烧结

烧结分类
根据过程是否施加压力： 根据过程是否施加压力： 根据是否采用强化手段： 根据是否采用强化手段： 根据体系的组元
10.2 烧结过程
从烧结体的宏观性质随温度的变化上来认识烧 结过程。 结过程。 把烧结过程用模型来表示， 把烧结过程用模型来表示，以增强对烧结烧结初期： 烧结中期： 烧结中期： 烧结后期： 烧结后期：
烧结推动力
粉状物料的----大于 多晶烧结体的 大于多晶烧结体的 粉状物料的 大于 多晶烧结体的----， 是烧 ， 结的推动力。 结的推动力。 烧结不能自发进行，必须对粉体加以高温， 烧结不能自发进行，必须对粉体加以高温，才 能使粉体转变为烧结体。（不可逆过程） 能使粉体转变为烧结体。 不可逆过程）
气相传质（蒸发-凝聚传质） 气相传质（蒸发-凝聚传质）
由于颗粒表面各处的曲率不同， 由于颗粒表面各处的曲率不同，各处相应的蒸 气压大小也不同。 气压大小也不同。 质点易从高能的凸处（ 表面） ， 质点易从高能的凸处 （ 表面 ） ---， 然后通过 气相传递到低能的凹处（ 颈部） ， 气相传递到低能的凹处 （ 颈部 ） ---， 使颗粒 的接触面增大， 的接触面增大， 颗粒和空隙形状改变使成型体变成具有一定几 何形状和性能的烧结体。 何形状和性能的烧结体。
扩散传质
空位扩散从颈表面向颗粒接触点进行， 空位扩散从颈表面向颗粒接触点进行，其次是 由颈部向颗粒内部扩散。 由颈部向颗粒内部扩散。 空位扩散即原子或离子的反向扩散。 空位扩散即原子或离子的反向扩散。 扩散传质时， 扩散传质时，原子或离子由颗粒接触点向颈部 迁移，达到填充气孔的效果。 迁移，达到填充气孔的效果。 一定温度下空位浓度差是与表面张力成比例的， 一定温度下空位浓度差是与表面张力成比例的， 因此由扩散机理进行的烧结过程， 因此由扩散机理进行的烧结过程，其推动力也 是-------。 。
蒸发-凝聚传质 蒸发-凝聚传质
此传质过程仅仅在高温下蒸汽压较大的系统内 此传质过程仅仅在高温下蒸汽压较大的系统内 进行。 FeO、BeO、PbO的烧结。 进行。如FeO、BeO、PbO的烧结。
蒸发－ 蒸发－凝聚传质
采用的模型 球形颗粒表面有正曲率半径。 球形颗粒表面有正曲率半径。 两颗粒连接处有一负曲率半径的颈部。 两颗粒连接处有一负曲率半径的颈部。 物质从凸形颗粒表面蒸发， 物质从凸形颗粒表面蒸发，通过气相传递到凹 形颈部，使颈部逐渐填充。 形颈部，使颈部逐渐填充。
扩散传质
库津斯基颈部应力模型 烧结初期因粘附作用使粒子间的接触界面逐渐 扩大并形成具有负曲率的接触区。 扩大并形成具有负曲率的接触区。
扩散传质
作用在颈部面积元上的张应力为： 作用在颈部面积元上的张应力为： 两相互接触晶粒处于平衡，颈部的张应力由两 两相互接触晶粒处于平衡， 个颗粒接触中心处同样大小的压应力p平衡。 个颗粒接触中心处同样大小的压应力p平衡。
蒸发－凝聚传质 蒸发－
3 2 1 2
动力学方程
球形颗粒接触面颈部增长速率： 球形颗粒接触面颈部增长速率：
3 π ⋅ γ ⋅ M ⋅ P0 3 − 3 3 x =( ) ⋅ r ⋅t 3 3 r 2 ⋅ R 2 ⋅T 2 ⋅ d 2
1
式中： 式中：x－球形颗粒颈部半径 r－球形颗粒半径 P0 －球形颗粒表面蒸气压 t－时间
r = ( kT
2
) r
t
颗粒中心距逼近的速率： 颗粒中心距逼近的速率：
5γδ 3 DV 5 − 5 5 ∆V ∆L =3 = 3( ) r t V L kT
6 2
烧结工艺控制因素 扩散传质 烧结工艺控制因素
烧结---烧结---原料的-------原料的-------颈部增长与粉料粒度的---方成正比。 ---方成正比 颈部增长与粉料粒度的---方成正比。 烧结---烧结----
扩散传质
真实系统，球体尺寸、堆积方式不同， 真实系统，球体尺寸、堆积方式不同，颈部形 状不规则使接触点上应力分布产生局部剪应力。 状不规则使接触点上应力分布产生局部剪应力。 出现晶粒彼此沿晶界剪切滑移， 出现晶粒彼此沿晶界剪切滑移，滑移方向由不 平衡的剪应力方向而定。 平衡的剪应力方向而定。 烧结开始阶段，在剪应力作用和流体静压力下， 烧结开始阶段，在剪应力作用和流体静压力下， 颗粒出现重排，使坯体堆积密度提高， 颗粒出现重排，使坯体堆积密度提高，气孔率 降低，坯体出现收缩。 降低，坯体出现收缩。
扩散传质途径
表面扩散 界面扩散 体积扩散 扩散的终点是-------扩散的终点是--------。 --------。
扩散传质 初期动力学方程
表面扩散的作用较显著， 表面扩散的作用较显著，坯体内有大量连通 气孔， 气孔，表面扩散使颈部填充和促使孔隙表面 光滑和气孔球形化。 光滑和气孔球形化。 1 3 1 颈部增长速率： 颈部增长速率： x 20 γδ 3 D V 5 − 5 5
被水膜包裹的两固体球的粘附
物质的传递
烧结过程中物质传递的途径是多样的， 烧结过程中物质传递的途径是多样的，相应的 机理也各不相同。但它们都是以-----作为动力 机理也各不相同。但它们都是以-----作为动力 ----的。 --传质 --传质 --传质 传质、 传质、 传质。 有--传质、--传质、--传质 、-－传质。
扩散传质
晶粒中心靠近机理 使颗粒中心距缩短必须有物质向气孔迁移， 使颗粒中心距缩短必须有物质向气孔迁移，空 位进行反向迁移。 位进行反向迁移。 颗粒点接触处的应力促使扩散传质中物质的定 向迁移。 向迁移。 无应力晶体内的空位浓度: 无应力晶体内的空位浓度:
扩散传质
颗粒接触的颈部、 颗粒接触的颈部、中心处分别受张应力和压应 不同部位空位形成功不同： 力，不同部位空位形成功不同： 张应力区 无应力区 压应力区 不同区域引起空位浓度差异。 不同区域引起空位浓度差异。颗粒不同部位空 位浓度为： 位浓度为： 颈表面 晶粒内部 颗粒接触中心
平板模型、 球-平板模型、双球模型 平板模型
颗粒的粘附作用
粘附是固体表面的普遍性质，缘于固体---。 粘附是固体表面的普遍性质，缘于固体---。 --两表面靠近到表面力场作用范围时发生键合而 粘附。 粘附。 粘附力的大小取决于物质的表面能和接触面积， 粘附力的大小取决于物质的表面能和接触面积， 粉状物料间的粘附作用特别显著。 粉状物料间的粘附作用特别显著。 粘附作用是烧结初始阶段， 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 生键合、靠拢和重排， 个原因。 个原因。
弯曲表面上的附加压力与球形颗粒曲率半径成 反比，与粉料表面张力成正比。 反比，与粉料表面张力成正比。 粉料越细，曲率半径引起的推动力越大。 粉料越细，曲率半径引起的推动力越大。
10.3 烧结机理
烧结模型——双球模型 双球模型 烧结模型 粉末压块是由等径球体作为模型。 粉末压块是由等径球体作为模型。 随着烧结进行，接触点处开始形成颈部， 随着烧结进行，接触点处开始形成颈部，并逐 渐扩大，最后烧结成一个整体。 渐扩大，最后烧结成一个整体。 烧结机理不同，引起颈部增长的方式不同， 烧结机理不同，引起颈部增长的方式不同，有 中心距不变与缩短两种情况。 中心距不变与缩短两种情况。
表面能来源
粉料在粉碎与研磨的过程中消耗的机械能， 粉料在粉碎与研磨的过程中消耗的机械能，以 表面能形式贮存在粉体中。 表面能形式贮存在粉体中。 粉碎引起晶格缺陷，使内能增加。 粉碎引起晶格缺陷，使内能增加。
烧结难易程度的表示方法
--------比值来衡量烧结的难易 材料-比值来衡量烧结的难易， 用--------比值来衡量烧结的难易，材料-------越小，越容易烧结，反之难烧结。 ------越小，越容易烧结，反之难烧结。 越小 为了促进烧结，必须使---------。 为了促进烧结，必须使-----。
烧结中期和后期无显著差异， 烧结中期和后期无显著差异，当温度和晶粒 尺寸不变时，气孔率随烧结时间线性减少。 尺寸不变时，气孔率随烧结时间线性减少。
液相烧结与固相烧结的比较
共同点： 共同点： 不同点： 不同点：
流动传质
在表面张力作用下通过变形、 在表面张力作用下通过变形、流动引起的物质 迁移。 迁移。 属于这类机理的有---流动和 流动和----流动。 流动。 属于这类机理的有 流动和 流动
接触面积扩大
颗粒 聚集
中心距逼近
气孔形状变化
体积缩小 气孔孤立 大部分气孔 从晶体中排除
形成 晶界
这些物理过程随烧结温度升高而逐渐推进。
与烧结有关的一些概念 烧结与烧成 烧结与熔融 烧结与固相反应
烧结分类
按烧结时是否出现液相分： 按烧结时是否出现液相分： 固相烧结： 固相烧结： 液相烧结： 液相烧结： 新型烧结方法 热压、 活化、 电火花、 烧结方法： 新型 烧结方法 ： 热压 、 活化 、 电火花 、 无包套 热等静压、微波烧结等。 热等静压、微波烧结等。
颈部半径x与影响生长的变量----的关系。 颈部半径x与影响生长的变量----的关系。 ----的关系 接触颈部的生长x/r x/r随 -----次方变化 次方变化。 接触颈部的生长x/r随t的-----次方变化。 以氯化钠球进行烧结试验，证明其正确性。 以氯化钠球进行烧结试验，证明其正确性。
蒸发－ 蒸发－凝聚传质
烧结的定义
揭示本质、机理的定义： 揭示本质、机理的定义： 有的烧结过程并不希望收缩（ 有的烧结过程并不希望收缩（气孔尽可能不排 ），只要求颗粒之间牢固结合起来 只要求颗粒之间牢固结合起来， 除），只要求颗粒之间牢固结合起来，形状不 变而强度增加。 变而强度增加。
烧结过程中坯体所发生的变化
颗粒间 点接触
蒸发－ 蒸发－凝聚传质
颗粒半径r和颈部曲率半径ρ之间的关系： 颗粒半径r和颈部曲率半径ρ之间的关系：
ln p1 γ ⋅ M 1 1 = ( + ) p0 d ⋅ RT ρ r