烧结理论简介PPT资料.ppt
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1、断裂强度断裂强度晶粒尺寸晶粒尺寸G强度强度2、气孔、气孔强度强度(应力集中点应力集中点);
透明度透明度(散射散射);
铁电性和磁性。
Engineering主要内容主要内容1、烧结推动力及模型、烧结推动力及模型2、固相烧结和液相烧结过程中的、固相烧结和液相烧结过程中的四种基本传质四种基本传质产生的原因产生的原因、条件、特点和动力学方程条件、特点和动力学方程。
3、烧结过程中、烧结过程中晶粒生长与二次再结晶的控制晶粒生长与二次再结晶的控制。
4、影响烧结的因素。
、影响烧结的因素。
Engineering收缩收缩a收缩收缩b收缩收缩无无气孔的气孔的多晶体多晶体c说明:
说明:
a:
颗粒聚焦颗粒聚焦b:
开口堆积体中颗开口堆积体中颗粒中心逼近粒中心逼近c:
封闭堆积体中颗封闭堆积体中颗粒中心逼近粒中心逼近烧结现象示意图烧结现象示意图141411概述概述SchoolofMaterialsScience&
Engineeringa)烧结前烧结前b)烧结后烧结后图图铁铁粉粉烧结的烧结的SEM照片照片SchoolofMaterialsScience&
Engineering烧结过程中性质的变化:
烧结过程中性质的变化:
Engineering一、烧结的定义及分类一、烧结的定义及分类物理性质物理性质变化:
变化:
V、气孔率气孔率、强度强度、致密度、致密度定义定义1:
一种或多种粉末经成型,在加热到一定温:
一种或多种粉末经成型,在加热到一定温度后开始收缩,度后开始收缩,在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体。
在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体。
缺点缺点:
只描述宏观变化,未揭示本质。
定义定义2:
由于分子或原子的吸引,通过加热使粉体产生颗粒粘结,:
由于分子或原子的吸引,通过加热使粉体产生颗粒粘结,经过物质迁移使粉末产生强度并致密化和再结晶的过程。
经过物质迁移使粉末产生强度并致密化和再结晶的过程。
衡量烧结的衡量烧结的指标指标:
收缩率、气孔率、吸水率、相对密度收缩率、气孔率、吸水率、相对密度SchoolofMaterialsScience&
Engineeringo按照烧结时是否出现液相,可将烧结分为两类:
按照烧结时是否出现液相,可将烧结分为两类:
固相烧结固相烧结液相烧结液相烧结烧结温度下基本上无液相出烧结温度下基本上无液相出现的烧结,如高纯氧化物之现的烧结,如高纯氧化物之间的烧结过程。
间的烧结过程。
有液相参与下的烧结,如多组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分物系在烧结温度下常有液相出现。
出现。
近年来,在研制特种结构材料和功能材料的同时,产近年来,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。
烧结,微波烧结等。
Engineering图图1热压炉热压炉SchoolofMaterialsScience&
Engineeringo图图2放电等离子体烧结炉(放电等离子体烧结炉(SPS)SchoolofMaterialsScience&
Engineeringo图图3气压烧结炉(气压烧结炉(GPS)SchoolofMaterialsScience&
Engineeringo图图4微波烧结炉微波烧结炉SchoolofMaterialsScience&
Engineering二、与烧结有关的一些概念二、与烧结有关的一些概念1、烧结与烧成、烧结与烧成烧成:
在一定的温度范围内烧制成致密体的过程。
烧成:
烧结:
粉料经加热而致密化的简单物理过程。
2、烧结与熔融、烧结与熔融烧结:
至少一组元为固态烧结:
至少一组元为固态熔融熔融:
固体熔化成熔体固体熔化成熔体3、烧结与固相反应、烧结与固相反应相同点:
相同点:
反应进行温度均低于熔点反应进行温度均低于熔点不同点:
是否为化学反应不同点:
是否为化学反应SchoolofMaterialsScience&
Engineering三、烧结过程推动力三、烧结过程推动力粉状物料的表面能粉状物料的表面能多晶烧结体的晶界能多晶烧结体的晶界能*烧结能否自发进行?
烧结能否自发进行?
结论结论:
由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比,:
由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比,很小,因而不能自发进行很小,因而不能自发进行,必须加热必须加热!
Engineering例例:
Al2O3:
两者差别较大,易烧结;
共价化合物如共价化合物如Si3N4、SiC、AlN难烧结。
难烧结。
*烧结难易程度的判断:
烧结难易程度的判断:
愈小愈易烧结,反之难烧结。
Engineering*推动力与颗粒细度的关系:
推动力与颗粒细度的关系:
颗粒堆积后,有很多细小气孔弯曲表面由于表面颗粒堆积后,有很多细小气孔弯曲表面由于表面张力而产生压力差,张力而产生压力差,结论结论:
粉料愈细,由曲率而引起的烧结推动力愈大:
粉料愈细,由曲率而引起的烧结推动力愈大!
Engineering四、烧结模型四、烧结模型1945年以前:
年以前:
粉体压块粉体压块1945年后,年后,G.C.Kuczynski(库津斯基库津斯基)提出:
提出:
双球模型双球模型中中心心距距不不变变中中心心距距缩缩短短SchoolofMaterialsScience&
Engineering141422固态烧结固态烧结对对象:
象:
单一粉体的烧结。
主要传质方式:
蒸发凝聚蒸发凝聚扩扩散散SchoolofMaterialsScience&
Engineering一、蒸发凝聚传质一、蒸发凝聚传质rx表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压P分别低于和高于平分别低于和高于平面表面处的蒸气压面表面处的蒸气压Po,并可以用开尔文本公式表达:
并可以用开尔文本公式表达:
对于球形表面对于球形表面
(1)对于非球形表面对于非球形表面
(2)表表面面凹凹凸凸不不平平的的固固体体颗颗粒粒,其其凸凸处处呈呈正正压压,凹凹处处呈呈负负压,故存在着使物质自凸处向凹处迁移。
压,故存在着使物质自凸处向凹处迁移。
Engineering存在范围存在范围:
在高温下蒸汽压较大的系统:
在高温下蒸汽压较大的系统(NaClKClBeOPbO)。
硅酸盐材料不多见。
传质原因传质原因:
曲率差别产生:
曲率差别产生P条件条件:
颗粒足够小,:
颗粒足够小,r10m定量关系定量关系:
PSchoolofMaterialsScience&
Engineering根据根据烧结的模型烧结的模型(双球模型双球模型中心距不变中心距不变)蒸发凝聚机理蒸发凝聚机理(凝聚速率颈部体积增加凝聚速率颈部体积增加)球形颗粒接触面积颈部生长速率关系式球形颗粒接触面积颈部生长速率关系式讨论讨论:
1、x/rt1/3,证明初期证明初期x/r增大很快,增大很快,但时间延长,很快停止。
但时间延长,很快停止。
说明说明:
此类传质不能靠延长时间达到烧结。
t2、温度、温度T增加,有利于烧结。
增加,有利于烧结。
3、颗粒、颗粒粒度粒度,愈小烧结速率愈大。
,愈小烧结速率愈大。
4、特点:
烧结时颈部扩大,气孔形状改变,但双球、特点:
烧结时颈部扩大,气孔形状改变,但双球之间中心距不变,因此之间中心距不变,因此坯体不发生收缩,密度不变坯体不发生收缩,密度不变。
Engineering二、扩散传质二、扩散传质对象对象:
多数固体材料,由于其蒸汽压低。
(一一)、颈部应力模型、颈部应力模型(见书图见书图146)SchoolofMaterialsScience&
Engineering说明:
颈部应力主要由说明:
颈部应力主要由(张应力张应力)理理想想状状况况实实际际状状况况颗粒尺寸、形状、堆积方式不同,颗粒尺寸、形状、堆积方式不同,颈颈部形状不规则部形状不规则接触点局部产生剪应力接触点局部产生剪应力晶界滑移,颗粒重排晶界滑移,颗粒重排堆积密度堆积密度,气孔率,气孔率,坯体收缩,坯体收缩(但颗粒形状不变,气孔不可能完全消除。
但颗粒形状不变,气孔不可能完全消除。
)颈部应力颈部应力SchoolofMaterialsScience&
Engineering(二二)、颗粒中心靠近机理、颗粒中心靠近机理中心距缩短中心距缩短,必有物质向气孔迁移,气孔作为,必有物质向气孔迁移,气孔作为空位源。
空位源。
空位消失的部位空位消失的部位:
自由表面、晶界、位错。
考查考查空位浓度变化空位浓度变化。
Engineering有应力存在时空位形成所需的有应力存在时空位形成所需的附加功附加功(有张应力时有张应力时)(有压应力时有压应力时)空位形成能空位形成能:
无应力时:
EV结论结论:
张应力区空位形成能:
张应力区空位形成能无应力区无应力区C0Cc1C2C从式可见,在一定温度下从式可见,在一定温度下空位浓度差是与表面张空位浓度差是与表面张力成比例力成比例的,因此由扩散机理进行的烧结过程,的,因此由扩散机理进行的烧结过程,其推动力也是其推动力也是表面张力表面张力。
Engineering3、扩散途径、扩散途径(结论结论:
CtC0Cc1C2C)空位扩散空位扩散:
优先优先由颈表面由颈表面接触点;
接触点;
其次其次由颈表面由颈表面内部扩散内部扩散原子扩散原子扩散:
与空位扩散:
与空位扩散方向方向相反,相反,扩散终点:
颈部扩散终点:
颈部。
扩散途径扩散途径:
(参见参见P264,图图148)表面扩散表面扩散界面扩散界面扩散体积扩散体积扩散Schoolof
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