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。
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6、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 0.5h， 测得晶粒尺寸为 10μm，试问若保温 2h，晶粒尺寸为多大？为抑制晶粒生长加入 0.1％MgO，此时若保温 2h，晶粒尺寸又为多大？ 解：由 在此条件下保温 即求 加入少量的 MgO 时： 由 ,设直径为 则有：
9、在烧结时，晶粒生长能促进坯体致密化吗？晶粒生长会影响烧结速率吗？试 说明之。 解：在烧结时，晶粒生长能促进坯体的致密化。在烧结中、后期，细小晶粒 逐渐长大， 而晶粒的长大过程是另一部分晶粒的缩小或消失过程，其结果是平均 晶粒尺寸增大。晶粒长大不是晶粒的相互粘接，而是晶界移动的结果。推动晶粒 长大的是晶界的自由能，随着晶粒的长大，使界面面积减小，从而促进坯体致密 化。
L / L 0
△C＞n0/N r＜5μm
扩散 中心距缩短
L / L Kr
6 / 5
特点
公式 工艺 控制
t
dt
K (1 ) / r
t
1/3
温度、粒度
温度、粒度
粘度、粒度
温度、液相数 量、粘度、粒 度
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7、在 1500℃Al2O3 正常晶粒生长期间，观察到晶体在 1h 内从 0.5μm 直径长大 到 10μm。如已知晶界扩散活化能为 335kJ/mol，试预测在 1700℃下 4h 后，晶粒 尺寸是多少？试估计加入 0.5％MgO 杂质对 Al2O3 晶粒生长速度会有什么影响？ 在与上面相同条件下烧结，会有什么结果，为什么？ 解：由
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2、烧结的模型有哪几种？各适用于哪些典型传质过程？ 解：烧结模型有三种：双球模型：球形颗粒点接触，烧结过程中心距不变模 型；球形颗粒点接触，烧结过程中心距减小模型；球形颗粒与平面的点接触模型 球形颗粒点接触，烧结过程中心距不变模型适用于蒸发-凝聚模型； 球形颗粒点接触，烧结过程中心距减小模型适用于扩散传质。
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（2）晶界具有一定的能量，晶界带动杂质或气孔继续移动，这时气孔利用晶界 的快速通道排除，坯体不断致密。 （3）晶界能量大，晶界越过杂质或气孔，把气孔包裹在晶粒内部。由于气孔脱 离晶界，再不能利用晶界这样的快速通道排除，使烧结停止，致密度不再增加， 这将出现二次再结晶现象。 从实现致密化目的考虑， 晶界应按第二种情况移动，控制晶界的能量以增加致密 度。
5、下列过程中，哪些能使烧结产物强度增大，而不产生致密化过程？ 试说明理 由。 （1）蒸发－凝聚；（2）体积扩散；（3）粘性流动；（4）晶界扩散；（5）表 面扩散；（6）溶解－沉淀 解：蒸发－凝聚机理（凝聚速率＝颈部体积增加）烧结时颈部扩大，气孔形 状改变，但双球之间中心距不变，因此坯体不发生收缩，密度不变。
由
在 1700℃时， 由 ，有
加入 0.5％MgO 时，会抑制 Al2O3 晶粒生长，抑制现象会更加明显，原因是由于 晶界移动时遇到的杂质（MgO）更多，限制了晶粒的生长。
8、晶界遇到夹杂物时会出现哪几种情况，从实现致密化的目的考虑，晶界应如 何移动？怎样控制？ 解：晶粒正常长大时，如果晶界受到第二相杂质的阻碍，其移动可能出现三 种情况。 （1）晶界能量较小，晶界移动被杂质或气孔所阻挡，晶粒正常长大停止。
次方成比例，说明致密化速度减慢了，若将式（1）和式（2）以
对
作
图，则曲线斜率分别接近于 和 1。各曲线可明显的分为三段，初期斜率接近于
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1,中期粗略的接近于 ，至于后期，曲线十分的平坦，说明在后期致密化速度减 慢了。
11、影响烧结的因素有哪些？最易控制的因素是哪几个？ 解：（1） 粉末的粒度。细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提 高颗粒在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速。 （2）外加剂的作用。在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促 进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等），促进 烧结。 （3）烧结温度：晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难， 烧结温度越高。 保温时间：高温段以体积扩散为主，以短时间为好，低温段为 表面扩散为主，低温时间越长，不仅不引起致密化，反而会因表面扩散，改变了 气孔的形状而给制品性能带来损害，要尽可能快地从低温升到高温，以创造体积 扩散条件。 （4）盐类的选择及其煅烧时条件的影响：盐类的选择：用能够生成粒度小、晶 格常数较大、微晶较小、结构松弛的 MgO 的原料盐来获得活性 MgO，其烧结活 性良好。煅烧时条件：煅烧温度愈高，烧结活性愈低的原因是由于 MgO 的结晶 良好，活化能增高所造成的。 （5）气氛的影响：氧化，还原，中性。 （6）成形压力影响：一般说成型压力越大颗粒间接触越紧密，对烧结越有利。 除上述六点以外，还有生坯内粉料的堆积程度、加速热度、保温时间、粉料的粒 点？液相烧结有哪些类型，各有何特点？ 解：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； 液相烧结：凡有液相参加的烧结过程。粉末中总含有少量杂质，因而大多数材料 中都会或多或少出现液相。
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液相烧结与固相烧结 填充、晶粒生长等）；
共同点：推动力（能量差）、烧结过程（颗粒重排、气孔
蒸发-凝聚 压力差
扩散 空位浓度差
流动 应力-应变 粘性流动粘度 小 塑性流动ι＞ η 流动并 引起颗 粒重排 致密化速率高
d
2 / 5
溶解-沉淀 溶解度 可观的液相量 溶解度大 固液润湿 溶解-沉淀 传质同时又是 晶粒生长
L / L Kr
4 / 3
△ P ＞ 10 ～
1Pa r＜10μm 蒸发-凝聚 △L/L=0
异同点：流动传质速率比扩散传质快，致密化速率高，液相烧结在比固态烧结温 度低得多的情况下获得致密的烧结体。 液相传质机理：流动传质机理：流动并引起颗粒重排，致密化速率高 溶解－沉淀传质机理：溶解-沉淀，传质同时又是晶粒生长 13、试比较各种传质过程产生的原因、条件、特点和工艺控制要素。
传质 方式 原因 条件
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材料科学基础课后答案第九章烧结1、解释下列名词（1）烧结：粉料受压成型后在高温作用下而致密化的物理过程。
烧成：坯体经过高温处理成为制品的过程，烧成包括多种物理变化和化学变化。
烧成的含义包括的范围广，烧结只是烧成过程中的一个重要部分。
（2）晶粒生长：无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。
二次再结晶：少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大过程。
（3）固相烧结：固态粉末在适当的温度、压力、气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。
液相烧结：有液相参加的烧结过程。
2、详细说明外加剂对烧结的影响?答：（1）外加剂与烧结主体形成固溶体使主晶格畸变，缺陷增加，有利结构基元移动而促进烧结；（2）外加剂与烧结主体形成液相，促进烧结；（3）外加剂与烧结主体形成化合物，促进烧结；（4）外加剂阻止多晶转变，促进烧结；（5）外加剂起扩大烧结范围的作用。
3、简述烧结过程的推动力是什么?答：能量差，压力差，空位差。
4、说明影响烧结的因素？答：（1）粉末的粒度。
细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提高颗粒在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速；（2）外加剂的作用。
在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等），促进烧结。
（3）烧结温度：晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难，烧结温度越高。
（4）保温时间：高温段以体积扩散为主，以短时间为好，低温段为表面扩散为主，低温时间越长，不仅不引起致密化，反而会因表面扩散，改变了气孔的形状而给制品性能带来损害，要尽可能快地从低温升到高温，以创造体积扩散条件。
（5）气氛的影响：氧化，还原，中性。
（6）成形压力影响：一般说成型压力越大颗粒间接触越紧密，对烧结越有利。
5、在扩散传质的烧结过程中，使坯体致密的推动力是什么？哪些方法可促进烧结？说明原因。
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。
无机材料科学基础第十章资料
1 1 当非球形：P＝ ( ) r1 r2
结论：粉料愈细，由曲率而引起的烧结推动力愈大!!
10.1.3 烧结模型
1945年以前：粉体压块
1945年后，G.C.Kuczynski (库津斯基)提出：双球模型 中 心 距 不 变 中 心 距 缩 短
x / 2r
2
x 2 / 4r
模型分析：
P
x
颗粒表面：凸面，r+，P凸﹥P0 r
颈部环面：凹面，-，P凹﹤ P0
∴ P凸﹥P凹
传质机理：物质从颗粒表面（凸 面）蒸发，通过汽相传质在颈部 凝聚，从而使颈部填充。
存在范围：高温下蒸汽压
较大的系统。例 盐釉
传质原因：曲率差别产生P 条件：颗粒足够小，r <10m
烧结模型：双球模型，中心距不变
压应力区(接触点) ： E V EV .
即：张应力区空位形成能<无应力区<压应力区
空位浓度：
C颈 > C0 > C点
扩散途径
空位扩散：优先由颈表面接触点； 其次由颈表面内部扩散 原子扩散：与空位扩散方向相反， 扩散终点：颈部。 扩散途径：(参见图9－8)
2、扩散传质的三个阶段 1）初期（x/r﹤0.3)：表面扩散为主 (因为表面扩散温度<<体积扩散温度) 例 Al2O3 T表面＝330℃ T体积＝900℃；
2、与烧结有关的一些概念 1）烧成与烧结
烧成：工序（多种物理化学变化）
烧结：物理过程（是烧成的一个重要部分） 2）熔融与烧结 熔融：Tm高，质点移动，晶格崩溃，全组员都为液相 烧结：Ts低，质点振动，晶格迁移，至少一组员固态
3）固相反应与烧结
相同点：都在低于Tm进行，都至少有一固相 不同点：前者至少两组员，强调化学反应；
《材料物理化学》考试试卷(一)标准答案及评分细则
氢键和分子间力结合（2 分），这种力远远小于层内的各种键合力（2
分）所以，易从层间结合力较弱处断裂开，呈片状的解理（2 分）
2、除去表面层主要是剔除吸附层（2 分），从而增大表面层的表面能（2 分）。
又因为W=rA+rB－rAB（2 分），从而使rA+rB增大，粘附力增大，粘附 就更加牢固（2 分）。
连线的延长线相交，则界线上该点发生转熔过程。
5、同质多晶: 同一化学物质具有多种不同晶型现象。
评分细则：要求把各词的意思及要点叙述清楚，不一定同答案原话一
字不差。
三、判断题（每题 2 分，共 10 分）
1、√
2、×
3、×
4、√
5、×
四、选择题（每题 3 分，共 12 分）
1、C
2、B
3、A
4、C
五、计算题（10 分）
弯曲表面两边的压力不相等，这种压力差称为附加压力。（2 分）凸表
面时，压力取正值；（1 分）凹表面时，压力取负值。（1 分）
△P=2γ/r （2 分）
△P=（2×1.3）/（0.6×10-6）=4.33×106(N.M-2) (4 分)
六、分析题（每题 8 分，共 16 分）
1、粘土矿物一般均为层状矿物（2 分），层状矿物的特点是层与层之间为
七、问答题（共 22 分）
1、（共 8 分）、晶体与玻璃体都是三维空间网络所构成（2 分）。是物质的
两种不同形态，晶体结构网络由多面体无数次有规律重复而构成，而
玻璃体结构中多面体的重复没有规律性（2 分）。晶体结构是近程有序，
远程也有序的结构（2 分）。而玻璃是近程有序，远程无序的无定形物
质（2 分）。
《材料物理化学》考试试卷（一） 标准答案及评分细则
烧结习题及解答
第八章烧结过程8-1 名词解释：烧结烧结温度泰曼温度液相烧结固相烧结初次再结晶晶粒长大二次再结晶（1）烧结：粉末或压坯在低于主要组分熔点(de)温度下(de)热处理,目(de)在于通过颗粒间(de)冶金结合以提高其强度.（2）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(de)温度,称为"烧结温度".（3）泰曼温度：固体晶格开始明显流动(de)温度,一般在固体熔点（绝对温度）(de)2/3处(de)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.而在塔曼温度以上,主要为烧结,结晶黏结长大.（4）液相烧结：烧结温度高于被烧结体中熔点低(de)组分从而有液相出现(de)烧结.（5）固相烧结：在固态状态下进行(de)烧结.（6）初次再结晶：初次再结晶是在已发生塑性变形(de)基质中出现新生(de)无应变晶粒(de)成核和长大过程.（7）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(de)现象.（8）二次再结晶：再结晶结束后正常长大被抑制而发生(de)少数晶粒异常长大(de)现象.8-2 烧结推动力是什么它可凭哪些方式推动物质(de)迁移,各适用于何种烧结机理解：推动力有：（1）粉状物料(de)表面能与多晶烧结体(de)晶界能(de)差值,烧结推动力与相变和化学反应(de)能量相比很小,因而不能自发进行,必须加热（2）颗粒堆积后,有很多细小气孔弯曲表面由于表面张力而产生压力差,（3）表面能与颗粒之间形成(de)毛细管力.传质方式：（1）扩散（表面扩散、界面扩散、体积扩散）；（2）蒸发与凝聚；（3）溶解与沉淀；（4）黏滞流动和塑性流动等,一般烧结过程中各不同阶段有不同(de)传质机理,即烧结过程中往往有几种传质机理在起作用.8-3 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(de)收缩试说明理由.（1）蒸发－冷凝；（2）体积扩散；（3）粘性流动；（4）晶界扩散；（5）表面扩散；（6）溶解－沉淀解：蒸发－凝聚机理（凝聚速率＝颈部体积增加）烧结时颈部扩大,气孔形状改变,但双球之间中心距不变,因此坯体不发生收缩,密度不变.8-4 什么是烧结过程烧结过程分为哪三个阶段各有何特点解：烧结过程：粉末或压坯在低于主要组分熔点(de)温度下(de)热处理,目(de)在于通过颗粒间(de)粘结结合以提高其强度.烧结过程大致可以分为三个界线不十分明显(de)阶段.（1）液相流动与颗粒重排阶段：温度升高,出现足够量液相,固相颗粒在DP 作用下重新排列,颗粒堆积更紧密；（2）固相溶解与再析出：接触点处高(de)局部应力塑性变形和蠕变颗粒进一步重排；（3）固相(de)(de)烧结：小颗粒接触点处被溶解较大颗粒或自由表面沉积晶粒长大形状变化不断重排而致密化.8-5烧结(de)模型有哪几种各适用于哪些典型传质过程解：粉体压块：蒸发－凝聚双球模型：有液相参与(de)粘性蠕变扩散Kingery和 LSW ：溶解-沉淀8-6某氧化物粉末(de)表面能是1000erg/cm2,烧结后晶界能是550erg/cm2,若用粒径为1μm(de)粉料（假定为方体）压成 1cm3(de)压块进行烧结,试计算烧结时(de)推动力.解： 2x（1000/1x 8-4-550/1x8-2）= erg/cm38-7有粉粒粒度为5μm,若经2h烧结后,x/r＝.如果不考虑晶粒生长,若烧结至x/r＝.并分别通过蒸发－凝聚、体积扩散、粘性流动、溶解－沉淀传质,各需多少时间若烧结8h,各个传质过程(de)颈部增长x/r又是多少解：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×41/3,×4 1/5,,×41/6.8-8如上题粉料粒度改为16μm,烧结至x/r＝,各个传质需多少时间若烧结时间为8h,各个过程(de)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(de)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.8-9 试就（1）推动力来源；（2）推动力大小；（3）在陶瓷系统(de)重要性来区别初次再结晶、晶粒长大和二次再结晶.解：晶粒生长——材料热处理时,平均晶粒连续增大(de)过程.推动力：基质塑性变形所增加(de)能量提供了使晶界移动和晶粒长大(de)足够能量.晶粒生长取决于晶界移动(de)速率.二次再结晶——（晶粒异常生长或晶粒不连续生长）少数巨大晶体在细晶消耗时成核-长大过程.推动力：大、小晶粒表面能(de)不同.二次再结晶晶粒长大不均匀生长均匀生长不符合Dl=d/f符合Dl=d/f气孔被晶粒包裹气孔排除界面上有应力界面无应力8-10 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,为什么解：不可行.蒸发－凝聚机理（凝聚速率＝颈部体积增加）此类传质不能靠延长时间达到烧结.高温短时间烧结是制造致密陶瓷材料(de)好方法.8-11 假如直径为5μm(de)气孔封闭在表而张力为280dayn/cm2(de)玻璃内,气孔内氮气压力是,当气体压力与表面张力产生(de)负压平衡时,气孔尺寸是多少解： r=r = μm8-12 在1500℃,MgO正常(de)晶粒长大期间,观察到晶体在1h内从直径从1μm 长大到10μm,在此条件下,要得到直径20μm(de)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4h后晶粒(de)大小,为抑制晶粒长大,加入少量杂质,在1600℃下保温4h,晶粒大小又是多少解：烧结数率常数和温度关系服从阿累尼乌斯方程：即……………………………………………………（1） 其中：为常数 ,Q 为晶界扩散活化能,在正常(de)晶粒长大期间,晶粒直径与时间关系为：……………………（2） 其中为时晶粒(de)平均尺寸.在加入少量杂质时,晶粒直径与时间关系为： (3)在 1500℃时,MgO 正常生长时,由（2）有99再由（1）有＝则在 1500℃正常生长条件下,达到所需时间为： 在 1600℃时＝ 由（2）＝ 加入杂质后由（3）有＝8-13 假定NiCr 2O 4(de)表面能为600erg/cm 2,由半径μm(de)NiO 和Cr 2O 3粉末合成尖晶石.在 1200℃和 1400℃时Ni 2＋和Cr 3＋离子(de)扩散系数分别为：Ni 2＋在NiO 中D 1473＝1×10－11；D 1673＝3×10－ 10cm 2/s ；Cr 3＋在Cr 2O 3中D 1473＝7×10－ 11 cm 2/s,D 1673＝10－ 9cm 2/s ；求在 1200℃和 1400℃烧结时,开始1h(de)线收缩率是多少（假定扩散粒子(de)半径为）解：线收缩率：1200℃,对NiO 和Cr 2O 3粉末,其则可求出K1473,同理,可求出 K1673,代入上式,即可求出式中g=600erg/cm 2,ó= T=1473K,1673K,r=μm 8-14 在制造透明Al 2O 3材料时,原始粉料粒度为2μm,烧结至最高温度保温,测得晶粒尺寸10μm,试问若保温时间为2h,晶粒尺寸多大为抑制晶粒生长加入％MgO,此时若保温时间为2h,晶粒又有尺寸多大解：由在此条件下保温,设直径为则有：即求加入少量(de)MgO 时：由8-15 在 1500℃Al 2O 3正常晶粒生长期间,观察到晶体在1h 内从μm 直径长大到10μm.如已知晶界扩散活化能为335kJ/mol,试预测在 1700℃下保温时间为4h 后,晶粒尺寸是多少你估计加入％MgO 杂质对Al 2O 3晶粒生长速度会有什么影响在与上面相同条件下烧结,会有什么结果,为什么 解：由 由在 1700℃时, 由,有加入％MgO 时,会抑制Al 2O 3晶粒生长,抑制现象会更加明显,原因是由于晶界移动时遇到(de)杂质（MgO ）更多,限制了晶粒(de)生长.8-16 材料(de)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(de)解：（1） 晶粒(de)大小取决于起始晶粒(de)大小,烧结温度和烧结时间 .（2） 防止二次再结晶引起(de)晶粒异常长大 .8-17 晶界移动通遇到夹杂物时会出现哪几种情况从实现致密化目(de)考虑,晶界应如何移动怎样控制解：晶粒正常长大时,如果晶界受到第二相杂质(de)阻碍,其移动可能出现三种情况.（1）晶界能量较小,晶界移动被杂质或气孔所阻挡,晶粒正常长大停止.（2）晶界具有一定(de)能量,晶界带动杂质或气孔继续移动,这时气孔利用晶界(de)快速通道排除,坯体不断致密.（3）晶界能量大,晶界越过杂质或气孔,把气孔包裹在晶粒内部.由于气孔脱离晶界,再不能利用晶界这样(de)快速通道排除,使烧结停止,致密度不再增加,这将出现二次再结晶现象.从实现致密化目(de)考虑,晶界应按第二种情况移动,控制晶界(de)能量以增加致密度.8-18 在烧结时,晶粒生长能促进坯体致密化吗晶粒生长会影响烧结速率吗试说明之.解：在烧结时,晶粒生长能促进坯体(de)致密化.在烧结中、后期,细小晶粒逐渐长大,而晶粒(de)长大过程是另一部分晶粒(de)缩小或消失过程,其结果是平均晶粒尺寸增大.晶粒长大不是晶粒(de)相互粘接,而是晶界移动(de)结果.推动晶粒长大(de)是晶界(de)自由能,随着晶粒(de)长大,使界面面积减小,从而促进坯体致密化.8-19 试分析二次再结晶过程对材料性能有何种效应解：二次再结晶发生后,由于个别晶粒异常长大,气孔进入晶粒内部,成为孤立闭气孔,不易排除,使烧结速率降低甚至停止,肧体不再致密；加之大晶粒(de)晶界上有应力存在,使其内部易出现隐裂纹,继续烧结时肧体易膨胀而开裂,使烧结体(de)机械,电学性能下降.8-20特种烧结和常规烧结有什么区别试举例说明.解：常规烧结过程主要是基于颗粒间(de)接触与键合,以及在表面张力推动下物质(de)传递过程.其总体(de)推动力由系统表面能提供.这就决定了其致密化是有一定限度(de).常规条件下坯体密度很难达到理论密度值.对于特种烧结,它是为了适应特种材料对性能(de)要求而产生(de).这些烧结过程除了常规烧结中由系统表面能提供(de)驱动力之外,还由特殊工艺条件增加了系统烧结(de)驱动力,因此提高了坯体(de)烧结速率,大大增加了坯体(de)致密化程度.例如热压烧结,它是加压成型与加压烧结同时进行(de)一种烧结工艺.由于同时加温加压,有利于粉末颗粒(de)接触、扩散和流动等传质过程,降低了烧结温度和烧结时间,抑制了晶粒(de)长大.其容易获得接近理论密度、气孔率接近零(de)烧结体.8-21 （1）烧结MgO时加入少量FeO,在氢气氛和氧分压低时都不能促进烧结,只有在氧分压高(de)气氛下才促进烧结；（2）烧结Al2O3时,氢气易促进致密化而氮气妨碍致密化.试分析其原因.解：（1）对 FeO,易形成负离子过剩型非化学计量化合物,其缺陷反应式为：另外,在MgO(de)烧结中是正离子起扩散起控制作用(de)烧结过程,因而氧气氛和氧分压较高是有利(de).（2） 烧结氧化铝Al 2O 3时,由于氢原子半径很小,扩散系数较大,易于扩散而有利于闭气孔(de)清除；而原子半径大(de)氮则由于其扩散系数较小难于扩散而阻碍烧结.8-22 磁性氧化物材料被认为是遵循正常晶粒长大方程.当颗粒尺寸增大超出1μm(de)平均尺寸时,则磁性和强度等性质就变坏,未烧结前(de)原始颗粒大小为μm.烧结30min 使晶粒尺寸长大为原来(de)3倍.因大坯件翘曲,生产车间主任打算增加烧结时间.你想推荐(de)最长时间是多少 解：由D 0=μm 和t=30min,D=3D 0=μm 可得：D 2-D 02=kt K=30μm 2/minD=1μm,12-（）2=kt=30t∴ t=8-23 分析添加物是如何影响烧结(de).解：（1）外加剂与烧结主体形成固溶体两者离子产生(de)晶格畸变程度越大,越有利于烧结.例：Al2O3中加入3％Cr2O3可在1860℃烧结；当加入1～2％TiO2只需在约1600℃就能致密化.（2）外加剂与烧结主体形成液相在液相中扩散传质阻力小,流动传质速度快,降低了烧结温度和提高了坯体(de)致密度.例：制95％Al2O3材料,加入CaO、SiO2,当CaO:SiO2=1时,产生液相在1540℃即可烧结.（3）外加剂与烧结主体形成化合物抑制晶界移动.例：烧结透明Al2O3时,加入MgO或MgF2,形成MgAl2O4（4）外加剂阻止多晶转变例：ZrO2中加入5％CaO.（5）外加剂（适量）起扩大烧结范围(de)作用例：在锆钛酸铅材料中加入适量La2O3和Nb2O5,可使烧结范围由20～40℃ 增加到80℃.8-24为了减少烧结收缩,可把直径1μm(de)细颗粒（约30％）和直径50μm(de)粗颗粒进行充分混合,试问此压块(de)收缩速率如何如将1μm和50μm以及两种粒径混合料制成(de)烧结体log（△L/L）(de)log t和(de)曲线分别绘入适当位置,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(de)重排阶段,相对收缩近似地和时间(de)次方成比例,说明致密化速度减慢了,若将式（1）和式（2）以对作图,则曲线斜率分别接近于和1.各曲线可明显(de)分为三段,初期斜率接近于1,中期粗略(de)接近于,至于后期,曲线十分(de)平坦,说明在后期致密化速度减慢了.8-25 影响烧结(de)因素有哪些最易控制(de)因素是哪几个解：（1）粉末(de)粒度.细颗粒增加了烧结推动力,缩短原子扩散距离,提高颗粒在液相中(de)溶解度,从而导致烧结过程(de)加速.（2）外加剂(de)作用.在固相烧结中,有少量外加剂可与主晶相形成固溶体,促进缺陷增加,在液相烧结中,外加剂改变液相(de)性质（如粘度,组成等）,促进烧结.（3）烧结温度：晶体中晶格能越大,离子结合也越牢固,离子扩散也越困难,烧结温度越高. 保温时间：高温段以体积扩散为主,以短时间为好,低温段为表面扩散为主,低温时间越长,不仅不引起致密化,反而会因表面扩散,改变了气孔(de)形状而给制品性能带来损害,要尽可能快地从低温升到高温,以创造体积扩散条件.（4）盐类(de)选择及其煅烧时条件(de)影响：盐类(de)选择：用能够生成粒度小、晶格常数较大、微晶较小、结构松弛(de)MgO(de)原料盐来获得活性MgO,其烧结活性良好.煅烧时条件：煅烧温度愈高,烧结活性愈低(de)原因是由于MgO(de)结晶良好,活化能增高所造成(de).（5）气氛(de)影响：氧化,还原,中性.（6）成形压力影响：一般说成型压力越大颗粒间接触越紧密,对烧结越有利.除上述六点以外,还有生坯内粉料(de)堆积程度、加速热度、保温时间、粉料(de)粒度分布等.。
烧结基础知识
1. 烧结基础知识2. 烧结的含义将含铁粉状料或细粒料进行高温加热，在不完全熔化的条件下烧结成块的过程。
铁矿粉烧结是一种人造富矿的过程.2.1. 烧结的方法(1)鼓风烧结：烧结锅,平地吹；(2)抽风烧结：(a)连续式:带式烧结机和环式烧结机等；(b)间歇式：固定式烧结机，如盘式烧结机和箱式烧结机;移动式烧结机，如步进式烧结机；(3)在烟气中烧结：回转窑烧结和悬浮烧结。
2.2. 烧结生产的工艺流程一般包括:原燃料的接受、贮存，溶剂、燃料的准备，配料，混合，制粒，布料，点火烧结，热矿破碎，热矿筛分，热矿冷却，冷矿筛分，铺底料、成品烧结矿及返矿的贮存、运输等工艺环节。
机上冷却工艺不包括热矿破碎和热矿筛分。
现代烧结工艺流程不再使用热矿工艺,应使用冷矿工艺。
在冷矿工艺中，宜推广具有铺底料系统的流程。
2.3. 烧结厂主要技术经济指标烧结厂的主要技术经济指标包括利用系数、作业率、质量合格率、原材料消耗定额等。
2.3.1. 利用系数每台烧结机每平方米有效抽风面积(m2)每小时(h）的生产量(t)称烧结机利用系数，单位为t/（m2*h）。
它用台时产量与烧结机有效抽风面积的比值表示：利用系数==台时产量是一台烧结机一小时的生产量，通常以总产量与运转的总台时之比值表示.这个指标体现烧结机生产能力的大小，它与烧结机有效面积的大小无关。
利用系数是衡量烧结机生产效率的指标，它与烧结机有效面积的大小无关。
2.3.2. 烧结机作业率作业率是设备工作状况的一种表示方法，以运转时间占设备日历时间的百分数表示：设备作业率=×100％日历台时是个常数,每台烧结机一天的日历台时即为24台时。
它与台数、时间有关。
日历台时=台数×24×天数事故率是指内部事故时间与运转时间的比值，以百分数表示:事故率=×100%设备完好率是衡量设备良好状况的指标。
按照完好设备的标准,进行定期检查。
设备完好率是全厂完好设备的台数与设备总台数的比值，用百分数表示：设备完好率=×100％2.3.3. 质量合格率烧结矿的化学成分和物理性能符合原冶金部YB/T421标准要求的叫烧结矿合格品，不符合的烧结矿叫出格品。
(硅酸盐) 烧结过程
3)烧结与固相反应 (1)相同点: 烧结与固相反应均在低于材料熔点或熔融温度之下进 行,且在过程的自始至终都至少有一相是固态; 不同点:固相反应必须至少有两组元参加,烧结过程可 以只有单组元,或者两组元参加,但两组元并不发生化学 反应,即可以在不发生任何化学反应的情况下,仅仅通过 表面能驱动,简单地将固体粉末成型体加热而转变坚硬 密实的烧结体; (2)烧结体除可见的收缩外,微观晶相组成并未变化, 仅仅是晶相显微组织上排列致密和结晶程度更完善,但 随着粉末体变为致密体,物理性能随之有相应的变化; (3)实际生产中,烧结与固相反应往往同时穿插进行。 固态物质烧结时,可能同时伴随固相反应或局部熔融出 现液相。
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(2)烧成的含义及包括的范围更宽,而烧结只是烧成过 程的一个重要部分。 2)烧结和熔融 (1)烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行； (2)烧结开始温度(TS,也称为泰曼温度):指固体物质 开始烧结的温度,在该温度下,固体质点具有明显可动 性,呈现出显著扩散,烧结以可以度量的速度进行。 (3)烧结开始温度(TS)和熔融温度(Tm)的关系： 金属粉末:TS≈(0.3-0.4)Tm；盐类:TS≈0.57Tm；硅 酸盐:TS≈0.8-0.9Tm (4)烧结和熔融都是由原子热振动而引起,但熔融时全 部组元都转变为液相,而烧结时至少有一组元是处于固 态。
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图10.1 烧结现象示意图 a-颗粒聚集; b-开口堆集体中颗粒 中心逼近; c-封闭堆积体中颗粒 中心逼近
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同时,粉末压块的性 质也随这些物理过程 的进展而出现坯体体 积收缩、气孔率下降、 致密度提高、强度增 加、电阻率下降、晶 粒尺寸增大等变化如 图所示。 因此,衡量烧结程度 的指标:烧结程度可以 用坯体收缩率、气孔 率、吸水率或烧结体 密度与理论密度之比 (相对密度)等指标来 衡量。
《材料物理性能》课后习题答案
20℃ =1023*e-21.83=3.32*1013cm-3
500℃ =1023*e-8=2.55*1019cm-3
TiO2
20℃
=1.4*10-3cm-3
500℃
=1.6*1013cm-3
(2) 20℃
=3.32*1013*1.6*10-19(1450+500)
=1.03*10-2（Ω-1.cm-1）
（2）半导体的电导率σ（Ω-1.cm-1）可表示为 ，式中n为载流子浓度（cm-3），e为载流子电荷（电荷1.6*10-19C）,μ为迁移率（cm2.V-1.s-1）当电子（e）和空穴（h）同时为载流子时， 。假定Si的迁移率μe=1450（cm2.V-1.s-1），μh=500（cm2.V-1.s-1），且不随温度变化。求Si在室温（20℃）和500℃时的电导率
500℃
=2.55*1019*1.6*10-19(1450+500)
=7956（Ω-1.cm-1）
4-2.根据缺陷化学原理推导
（1）ZnO电导率与氧分压的关系。
（4）讨论添加Al2O3对NiO电导率的影响。
解：（1）间隙离子型：
或
（4）添加Al2O3对NiO：
添加Al2O3对NiO后形成阳离子空位多，提高了电导率。
4-3本征半导体中，从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴参与电导。激发的电子数n可近似表示为： ，式中N为状态密度，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。试回答以下问题：
（1）设N=1023cm-3,k=8.6”*10-5eV.K-1时, Si(Eg=1.1eV),TiO2(Eg=3.0eV)在室温（20℃）和500℃时所激发的电子数（cm-3）各是多少：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ解：
无机材料科学基础《烧结》知识点
（１）常压烧结：又称无压烧结。
属于在大气压条件下坯体自由烧结的过程。
在无外加动力下材料开始烧结，温度一般达到材料的熔点０．５－０．８即可。
在此温度下固相烧结能引起足够原子扩散，液相烧结可促使液相形成或由化学反应产生液相促进扩散和粘滞流动的发生。
常压烧结中准确制定烧成曲线至关重要。
合适的升温制度方能保证制品减少开裂与结构缺陷现象，提高成品率。
（２）热压烧结与热等静压烧结：热压烧结指在烧成过程中施加一定的压力（在１０～４０ＭＰａ），促使材料加速流动、重排与致密化。
采用热压烧结方法一般比常压烧结温度低１００ºC左右，主要根据不同制品及有无液相生成而异。
热压烧结采用预成型或将粉料直接装在模内，工艺方法较简单。
该烧结法制品密度高，理论密度可达９９％，制品性能优良。
不过此烧结法不易生产形状复杂制品，烧结生产规模较小，成本高。
作为陶瓷烧结手段，利用来自于表面能的表面应力而达到致密化的常压烧结法虽是一般常用的方法，但是，不依赖于表面应力，而在高温下借助于外压的方法，也是可以采用的。
这就是称为热压法的烧结方法。
广义来说，在加压下进行烧结的方法包括所有这类方法，超高压烧结和热等静压（HIP）烧结也属于这类方法。
不过，一般都作为在高温下施加单轴压力进行烧结的方法来理解。
其基本结构示于图1。
首先，制备粉体试料，置于模型中，在规定温度下加热、加压，获得烧结体。
由于下述原因而采用这种方法：（1）烧结温度降低；（2）烧结速度提高；（3）使难烧结物质达到致密化。
因为能够在颗粒成长或重新结晶不大可能进行的温度范围达到致密化，所以，可获得由微小晶粒构成的高强度、高密度烧结体。
图2所示，是热压对陶瓷致密化影响效果之一例。
将热压作为制造制品的手段而加以利用的实例有：氧化铝、铁氧体、碳化硼、氮化硼等工程陶瓷。
连续热压烧结生产效率高，但设备与模具费用较高，又不利于过高过厚制品的烧制。
热等静压烧结可克服上述弊缺，适合形状复杂制品生产。
无机非金属材料基础第十章烧结PPT课件
热压烧结法
总结词
提高制品致密度和性能的烧结方法
详细描述
热压烧结法是一种在加热的同时施加压力的烧结方法。通过在高温下施加压力， 可以促进材料内部的传质过程，减小孔隙率，提高制品的致密度和性能。该方法 特别适用于制备高性能陶瓷材料。
玻璃烧结是一种将玻璃原料在高温下熔化成玻 璃制品的过程。它在玻璃工业中广泛应用，如 玻璃瓶、玻璃管、玻璃板等。
玻璃烧结的工艺参数包括温度、气氛、冷却速度 和配料成分等，这些参数对玻璃的性能和结构有 重要影响。
复合材料的烧结应用
复合材料烧结是一种将复合材料在高温下烧结成制品 的过程，广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。
其他材料的烧结应用还包括在化学工 业中制造催化剂和吸附剂等，以及在 农业中制造肥料和农药等。
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烧结的挑战与未来发展
技术挑战
烧结工艺优化
烧结过程控制技术
提高烧结产品的致密度、强度和性能 稳定性，降低能耗和生产成本。
研究烧结过程中的传热、传质机制， 实现烧结过程的精确控制和优化。
未来发展方向
智能化制造
利用先进的信息技术实现烧结过 程的智能化控制和优化，提高生
产效率和产品质量。
新材料研发
研究新型无机非金属材料，拓展 其在新能源、环保等领域的应用
。
绿色制造
坚持绿色发展理念，实现无机非 金属材料的可持续发展，推动产
业升级和转型。
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新型烧结技术的研发
探索新型烧结方法，如微波烧结、放 电等离子烧结等，提高烧结效率和质 量。