
材料科学基础第九章烧结
材料科学基础第九章烧结
二. 溶解-沉淀传质
1. 条件：
❖显著的液相量
❖固相在液相内有显著的可溶性
❖液相润湿固相
2. 原因(推动力)：颗粒的表面能
3. 过程： 颗粒重排
溶解-沉淀传质
材料科学基础第九章烧结
❖颗粒重排：
颗粒在毛细管力作用下，通过粘性流动或在一些 颗粒间接触点上由于局部应力的作用而重新排列， 使堆积更致密。 致密化速率与粘性流动相应，线收缩与时间呈线 性关系：
材料科学基础第九章烧结
粘性蠕变通过粘度系数(η)把粘性蠕变速率(ε)与
应力(σ)联系起来 ，
又 KTd 2 8D* 8D* KTd 2
粘性蠕变产生区域：晶界区域、位错区域
材料科学基础第九章烧结
❖动力学关系：
烧结模型：双球模型(中心距缩短)
颈部增长公式：
x
( 3
1
)2
1
r 2
1
t 2
1、 推动力：粉末物料的表面能大于多晶烧结体的晶界 能 2、 衡量指标：通常用晶界能γGB和表面能γ SV之比值来衡 量烧结的难易。 GB S越V 小越易烧结。
❖对球形颗粒：弯曲表面由于表面张力而造成的压差 P 2
r
❖对非球形曲面： P ( 1 1 )
r1 r2
❖烧结的推动力： G VP
烧成后期空隙率：
6D*
Pt 2KT3L(tf t)
材料科学基础第九章烧结
材料科学基础第九章烧结
第三节 液相参与的烧结
液相烧结特点和类型：
凡有液相参加的烧结过程称为液相烧结。 液相烧结与固相烧结的异同点：
相同点：烧结的推动力都是表面能，烧结过程都是 由颗粒重排、气孔充填和晶粒生长等阶段组成 不同点：由于流动传质比扩散传质快，因而液相烧 结致密化速率高，可使坯体在比固态烧结温度低得 多的情况下获得致密的烧结体；影响液相烧结的因 素比固相烧结更为复杂，为定量研究带来困难。
《无机材料科学基础》第9章烧结
烧结和熔融 烧结是在远低于熔融温度下进行的，至少有一组元处于固 熔融则所有组元转变为液相 烧结和熔融的关系： 金属粉末：Ts≈(0.3---0.4)TM 盐 类：Ts≈0.57 TM 硅 酸 盐：Ts≈(0.8---0.9)TM
态
3、烧结与固相反应
固相反应：至少有两个组份参加，产物不同于任一反应物 烧结：可单或多组分，不发生化学反应，表面能推动下实现致密化的过程
3、烧结程度表征
（１）、气孔率 （２）烧结体密度 （４）强度 （5）晶粒尺寸 （7）坯体收缩率 (8)相对密度
（３）电阻 （6）吸水率
９．１．２与烧结有关的一些概念 １、烧结与烧成 烧结：仅指粉料经加热而致密化的物理过程 烧成：包括粉料在加热过程中发生的一切物理和化学变 化 例如：气体排除、相变、熔融；氧化、分解、固相 反应等
r r 将代入 Fx , , Fρ ，考虑 sin θ ≈ θ 2 2
，得
r F = γ ⋅θ 2 (ρ − x) A = AB∗ BC = ρ ∗ xθ
γ ∗θ (ρ − x) 1 1 =γ − σ = F A= 2 x ρ xρθ γ Qx >> ρ,∴σ ≈ − ρ
空位浓度差导致的晶格扩散是颗粒中心逼近的原因
3、扩散传质途径
4、扩散分期 、 （1）初期：表面扩散显著，空隙表面光滑和气孔球形化，坯 体收缩小（1%） 由9—16知颈部与晶体内浓度差 ∆ 2 C = [C 0 ]σΩ σ=γ
∆C = [C 0 ]γΩ
ρ
代入得
9—17 每秒从每厘米周长上扩散离开颈部的空位扩散流量 9—18 J = 4 DV ∆C DV:空位扩散系数，如D*自扩散系数， DV=
F x = γ AD = γ BC Fρ = γ AB = γ CD
第九章烧结复习习题及提纲
习题1．烧结推动力是什么? 它可凭哪些方式推动物质的迁移，各适用于何种烧结机理? 2．烧结过程是怎样产生的，各阶段的特征是什么?3．下列过程中哪一个能使烧结体强度增大，而不产生坯体宏观上的收缩? 试说明之。
(a)蒸发冷凝；(b)体积扩散；(c)粘性流动；(d)表面扩散；(e)溶解沉淀4．某氧化物粉末的表面能是1000erg/cm2，烧结后晶界能是550 erg/cm2，今用粒径为1μm的粉料(假定为立方体)压成1cm3的压块进行烧结，试计算烧结时的推动力。
5．试就(a)推动力来源；(b)推动力大小；(c)在陶瓷系统的重要性来区别初次再结晶，晶粒长大和二次再全结晶。
6．有人试图用延长烧结时间来提高产品致密度，你以为此法是否可行．为什么了？7．假如直径为5μm的气封闭在表而张力为280达因／厘米的玻璃内，气孔内氮气压力是0.8大气压，当气体压力与表面张力产生的负压平衡时，气孔尺寸是多少?8. 在1500℃，MgO正常的晶粒长大期间．观察到晶体在1小时内从直径从1μm 长大到10μm，在此条件下，要得到直径20μm的晶粒，需烧结多长时间?如已知晶界扩散活化能为60KCal／mol，试计算在1600℃下4小时后晶粒的大小，为抑制晶粒长大，加入少量杂质，在1600℃下保温4小时，晶粒大小又是多少?9．假定NiCr2O4的表面能为600erg／cm2，由半径0.5μm的NiO和Cr2O3粉末合成尖晶石。
在1200℃和1400℃时Ni2+和Cr3+离子的扩散系数分别为：Ni2+在NiO中D1473=1×10-11；D1673=3×10-10cm2/s；Cr3+在Cr2O3中D1473=7×10-11；D1673=10-9cm2/s，求在1200℃和1400℃烧结时，开始1秒的线收缩率是多少？（假定扩散粒子的半径为0.59Å) 10．材料的许多性能如强度、光学性能等要求其晶粒尺寸微小且分布均匀，工艺上应如何控制烧结过程以达到此目的?11．试分析二次再结晶过程对材料性能有何种效应?12．特种烧结和常规烧结有什么区别?试举例说明。
第九章复习题答案
第九章一、判断正误1、烧结中始终可以只有一相是固态。
2、液相烧结与固相烧结的推动力都是表面能。
3、二次再结晶对坯体致密化有利。
4、扩散传质中压应力区空位浓度<无应力区空位浓度<张应力区空位浓度。
5、晶粒长大源于小晶体的相互粘结。
6、一般来说，晶界是气孔通向烧结体外的主要扩散通道。
一般来说，晶界是杂质的富集之地。
二、填空烧结的主要传质方式有：蒸发-凝聚传质、扩散传质、流动传质和溶解-沉淀传质_四种，这四种传质过程的坯体线收缩ΔL/L与烧结时间的关系依次为ΔL/L=0、ΔL/L～t2/5、ΔL/L～t和ΔL/L～t1/3。
三、选择1、在烧结过程中，只改变气孔形状不引起坯体收缩的传质方式是（）。
a．表面扩散b．流动传质c．蒸发-凝聚d．晶界扩散2、在烧结过程中只改变坯体中气孔的形状而不引起坯体致密化的传质方式是（）。
a. 流动传质b. 蒸发—凝聚传质c. 溶解—沉淀d. 扩散传质四、问答题1、典型的传质过程有哪些？各采用什么烧结模型？分析产生的原因是什么？典型的传质过程有：固相烧结的蒸发-凝聚传质、扩散传质，液相烧结的流动传质、溶解-沉淀传质。
固相烧结的蒸发-凝聚传质过程采用中心距不变的双球模型。
固相烧结的扩散传质、液相烧结的流动传质、溶解-沉淀传质过程采用中心距缩短的双球模型。
2、试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力。
并比较两者的大小？解：烧结推动力是粉状物料的表面能（γsv）大于多晶烧结体的晶界能（γgb），即γsv>γgb。
晶粒生长的推动力是晶界两侧物质的自由焓差，使界面向晶界曲率半径小的晶粒中心推进。
烧结的推动力较大，约为4~20J/g。
晶粒生长的推动力较小，约为0.4~2J/g，因而烧结推动力比晶粒生长推动力约大十倍。
3、在制造透明Al2O3材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度保温半小时，测得晶粒尺寸为10μm，试问保温2小时，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温2小时，晶粒尺寸又有多大？解：（1）G2-G02=kt 102-22 =k.0.5 得k＝192 G2-G02=192*2 G≈20μm(2) G3-G03=kt k=1984 G3 –8=1984*2 G≈15.84μm4、在烧结期间，晶粒长大能促进胚体致密化吗？晶粒长大能够影响烧结速率吗？试说明之解：晶粒生长是界面移动的结果，并不是原子定向向颈部迁移得传质过程，因而不能促进胚体致密化。
9-1烧结
lμm的材料烧结时所发生的自由焓降低 粒度为 lμm的材料烧结时所发生的自由焓降低 8.3J/g. 石英转变为β 石英时, 约8.3J/g.而 α-石英转变为β-石英时,能量变 化为1.7kJ mol,一般化学反应前后能量变化> 1.7kJ/ 化为1.7kJ/mol,一般化学反应前后能量变化> 200kJ/mol.因此, 200kJ/mol.因此,烧结推动力与相变和化学反应 的能量相比还是极小的.常温下需很长的时间进行, 的能量相比还是极小的.常温下需很长的时间进行, 才能达到致密化,因此,需对粉体加以高温, 才能达到致密化,因此,需对粉体加以高温,才能 促使粉末体在短时转变为烧结体. 促使粉末体在短时转变为烧结体.
烧结过程中性质的变化: 烧结过程中性质的变化:
2.烧结的宏观定义: 烧结的宏观定义: 烧结的宏观定义 根据烧结粉末体所出现的宏观变化可以认为, 根据烧结粉末体所出现的宏观变化可以认为, 烧结是把一种或多种固体粉末经过成型 是把一种或多种固体粉末经过成型, 烧结是把一种或多种固体粉末经过成型,在低于熔 点的高温作用下, 点的高温作用下,通过坯体间颗粒相互粘结和物质 传递,气孔排除,体积收缩,强度提高, 传递,气孔排除,体积收缩,强度提高,逐渐变成 具有一定的几何形状和坚固整体的过程. 具有一定的几何形状和坚固整体的过程. 应该注意, 应该注意,烧结过程是一个复杂的物理化学过 除物理变化外,有的还伴随有化学反应, 程.除物理变化外,有的还伴随有化学反应,如固 相反应等.但烧结过程并不依赖予化学反应的作用; 相反应等.但烧结过程并不依赖予化学反应的作用; 这是烧结区别于固相反应的一个重要方面. 这是烧结区别于固相反应的一个重要方面.纯氧化 物的烧结过程, 物的烧结过程,粉末冶金制品的烧结过程等都不依 赖于化学反应的作用. 赖于化学反应的作用.
材料科学基础 第九章 烧结
3、影响因素 1）烧结时间t
1 x t 3 r
如：氯化钠球的烧结实验。 对蒸发-凝聚传质，延长时间 对烧结影响不大
2）压力影响 Po
对于硅铝酸盐材料蒸气压低，影响较小。 如：Al2O3，在1200℃时，P ＝ 10-41Pa
图9-5 氯化钠在750º C时球形颗粒之 间颈部生长
3）颗粒半径 r 的影响
被水膜包裹的两 固体球的粘附
粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体颗粒间产生键合、靠拢 和重排．并开始形成接触区的一个原因。 粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触面积，故粉状 物料间的粘附作用特别显著。
二、物质的传递—传质过程
P
气相传质 — 蒸发-凝聚传质 扩散传质 流动传质
C
塑性流动 粘性流动
f
dv dx
固 相 烧 结
F dv S dx
溶解-沉淀传质 C f
液相 烧结
（一）蒸发-凝聚传质
1、概念 固体颗粒表面的曲率不同，高温时在系统的不同部位有不同的蒸 气压，质点通过蒸发，再凝聚实现质点的迁移，促进烧结。 这种传质过程一般在高温下蒸气压较大的系统内发生，如PbO、 BeO、FeO、ZnO、TiO2的烧结。 模型：在球形颗粒表面有正曲率半 径，在两个颗粒联接处有一个小的 负曲率半径的颈部。 物质将从蒸气压高的凸形颗粒表面 蒸发，通过气相传递而凝聚到蒸气 压低的凹形颈部，从而使颈部逐渐 被填充。
当 r↓ ，x/r↑ 。 一般烧结 r ＝10m。
x 3 M P 0 r 2 R 3 2T 3 2 d 2
23
r 2 3 t 1 3
13
4）温度 T 的影响
T↑，P0↑↑， x/r↑↑。
材料科学基础相图习题
1．下图为一匀晶相图，试根据相图确定：(1) w B ＝0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？(2)若开始凝固出来的固体成分为w B ＝0.60，合金的成分为多少？(3)成分为w B ＝0.70的合金最后凝固时的液体成分为多少？(4)若合金成分为w B ＝0.50，凝固到某温度时液相成分w B ＝0.40，固相成分为w B ＝0.80，此时液相和固相的相对量各为多少?2．Mg —Ni 系的一个共晶反应为：0.23520.546g g i M L M N 纯＋（570℃）设w Ni 1＝C 1为亚共晶合金，w Ni 2＝C 2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C 1合金中的α总量为C 2台金中α总量的2.5倍，试计算C 1和C 2的成分。
3．根据A-B 二元相图(1) 写出图中的液相线、固相线、α和β相的溶解度曲线、所有的两相区及三相恒温转变线；(2) 平衡凝固时，计算A-25B(weight%)合金（y ’y 线）凝固后粗晶β相在铸锭中的相对含量；(3) 画出上述合金的冷却曲线及室温组织示意图。
4．根据如图所示的二元共晶相图（1）分析合金I，II的结晶过程，并画出冷却曲线；（2）说明室温下合金I，II的相和组织是什么，并计算出相和组织组成物的相对含量？（3）如果希望得到共晶组织加上5％的 初的合金，求该合金的成分。
（4）合金I，II在快冷不平衡状态下结晶，组织有何不同？5．指出下列相图中的错误：6.试述二组元固溶体相的吉布斯（Gibbs）自由能-成分曲线的特点?(a) (b)(c) (d)1．下图为一匀晶相图，试根据相图确定：(1) w B ＝0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？(2)若开始凝固出来的固体成分为w B ＝0.60，合金的成分约为多少？(3)成分为w B ＝0.70的合金最后凝固时的液体成分约为多少？(4)若合金成分为w B ＝0.50，凝固到某温度时液相成分w B ＝0.40，固相成分为w B ＝0.80，此时液相和固相的相对量各为多少?第1题答案2．Mg —Ni 系的一个共晶反应为：0.23520.546g g i M L M N 纯＋（570℃）设w Ni 1＝C 1为亚共晶合金，w Ni 2＝C 2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C 1合金中的α总量为C 2台金中α总量的2.5倍，试计算C 1和C 2的成分。
烧结指标报告分析
烧结指标报告分析1. 引言烧结是一种重要的冶金过程，用于将粉末颗粒熔结在一起形成固体块状材料。
烧结指标报告分析是对烧结过程中的关键指标进行系统评估和分析，以便为优化烧结工艺和提高产品质量提供指导。
本文将对烧结指标报告进行详细分析，包括烧结温度、烧结时间、烧结效率等关键指标的测量结果和评估。
通过这些指标的分析，我们可以了解烧结过程中的问题和潜在风险，从而采取相应的措施来改善烧结工艺和提高产品质量。
2. 烧结温度分析烧结温度是影响烧结质量的重要因素之一。
在烧结过程中，温度的高低直接影响到烧结颗粒的熔结程度和结晶度。
通过对烧结温度的测量和分析，我们可以评估烧结过程中的温度控制是否稳定以及是否存在温度异常。
根据烧结指标报告，我们可以获得不同时间段内的烧结温度数据。
通过对这些数据的分析，我们可以发现温度的波动情况、峰值温度以及温度变化趋势。
同时，我们还可以与烧结工艺参数进行对比，以确定温度异常的原因，并采取相应的措施进行调整。
3. 烧结时间分析烧结时间是指将颗粒物料放置在高温环境中进行加热和熔结的时间。
烧结时间的长短直接影响到烧结颗粒的熔结程度和结晶度。
通过对烧结时间的测量和分析，我们可以评估烧结过程中的时间控制是否合理以及是否存在时间不足或过长的情况。
烧结指标报告中提供了不同烧结时间下的烧结效果数据。
通过对这些数据的分析，我们可以比较不同烧结时间下的烧结结果，找出最佳的烧结时间范围。
同时，我们还可以结合其他指标数据，如烧结温度和烧结压力，综合评估烧结时间对产品质量的影响。
4. 烧结效率分析烧结效率是指烧结过程中原料的转化率和产品的质量利用率。
烧结效率直接影响到产品的成品率和质量稳定性。
通过对烧结效率的测量和分析，我们可以评估烧结过程中的能源利用效率和原料利用效率。
烧结指标报告中包含了不同烧结工艺条件下的烧结效果数据。
通过对这些数据的分析，我们可以比较不同工艺条件下的烧结效率，找出最佳的工艺参数组合。
同时，我们还可以结合其他指标数据，如烧结温度和烧结时间，综合评估烧结效率对产品质量的影响。
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可见，作为烧结动力的表面张力可以通 过流动、扩散和液相或气相传递等方式 推动物质的迁移。
三、 烧结机理
(一) 颗粒的粘附作用 (二) 物质的传递
1. 颗粒的粘附作用 例子： 把两根新拉制的玻璃纤维相互叠放在一起，
金属粉末Ts≈（0.3—0.4）Tm 无机盐类Ts≈0.57Tm 硅酸盐类Ts≈（0.8—0.9）Tm
实验表明，物料开始烧结温度常与其质点开始明 显迁移的温度一致。
§9.2 烧结过程及机理 一、烧结过程
首先从烧结体的宏观性质随温度的变化上
来认识烧结过程。
+ (一)烧结温度对烧结体性质的影响
+
图1是新鲜的电解铜粉(用氢还原的)， 经高压成型后，在氢气气氛中于不同温度 下烧结2小时然后测其宏观性质：密度、比 电导、抗拉强度，并对温度作图，以考察 温度对烧结进程的影响。
烧结中期
烧结后期
二、烧结推动力
粉体颗料尺寸很小，比表面积大，具有
较高的表面能，即使在加压成型体中，颗料
间接面积也很小，总表面积很大而处于较高 能量状态。根据最低能量原理，它将自发地 向最低能量状态变化，使系统的表面能减少。
烧结是一个自发的不可逆过程，系统表面 能降低是推动烧结进行的基本动力。
表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压P分别低 于和高于平面表面处的蒸气压Po，并可以用开尔 文本公式表达： 对于球形表面
二、烧结的定义
压制成型后的粉状物料在低于熔点的高温 作用下、通过坯体间颗粒相互粘结和物质传递， 气孔排除，体积收缩，强度提高、逐渐变成具 有一定的几何形状和坚固坯体的过程。 通常用烧结收缩、强度、容重、气孔率等物理 指标来衡量物料烧结质量的好坏。
三、烧结分类
按照烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类： 固相烧结
一、烧结理论的研究与发展
烧结理论的研究对象是粉末和颗粒的烧结 过程。这些粉末和颗粒可以使晶体或非晶体、 工程陶瓷或耐火材料、金属或合金。
烧结理论的第一次飞跃：1945年，晶体中的粘性流 动、颗粒表面的原子迁移； 烧结理论的第二次飞跃：1971年，第二层面的烧结 理论研究 烧结理论的第三次飞跃：计算机模拟技术的运用和 发展。
从材料动力学角度看烧结过程的进行依赖于 基本动力学过程—扩散，因为所有传质过程都依 赖于质点的迁移。烧结中粉末物料的种种变化， 还会涉及到相变、固相反应等动力学过程，尽管 烧结的进行在某些情况下并不依赖于相变和固相 反应等的进行。烧结是材料高温动力学中最复杂 的动力学过程。 无机材料的性能不仅与材料组成有关，还与 材料的显微结构有关。配方相同而晶粒尺寸不同 的烧结体，由于晶粒在长度或宽度方向上某些参 数的叠加，晶界出现频率不同，从而引起材料性 能的差异。如细小晶粒有利于强度的提高；材料 的电学和磁学参数在很宽的范围内也收到晶粒尺 寸的影响；
第九章 烧 结
烧 结 过 程 及 机 理
概
述
再 结 晶 和 晶 粒 长 大
影 响 烧 结 的 因 素
§9.1 概述
烧结过程是一门古老的工艺,早在公元前3000 年，人类就掌握了这门工艺，但对烧结理论的研 究和发展仅开始于20世纪中期。现在，烧结过程 在许多工业部门得到广泛应用，如陶瓷、耐火材 料、粉末冶金、超高温材料等生产过程中都含有 烧结过程。 烧结的目的是把粉状材料转变为致密体，并 赋予材料特有的性能。烧结得到块体材料是一种 多晶材料，其显微结构由晶体、玻璃体和气孔组 成。烧结直接影响显微结构中晶粒尺寸和分布、 气孔大小形状和分布及晶界的体积分数等。
烧结温度下基本上无液相出 现的烧结，如高纯氧化物之 间的烧结过程。 有液相参与下的烧结，如多组 分物系在烧结温度下常有液相 出现。
液相烧结
近年来，在研制特种结构材料和功能材料的同时，产 生了一些新型烧结方法。如热压烧结，放电等离子体 烧结，微波烧结等。
三、烧结温度和熔点的关系
泰曼指出，纯物质的烧结温度Ts与其熔点Tm有如 下近似关系：
烧结过程的模型示意图
根据烧结性质随温度的变化，我们可以把烧结过程 用下图的模型来表示，以增强我们对烧结过程的感 性认识。
a)烧结前
b)烧结后
铁粉烧结的SEM照片
烧 结 过 程 的 三 个 阶 段
烧结初期
坯体中颗粒重排，接触处 产生键合，空隙变形、缩 小（即大气孔消失），固气总表面积没有变化。 传质开始，粒界增大，空 隙进一步变形、缩小，但 仍然连通，形如隧道。 传质继续进行，粒子长大， 气孔变成孤立闭气孔，密 度达到95%以上，制品强 度提高。
除晶粒尺寸外，微结构中的气孔常成为应力 的集中点而影响材料的强度；气孔又是光散射中 心而使材料不透明；烧结过程可以通过控制晶界 移动而抑制晶粒的异常生长，或通过控制表面扩 散、晶界扩散和晶格扩散而填充气孔，改善材料 性能。因此，当配方、原料粒度、成型等工序完 成后，烧结是使材料获得预期的显微结构以使材 料性能充分发挥的关键工序。 研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化。 对指导生产、控制产品质量，研制新型材料显得 特别重要。
比电导(Ω-1· cm-3)
密度(影响 l一比电导 2一拉力 3一密度
+ 结果与讨论： 随烧结温度的升高，比电导和抗拉强度增加。 曲线表明，在颗粒空隙被填充之前 (即气孔率
显著下降以前)，颗粒接触处就已产生某种键 合，使得电子可以沿着键合的地方传递，故 比电导和抗拉强度增大。 温度继续升高，物质开始向空隙传递，密度 增大。当密度达到理论密度的 90 ～ 95 ％后， 其增加速度显著减小，且常规条件下很难达 到完全致密。说明坯体中的空隙(气孔)完全排 除是很难的。
P 2M ln P0 RTr
（1）
对于非球形表面
P M 1 1 ln ( ) P0 RT r1 r2
（2）
表面凹凸不平的固体颗粒，其凸处呈正压，凹处呈负 压，故存在着使物质自凸处向凹处迁移。
如果固体在高温下有较高蒸气压，则可以通 过气相导致物质从凸表面向凹表面处传递。 此外若以固体表面的空位浓度 C 或固体溶解 度 L 分别代替式 2 中的蒸气压 P ，则对于空位 浓度和溶解度也都有类似于式 2的关系，并 能推动物质的扩散传递。