材料科学基础章烧结

§14– 2 固态烧结
固态烧结完全是固体颗粒之间的高温固结过程，没有 液相参与。固态烧结的主要传质方式有:蒸发一凝聚、扩散
传质和塑性流变。
一．蒸发-凝聚传质（推动力为蒸气压差Δ P） 1. 传质条件： a. 粉体在高温下有较 大的蒸气压； b. 凸凹面压差大 ΔP↑ (要求颗粒小) ；c.有足够高的温度。 2. 传质机理：由于颗粒表面（凸面 蒸气压比颈部（凹面）蒸气压高， 故质点从表面蒸发通过气相传递凝聚到颈部，而使颈部逐 渐被填充。这种传质过程仅仅在高温下蒸气压较大的系统 内进行，如氧化铅、氧化铍和氧化铁的烧结。
者之差可以由下式描述：
3 C Co RT
式中：ΔC为颗粒内部与表面的空位差；γ为表面能；δ3空 位体积；ρ曲率半径；Co为平表面的空位浓度。 这一浓度差导致内部质点向表面扩散，推动质点迁移，可
以加速烧结。
五.烧结过程的动力学描述方法
a. 坯体收缩率或颈部变化： dv/dt ， ΔV/V ， 颈部半径x/原始粒径r； b.气孔率和吸水率： dPc/dt； c.体积密度与理论密度之比θ：θ=烧结体 体积密度/真密度，dθ/dt。
2、压力差
粉末体紧密堆积以后，颗粒间仍有很多细小气孔 通过，在这些弯曲的表面上由于表面张力γ的作用而造
成的压力差为： ΔP=2γ/r （球面）； ΔP=γ(1/r1+1/r2) （非球面） 粉体表面张力γ↑、颗粒越细r↓→附加压力ΔP↑→自由 焓差值 ΔG =-VΔP↑→烧结推动力↑
3、空位差
颗粒表面上的空位浓度一般比内部空位浓度为大，二
பைடு நூலகம்
熔融：固体融化成熔体过程。烧结和熔融这两个过程都
是由原子热振动而引起的，但熔融时全部组元都转变
为液相，烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行 的，并且烧结时至少有一组元是处于固态。 烧结温度（TS）和熔点（TM）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
烧结与固相反应区别：
相同点：两个过程均在低于材料熔点或熔融温度之下进行， 并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： a.必须有二相参加，并有化学反应； b.产生 新的产物，结构发生变化； c.质点在化学位推动下发生 迁移，是一个化学过程。 烧结： a.一般只有一相，即使有二相也不起化学反应； b. 烧结前后组成不变，晶格结构不变； c.在表面能差值、 空位浓度差推动下由粉体变成致密体，是一个物理过程。 实际生产中烧结、固相反应往往是同时穿插进行的。
固相烧结：烧结发生在单纯的固体之间 液相烧结：有液相参与的烧结
4.烧结过程
有固相反应发生 不产生固相反应
5.烧结的特点 a.远低于熔点温度下，质点发生迁移、扩散、开 始烧结（0.3-0.5Tm）； b. 对 于 硅 酸 盐 材 料 ， 完 全 烧 结 温 度 在 （ 0.70.8Tm）； c.烧结主要是物理过程，但也伴随有固相反应； d.烧结前后主晶相不变化。
粒度为 lμm的材料烧结时所发生的自由焓降低约o为 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＞ 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。烧结不能自发进行，必须对粉体加以高温，才能 促使粉末体转变为烧结体。
二、烧结示意图
粉料成型后颗粒之间只 有点接触，形成具有一 定外形的坯体，坯体内 一般包含气体（约35 ％～60％）
在高温下颗粒间接触面 积扩大→ →颗粒聚集→ →颗粒中心距逼近→ → 形成晶界→ →气孔形状 变化，体积缩小→ →最 后气孔从晶体中排除， 这就是烧结所包含的主 要物理过程。
烧结体宏观上出现体积收缩，致密度提高 和强度增加，因此烧结程度可以用坯体收缩率、
§14–1 烧结概论
一、烧结定义 1.宏观定义：粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温 度，发生固结、气孔率下降、收缩加大、致密度提高、 晶粒增大，变成坚硬的烧结体，这个现象称为烧结。 2.微观定义：固态中分子（或原子）的相互吸引，通过 加热，质点获得足够的能量，进行迁移使粉末体产生颗 粒粘结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧 结。 3.烧结的分类
气孔率、吸水率或烧结体密度与理论密度之比
（相对密度）等指标来表示。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收 缩，气孔率下降、致密、强度增加、电阻率下 降等变化。随着烧结温度升高，气孔率下降；
密度升高；电阻下降；强度升高；晶粒尺寸增
大。
三、相关概念
烧成：在多相系统内产生一系列物理和化学变化。例如 脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结 等。顾名思义，是在一定的温度范围内烧制成致密体的 过程。 烧结：指粉料经加热而致密化的简单物理过程，不包括 化学变化。烧结仅仅是烧成过程的一个重要部分。烧结 是在低于固态物质的熔融温度下进行的。 烧成常常是一个工艺术语，烧结常常指一个物理化 学的名词。
六、烧结模型
烧结分烧结初期、中期、后期。中期和后期由于烧 结历程不同烧结模型各样，很难用一种模型描述。烧结 初期是从初始颗粒开始烧结，可以看成是圆形颗粒的点 接触，其烧结模型可以有下面三种形式。 a. 球型颗粒的点接触，烧结过程中心距离不变。 b. 球型颗粒的点接触，但是烧结过程中心距离变小。 c. 球型颗粒与平面的点接触，烧结过程中心距离也变小。
四、烧结过程推动力
烧结过程推动力是：能量差、压力差、空位差。
1、能量差: ΔG=A(γGB-γSV)< 0 粉状物料的表面能γSV大于多晶烧结体的晶界能 (γGB ， 这就是烧结的推动力，即粉状物料的表面能与多晶烧结 体的晶界能的能量差。任何系统降低能量是一种自发趋 势、粉体经烧结后，晶界能取代了表面能，这是多晶材 料稳定存在的原因。
常用γGB和γSV之比值来衡量烧结的难易， γGB /γSV愈小 →→愈容易烧结，为了促进烧结，必须使γSV > γGB 。一 般Al2O3粉的表面能约为1J/m2，而晶界能为0.4J/m2，两者 之差较大，比较易烧结；而 Si3N4 、 SiC 和 AlN 等， γGB / γSV比值高，烧结推动力小，因而不易烧结。