第十章固体烧结
武汉理工大学考研材料科学基础重点 第10章-烧结
第九章烧结烧结定义：1、传统定义：（宏观定义）一种或多种固体粉末经过成型，在加热到一定温度后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体的过程。
2、微观定义：由于固态中分子（或原子）的相互吸引，通过加热，使粉末体产生颗粒粘结，经过物质迁移使粉末产生强度并导致致密化和再结晶的过程。
第一节概述烧结的目的是把粉状材料转变为块体材料，并赋予材料特有的性能。
烧结得到的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。
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。
一、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整个的过程。
二、烧结分类固相烧结是指松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中，在一定的气氛保护下，保温一段时间的操作过程。
所设定的温度称为烧结温度，所用的气氛称为烧结气氛，所用的保温时间称为烧结时间。
液相烧结也是二元系或多元系粉末烧结过程，但烧结温度超过某一组元的熔点，因而形成液相。
活化烧结和液相烧结可以大大提高原子的扩散速率，加速烧结过程，因而出现了把它们统称为强化烧结的趋势。
对松散粉末或粉末压坯同时施以高温和外压，则是所谓的加压烧结。
热压是指对置于限定形状的石墨模具中的松散粉或对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧结过程。
热等静压是指对装于包套之中的松散粉末加热的同时对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。
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2、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态熔融则所有组元转变为液相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第二节烧结过程及机理一、烧结过程(一)烧结温度对烧结体性质的影响图5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。
材料物理化学 第十章 烧结 习题
4、 如将习题 10.4 中粉料粒度改为 16μm， 烧结至 x/r＝0.2， 各个传质需多少时间？ 若烧结 8h，各个过程的 x/r 又是多少？从两题计算结果，讨论粒度与烧结时间对 四种传质过程的影响程度。 解：蒸发－凝聚：颗粒粒度愈小烧结速率愈大。初期 x/r 增大很快，但时 间延长，很快停止；体积扩散：烧结时间延长，推动力减小。在扩散传质烧结过 程中，控制起始粒度很重要；粘性流动：粒度小为达到致密烧结所需时间短，烧 结时间延长，流变性增强；溶解－沉淀：粒度小，传质推动力大。烧结时间延长， 晶粒致密程度增加。
10、为了减小烧结收缩，可把直径为 1μm 的细颗粒（约 30％）和直径为 50μm 的粗颗粒进行充分混合，试问此压块的收缩速率如何？如将 1μm 和 50μm 以及 两种粒径混合料制成的烧结体 log（△L/L）的 logt 曲线分别绘在适当位置，将得 出什么结果？
解：烧结收缩有：
（1）
（2）
比较式（1）和式（2）是可见，在初期的重排阶段，相对收缩近似地和时间的
3、设有粉末压块，其粉料粒度为 5μm，若烧结时间为 2h 后，x/r＝0.1。若烧结 至 x/r ＝0.2，如果不考虑晶粒生长，试比较过蒸发－凝聚、体积扩散、粘性流 动、溶解－沉淀传质各需要多少时间？若烧结时间为 8h，各个过程的颈部 x/r 又 各是多少？ 解：根据查得各传质方式公式可得： 时间分别为 16h，64h，8h，128h，若 只烧结 8h，则 x/r 分别为 0.1× 41/3，0.1× 4 1/5，0.2，0.1× 41/6。
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第十章 固态烧结 1、名词解释： （1）熔融温度，烧结温度，泰曼温度； 熔融温度：全部组元都转变为液相的温度。 烧结温度：坯体在高温作用下，发生一系列物理化学反应，最后显气孔率接 近于零，达到致密程度最大值时，工艺上称此种状态为"烧结"，达到烧结时相应 的温度，称为"烧结温度"。 泰曼温度：固体晶格开始明显流动的温度，一般在固体熔点（绝对温度）的 2/3 处的温度。在煅烧时，固体粒子在塔曼温度之前主要是离子或分子沿晶体表 面迁移，在晶格内部空间扩散（容积扩散）和再结晶。而在泰曼温度以上，主要 为烧结，结晶黏结长大。 （3）液相烧结，固相烧结； 固态烧结：没有液相参与，完全是由固体颗粒之间的高温固结过程； 液态烧结：有液相参与的烧结 （4）晶粒生长，二次再结晶； 晶粒长大： 是指多晶体材料在高温保温过程中系统平均晶粒尺寸逐步上升的 现象. 二次再结晶： 再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现 象。 （5）晶粒极限尺寸，晶粒平均尺寸； 晶粒极限尺寸：晶粒正常生长，由于夹杂物对晶界移动的牵制使晶粒大小不 超过某极限尺寸，这样的生长极限尺寸为晶粒极限尺寸。 晶粒平均尺寸：烧结中、后期，细晶粒逐渐长大：一些晶粒生长伴随另一些 晶粒缩小、消失，平均晶粒尺寸增长，晶粒会有一个平均尺寸。 （6）烧结，烧成。 烧结：固态中分子（原子）间存在相互吸引、通过加热使质点获得足够的能 量进行迁移，使粉末产生颗粒黏结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程 烧成：包括多种物理和化学变化，如脱水、胚体内气体分解、多相反应和熔 融、溶解、烧结等。在一定的温度范围内烧制成致密体的过程。
陶瓷工艺学第十章烧成与窑具
第四节 窑具
4.1 窑具种类 匣钵、棚板、支柱、各种耐火垫、
托板、辊棒和窑车材料等。
现代窑炉的重要标志之一，就是大幅度 减少了窑具的用量，采用多种高级耐火材料 窑具，满足快速烧成的需要。
4.2窑具的性能要求 （1）足够的结构强度
常温强度和高温强度
（2）良好的抗热震性能 破坏机理：裂纹不断扩展； 热膨胀系数小，产生应力小，不易破坏 熟料和基质的相互关系；相对量的多少 影响较大。
理论温度制度曲线
1400 1200 1000 800 600 400
200
脆性生坯
厚坯 薄坯
热塑性范围
中火保温
脆性瓷器
时间
1.2.2.3 釉烧方法
（1）一次烧成时，釉料的熔化温度与坯料的氧化分解 温度相适应，中火保温防止针孔、橘釉、黑心、鼓泡 等缺陷。 （2）冷却初期依据釉料要求确定冷却速度
光泽釉——快速冷却 结晶釉——结晶温度保温处理 （3）二次烧成 高温素烧低温釉烧：釉烧时可以不考虑坯体的脱 结构水及 氧化分解排气，素烧 时不考虑与釉的关系。 低温素烧高温釉烧：釉烧时可以不考虑 坯体的脱结构 水，要考虑氧化分解，素 烧时不考虑与釉的关系。
不同烧结温度及高温保温时间对产品性能的影响
注：摘自《陶瓷研究》杨世源
烧成温度（℃） 保温时间（min） 平均吸水率（%）
1020
30
16.4
1040
30
15.7
1060
30
14.92
1080
30
14.10
1100
30
13.92
1080
5
14.96
1080
15
14.7
1080
30
固相烧结法
固相烧结法
固相烧结法是一种制备材料的方法，主要是通过将单元系固相粉末、化合物或均匀固溶体在熔点以下温度进行烧结。
固相烧结过程大致分为低温阶段、中温阶段和高温阶段。
在低温阶段，主要发生金属的回复、吸附气体和水分的挥发、压坯内成形剂的分解和排除。
中温阶段开始发生再结晶、粉末颗粒表面氧化物被完全还原，颗粒接触界面形成烧结颈，烧结体强度明显提高，而密度增加较慢。
在高温阶段，扩散和流动充分进行并接近完成，烧结体内的大量闭孔逐渐缩小，孔隙数量减少，烧结体密度明显增加。
在固相烧结过程中，扩散传质是最重要的，同时颗粒和颈部的形状也会发生变化。
固相烧结法可以根据其组元多少分为单元系固相烧结和多元系固相烧结两类。
单元系固相烧结过程中，只发生粉末颗粒间粘结、致密化和纯金属的组织变化，不存在组织间的溶解，也不出现新的组成物或新相。
该方法适用于制备各种金属材料、陶瓷材料和复合材料等，广泛应用于材料科学和工程领域。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
烧结传质方式
烧结传质方式
烧结传质方式是一种常用的固废处理方法，它通过将固体物质的粒状颗粒在高温下进行烧结，使其融合成固体块状，以此实现传质的过程。
下面是一种常见的烧结传质方式的步骤：
1. 准备：将待处理的固体物质进行粉碎，使其颗粒尺寸均匀。
选用合适的添加剂，如矿石、陶瓷等，以提高烧结效果。
2. 混合：将粉状物料与添加剂充分混合，确保均匀分布。
3. 压制：将混合后的物料放入压制机或螺旋压制机中，施加适当的压力，使其成为坚固的块状。
4. 烧结：将压制后的块状物料放入烧结炉中，在高温环境下进行烧结。
通过加热，物料中的各个颗粒被熔化并融合在一起，形成固体块状。
5. 冷却：待烧结完成后，停止加热，让烧结块自然冷却至室温。
6. 使用：冷却后的烧结块可以用于不同的领域，如建筑材料、石化工业等。
根据具体需求，可以进行进一步的加工或利用。
需要注意的是，烧结传质方式在实际应用中需要根据具体情况进行参数的调整，如温度、压力、添加剂配比等。
合理的烧结传质方式有助于提高资源利用率和降低环境污染。
第十章固体烧结
固体烧结
第十章固体烧结
原始粉料：
生坯
烧结后：
介质电容陶瓷
氧化铝陶瓷
第十章固体烧结
日用瓷
主要内容
1、烧结概念、推动力及模型 2、固相烧结和液相烧结过程中的四种基本传
质产生的原因、条件、特点和动力学方程 3、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制 4、影响烧结的因素。
第十章固体烧结
10.1烧结的基本特征
9.与烧结有关的一些概念
（1）烧结与烧成
烧成：包括多种物理和化学变化，如脱水、 胚体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、 烧结等。在一定的温度范围内烧制成致密体 的过程。
烧结：粉料经加热而致密化的简单物理过程。 只是烧成过程中一个重要部分。
第十章固体烧结
（2）烧结与熔融 （由于原子热振动而引起的） 烧结：在远低于全部组元的熔融温度下进行的。至少一组元为 固态 熔融 ：全部组元都转变为液相。
形，很难用简单的模型加以概括
第十章固体烧结
烧结模型
烧结是一古老的工艺过程。但其动力学研究于1922年才开始， 在1922-1949年间，研究模型一直是复杂的粉末团块。库津斯基 提出以等径球体紧密接触为模型——球-平板模型、双球模型。 推动了烧结动力学的研究。
1．球-平板模型（适合于扩散、流动、溶解－沉淀传质过程）
第十章固体烧结
烧结前二球中心距 为L，烧结后收缩 值为ΔL
（ ΔL =2y）
10.2 烧结机制与动力学方程
烧结—粉体颗粒间的接触和键合以及在表面 张力作用推动下物质的传递过程
烧结机理—阐述粉体颗粒间如何实现接触、 键合以及物质的传递
第十章固体烧结
烧结： 固态烧结和液态烧结
按照烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类：
陆佩文材料科学基础 名词解释 -课后
第二章晶体结构2.1名词解释晶体由原子(或离子分子等)在空间作周期性排列所构成的固态物质晶胞是能够反应晶体结构特征的最小单位, 晶体可看成晶胞的无间隙堆垛而成。
晶体结构中的平行六面体单位点阵(空间点阵) 一系列在三维空间按周期性排列的几何点.对称：物体相同部分作有规律的重复。
对称型：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反伸轴）的集合,又叫点群.空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的集合布拉菲格子把基元以相同的方式放置在每个格点上，就得到实际的晶体结构。
基元只有一个原子的晶格称为布拉菲格子。
范德华健分子间由于色散、诱导、取向作用而产生的吸引力的总和配位数:晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数.2.2试从晶体结构的周期性论述晶体点阵结构不可能有5次和大于6次的旋转对称?2.3金属Ni具有立方最紧密堆积的结构试问: I一个晶胞中有几个Ni原子？ II 若已知Ni原子的半径为0.125nm，其晶胞边长为多少？2.4金属铝属立方晶系，其边长为0.405nm，假定其质量密度为2.7g/m3试确定其晶胞的布拉维格子类型2.5某晶体具有四方结构，其晶胞参数为a=b,c=a/2,若一晶面在x y z轴上的截距分别为2a 3b 6c,试着给出该晶面的密勒指数。
2.6试着画出立方晶体结构中的下列晶面（001）（110）（111）并分别标出下列晶向[210] [111] [101].2.14氯化铯（CsCl）晶体属于简立方结构，假设Cs+和Cl-沿立方对角线接触，且Cs+的半径为0.170nm Cl-的半径为0.181nm，试计算氯化铯晶体结构中离子的堆积密度，并结合紧密堆积结构的堆积密度对其堆积特点进行讨论。
2.15氧化锂（Li2O）的晶体结构可看成由O2-按照面心立方密堆，Li+占据其四面体空隙中，若Li+半径为0.074nm，O2-半径为0.140nm试计算I Li2O的晶胞常数 II O2-密堆积所形成的空隙能容纳阳正离子的最大半径是多少。
固相烧结原理
固相烧结原理
固相烧结是一种常用的陶瓷制备方法，它是指通过高温烧结，使固体粉末在高温下熔融、扩散并重结合成致密的块状物质的过程。
固相烧结原理如下：
粉末混合：将原料粉末按照一定比例混合均匀，这是固相烧结的第一步。
压制成型：将混合好的粉末在一定的温度和压力下进行压制成型，形成所需形状的坯体。
初期加热：将压制好的坯体放入炉中进行初期加热，升温速率一般较慢，使得坯体中的水分和有机物挥发，排除空气，避免坯体变形或爆炸。
高温烧结：随着温度的升高，坯体中的原料粉末逐渐熔融、扩散并重结合，形成致密的块状物质。
烧结温度一般高于原料的熔点，但低于其汽化温度，以避免原料挥发。
在烧结过程中，原料颗粒间的间隙逐渐减小，相互靠近，发生扩散，使粒子之间相互连接，形成坚实的固体物质。
降温保持：待坯体达到一定烧结度后，将温度缓慢降低，保持一定温度和时间，使得烧结完成，坯体稳定。
固相烧结的原理是利用高温使原料粉末熔融、扩散、结合成致密的块状物质的过程。
烧结温度、时间、压力、热处理过程等因素会影响固相烧结的结果，需要根据不同的材料和要求进行调整。
固相烧结是制备陶瓷材料的常用方法，应用广泛于陶瓷、电子、航空等领域。
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第十章固体烧结
4.定义： 烧结是一个复杂的物理过程 宏观定义：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整体的过 程。（宏观现象）
第十章固体烧结
4.定义： 烧结是一个复杂的物理过程 微观定义：固态中分子（原子）间存在相互 吸引、通过加热使质点获得足够的能量进行迁 移，使粉末产生颗粒黏结，产生强度并导致致 密化和再结晶的过程 （微观物质迁移）
二个液滴合并后的能量降低=8πr2- 6.35πr2 =1.65πr2
第十章固体烧结
对于固体粉末体系，质点迁移困难，烧结 只靠表面能降低的能量难以进行
（一般粒度为1um的粉末，烧结时表面能降 低 约 8J/g ， 而 一 般 化 学 反 应 前 后 能 量 变 化 约 200KJ/mol，所以烧结推动力是很小的）。
1.改变材料性质：
强度： σ＝ f(G - 1 2 ) G 强度
断裂强度
晶粒尺寸
气孔 ：强度(应力集中点)； 透明度(散射中心)； 铁电性和磁性。
第十章固体烧结
2.目的 粉状物料变成致密体。
3.应用 陶瓷、耐火材料、粉沫冶金、超高温材料、现代 无机材料 如：功能瓷：热、声、光、电、磁、生物特性。
相同点： 都是由高温下质点迁移的结果。
不同点： 熔融通过质点迁移其间距增大，并且全部组元都处于液态；
烧结通过质点迁移达到密实，并且烧结是在远低于物质熔点 温度下进行的，过程中至少有一个组元是固态；Tamman提出烧结 温度TS与熔融温度TM间的规律：硅酸盐TS=0.8-0.9TM
第十章固体烧结
（3）烧结与固相反应 相同点：二个过程开始进行的温度都远低于熔融温度，
第十章固体烧结
10.烧结过程推动力 粉末状物料经压制成型后，颗粒之间仅仅
是点接触，可以不通过化学反应而紧密结合成 坚硬的物体，这个过程必然有推动力在起作用。 粉状物料的表面能 > 多晶烧结体的晶界能
热力学定律：能量降低是自发趋势 烧结能否自发进行？
第十章固体烧结
粉料在制备过程中，粉末颗粒表面储存机械能——以表面能形式存 在。实验证明，物料在粉磨过程中，内能增加。粉体具有较高的活 性，处于能量不稳定状态，能量降低是一种自发趋势。
粉料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，这种表面能的降
低就是烧结的推动力。
例：二个小液滴，半径r，表面积s，体积V；
2V=2×4/3πr3；
2s=2×4πr2；表面能=8πr2
合并成一个大液滴，r1；s1；V1； V1=2V=8/3πr3=4/3πr13；
=6.35πr1r2r3 2
s1=4πr12=6.35πr2；表面能
第十章固体烧结
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，用改变显微结构的方法使材料性能改善。 当配方、原料粒度、成型等工序完成以后，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。 了解粉末烧结过程的现象和机理，了解烧结动力学 及影响烧结因素对控制和改进材料的性能有着十分 重要的实际意义
《材料物理化学》
固体烧结
第十章固体烧结
原始粉料：
生坯
烧结后：
介质电容陶瓷
氧化铝陶瓷
第十章固体烧结
日用瓷
主要内容
1、烧结概念、推动力及模型 2、固相烧结和液相烧结过程中的四种基本传
质产生的原因、条件、特点和动力学方程 3、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制 4、影响烧结的因素。
第十章固体烧结
10.1烧结的基本特征
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
连通气孔→孤立的封闭气孔， 并缩小，直至绝大部分气体被
排除。
图10-1 烧结现象示意图
第十章固体烧结
6.烧结过程中性质的变化：
性
气孔率
质
密度
电阻 强度
晶粒尺寸
温度
温度升高，烧结过程不断进行→坏体收缩、气孔率 下降、致密度提高、强度增大、晶粒尺寸增大
第十章固体烧结
7.衡量烧结程度的几个指标
（1）用坯体的收缩率ΔL/L表示； （2）用坯体的气孔率（气孔体积/总体积）表示； （3）用坯体的相对密度（实际密度/理论密度）表示， 相对密度→1，表明烧结好；
在Tamman温度开始，并且过程自始至终至少有一相是固 态；
不同点：固相反应是一化学反应过程，至少有二组元
参加，并发生化学反应最后形成化合物； 烧结是一物理过程，烧结不发生化学反应，组元
（单、双、多）在表面能驱动下，由粉体变为致密体， 微观晶相组成不变但显微组织结构排列更致密，结晶更 完善；
实际生产中，不可能是纯物质烧结，当有杂质存在 时，则烧结会伴随固相反应和局部熔融。
需对粉体加以高温（即给补充一部分能 量），烧结才能进行。
结论：由于烧结推动力与相变和化学反应的能
量相比，很小，因而不能自发进行，必须加热!!
第十章固体烧结
烧结难易程度的判断：
第十章固体烧结
5．烧结所包含的主要物理过程： 坯体中有很多 孔隙，气孔
率达35~60%，颗粒间点接触或
没有接触（图10-1）；
a
b
随着温度升高，颗粒间接
触面积增大→颗粒聚集→颗粒 中心靠近（图10-1 a、b）；
逐渐形成晶界→气孔变形， c 晶粒变形→气孔收缩，坯体收 缩，气体排除；
无气孔的 多晶体
近年来，关于烧结的概念又有进一步认识，强调粉末颗粒表面 的粘结和粉末内部物质的传递和迁移。
8.烧结的分类
（1）从参加烧结的物质状态分：固相烧结与液相烧结； （2）从参加烧结的物质有无化学反应发生分： 物理烧结（烧结过程可能伴随着化学反应，但烧结不依赖于这些反 应）； 化学烧结（烧结过程伴随并依赖着化学反应过程）； （3）从烧结时工艺条件分：普第十通章固烧体烧结结 与特种烧结。
9.与烧结有关的一些概念
（1）烧结与烧成
烧成：包括多种物理和化学变化，如脱水、 胚体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、 烧结等。在一定的温度范围内烧制成致密体 的过程。
烧结：粉料经加热而致密化的简单物理过程。 只是烧成过程中一个重要部分。
第十章固体烧结
（2）烧结与熔融 （由于原子热振动而引起的） 烧结：在远低于全部组元的熔融温度下进行的。至少一组元为 固态 熔融 ：全部组元都转变为液相。