1、會計學1陶瓷材料的燒結陶瓷材料的燒結(shoji)第一頁，共99頁。陶瓷原料陶瓷原料原料原料(yunlio)加工加工配料配料(pi lio)計算計算坯體成型坯體成型陶瓷燒結陶瓷燒結陶瓷修飾陶瓷修飾第1頁/共99頁第二頁，共99頁。1 1、注漿成型、注漿成型(chngxng)(chngxng)4 4、其它成型、其它成型(chngxng)(chngxng)方法方法3 3、干壓成型、干壓成型2 2、可塑成型、可塑成型造粒成型、流延成型、軋膜成型和注射成型造粒成型、流延成型、軋膜成型和注射成型。坯料含水量：坯料含水量：1826%科研實驗研究常用的方法，設備簡單?？蒲袑嶒炑芯砍Ｓ玫姆椒?，設備簡單。坯料含

2、水量：坯料含水量：68%68%紙帶成型、滾壓成型、印刷成型、噴涂成型和爆炸成型等紙帶成型、滾壓成型、印刷成型、噴涂成型和爆炸成型等。常壓注漿成型、加壓注漿成型。常壓注漿成型、加壓注漿成型。坯料含水量：坯料含水量：3040%3040%第2頁/共99頁第三頁，共99頁。傣族傣族(D(Diz)iz)慢輪制陶技藝慢輪制陶技藝第3頁/共99頁第四頁，共99頁。陶瓷原料陶瓷原料原料原料(yunlio)加工加工配料配料(pi lio)計算計算坯體成型坯體成型陶瓷燒結陶瓷燒結陶瓷修飾陶瓷修飾第4頁/共99頁第五頁，共99頁。第5頁/共99頁第六頁，共99頁。本章學習的主要本章學習的主要(zhyo)(zhyo)

3、內(nèi)容和內(nèi)容和要求要求 5.1 5.1 概述（了解燒結的過程與分類）概述（了解燒結的過程與分類）5.2 5.2 燒結參數(shù)及其對燒結性能的影響（掌握，是重點）燒結參數(shù)及其對燒結性能的影響（掌握，是重點）5.3 5.3 固相燒結過程及機理（了解）固相燒結過程及機理（了解）5.4 5.4 液相燒結過程與機理（了解）液相燒結過程與機理（了解）5.5 5.5 特色燒結方法特色燒結方法(fngf)(fngf)（理解特色燒結方法（理解特色燒結方法(fngf)(fngf)的原理）的原理）5.6 5.6 燒結設備（掌握常見燒結設備的使用，是難點）燒結設備（掌握常見燒結設備的使用，是難點）5.7 5.7 最佳燒成制

4、度的確定（掌握確定的方法最佳燒成制度的確定（掌握確定的方法(fngf)(fngf)，是重點），是重點）第6頁/共99頁第七頁，共99頁。本次課學習的主要本次課學習的主要(zhyo)(zhyo)內(nèi)內(nèi)容容5.1 5.1 概述（了解燒結的過程與分類）概述（了解燒結的過程與分類）5.2 5.2 燒結參數(shù)燒結參數(shù)(cnsh)(cnsh)及其對燒結性能的影響（掌握）及其對燒結性能的影響（掌握）第7頁/共99頁第八頁，共99頁。裴李崗文化裴李崗文化(wnhu)時期（約時期（約8000年）年）商代（約商代（約3700年）年）秦代（約秦代（約2200年）年）漢代（約漢代（約1800年）年）第8頁/共99頁第九頁

5、，共99頁。唐代（約唐代（約1200年）年）宋代（約宋代（約1000年）年）元代（約元代（約700年）年）明清代明清代第9頁/共99頁第十頁，共99頁。世博和鼎 第10頁/共99頁第十一頁，共99頁。世博會紀念品 第11頁/共99頁第十二頁，共99頁。第12頁/共99頁第十三頁，共99頁。第五章第五章 陶瓷材料的燒結陶瓷材料的燒結(shoji)(shoji)5.1 5.1 概述概述 燒結（燒結（sinteringsintering）：是一種利用熱能使粉）：是一種利用熱能使粉末坯體致密化的技術。其具體的定義是指多孔末坯體致密化的技術。其具體的定義是指多孔狀陶瓷坯體在高溫條件下，表面積減小、孔隙狀

6、陶瓷坯體在高溫條件下，表面積減小、孔隙率降低率降低(jingd)(jingd)、機械性能提高的致密化過、機械性能提高的致密化過程。程。 第13頁/共99頁第十四頁，共99頁。燒結燒結(shoji)(shoji)的方法：的方法： 普通熱燒結普通熱燒結(shoji)(shoji) 電爐熱壓燒結電爐熱壓燒結(shoji)(shoji) 等離子體燒結等離子體燒結(shoji)(shoji) 微波燒結微波燒結(shoji)(shoji) 自蔓延燒結自蔓延燒結(shoji) (shoji) 第14頁/共99頁第十五頁，共99頁。5.2 5.2 燒結參數(shù)燒結參數(shù)(cnsh)(cnsh)及其對燒結性影響及其對

7、燒結性影響5.2.1 5.2.1 燒結燒結(shoji)(shoji)類型類型液相燒結液相燒結(shoji):(shoji):固相燒結固相燒結(shoji):(shoji):燒結過程有液相存在的燒結。坯體在固態(tài)情況下達到致密化的燒結過程。第15頁/共99頁第十六頁，共99頁。燒結過程燒結過程(guchng)示意相圖示意相圖BA固相燒結(shoji)液相燒結(shoji)組分溫度x1T1T2T3過渡液相燒結第16頁/共99頁第十七頁，共99頁。 (a) (a)固相燒結固相燒結(shoji)(shoji)和和(b)(b)液相燒結液相燒結(shoji)(shoji)樣品顯樣品顯微結構微結構 第17頁

8、/共99頁第十八頁，共99頁。5.2.2 5.2.2 燒結燒結(shoji)(shoji)驅動力驅動力 燒結的驅動力就是總界面能的減少。粉末坯體的總界面能可表示燒結的驅動力就是總界面能的減少。粉末坯體的總界面能可表示(biosh)(biosh)為為AA（為界面能，為界面能，A A為總的比表面積）。那么總界面能的減少為：為總的比表面積）。那么總界面能的減少為：AAA 其中，界面能的變化（其中，界面能的變化（）是因為樣品的致密化，比表面積的變化是由于晶粒的長大。對于固相燒結，）是因為樣品的致密化，比表面積的變化是由于晶粒的長大。對于固相燒結，主要主要(zhyo)是固是固/固界面取代固固界面取代固/

9、氣界面。氣界面。 第18頁/共99頁第十九頁，共99頁。在燒結在燒結(shoji)(shoji)驅動力的作用下燒結驅動力的作用下燒結(shoji)(shoji)過程過程中的基本現(xiàn)象中的基本現(xiàn)象 第19頁/共99頁第二十頁，共99頁。5.2.3 5.2.3 燒結燒結(shoji)(shoji)參數(shù)參數(shù)材料參數(shù)材料參數(shù) 粉粉 體體 形貌，粒度，粒度分布，團聚，混合均勻性等形貌，粒度，粒度分布，團聚，混合均勻性等化學特性化學特性 化學組分，純度，非化學計量性，絕對均勻性等化學組分，純度，非化學計量性，絕對均勻性等工藝參數(shù)工藝參數(shù)燒結溫度，時間，壓力，氣氛，升溫和降溫燒結溫度，時間，壓力，氣氛，升溫和

10、降溫速率速率等等第20頁/共99頁第二十一頁，共99頁。5.2.4 5.2.4 燒結參數(shù)燒結參數(shù)(cnsh)(cnsh)對燒結樣品性能對燒結樣品性能的影響的影響一、材料參數(shù)一、材料參數(shù)(cnsh)(cnsh)對燒結的影對燒結的影響響 （1 1）顆粒尺寸對燒結）顆粒尺寸對燒結(shoji)(shoji)的影響的影響 在一定溫度下，半徑為在一定溫度下，半徑為r1的一列球形顆粒所需要的燒結時間為的一列球形顆粒所需要的燒結時間為t1，半徑為，半徑為r2的另一列排列相同的球形顆粒燒結時間為的另一列排列相同的球形顆粒燒結時間為t2，則：，則： 1122)/(trrtn 如果顆粒尺寸從如果顆粒尺寸從1 m減

11、小到減小到0.01 m，則燒結時間降低，則燒結時間降低106到到108數(shù)量級。數(shù)量級。同時，小的顆粒尺寸可以使燒結體的密度提高，可降低燒結溫度、減少燒結時間同時，小的顆粒尺寸可以使燒結體的密度提高，可降低燒結溫度、減少燒結時間。 第21頁/共99頁第二十二頁，共99頁。（2 2）粉體結塊和團聚對燒結）粉體結塊和團聚對燒結(shoji)(shoji)的影響的影響 結塊：是指一小部分質量的顆粒通過表面力和結塊：是指一小部分質量的顆粒通過表面力和/ /或固體橋接作用結合在一或固體橋接作用結合在一起；團聚起；團聚(tunj)(tunj)：是指顆粒經(jīng)過牢固結合和：是指顆粒經(jīng)過牢固結合和/ /或嚴重反應形

12、成的粗大顆粒。或嚴重反應形成的粗大顆粒。結塊和團聚結塊和團聚(tunj)(tunj)形成的粗大顆粒都是通過表面力結合。形成的粗大顆粒都是通過表面力結合。細小顆粒在液體和固體介質中承受細小顆粒在液體和固體介質中承受(chngshu)(chngshu)吸引力和排斥力形成結塊和團聚體示吸引力和排斥力形成結塊和團聚體示意圖意圖 第22頁/共99頁第二十三頁，共99頁。（3 3）顆粒）顆粒(kl)(kl)形狀對燒結的影響形狀對燒結的影響顆粒形狀和液相體積含量顆粒形狀和液相體積含量(hnling)對顆粒之間作用對顆粒之間作用力的影響力的影響 只有在大量液相存在的情況下，才能只有在大量液相存在的情況下，才能

13、(cinng)使這些具有一定棱角使這些具有一定棱角形狀的形狀的陶瓷粉體之間形成較高的結合強度。陶瓷粉體之間形成較高的結合強度。 第23頁/共99頁第二十四頁，共99頁。（4 4）顆粒尺寸）顆粒尺寸(ch cun)(ch cun)分布對燒結的影響分布對燒結的影響 顆粒尺寸分布對最終燒結樣品密度的影響可以通過分析有關的動力學過程顆粒尺寸分布對最終燒結樣品密度的影響可以通過分析有關的動力學過程來研究，即分析由不同尺寸分布的坯體內(nèi)部，在燒結過程中來研究，即分析由不同尺寸分布的坯體內(nèi)部，在燒結過程中“拉出氣孔拉出氣孔(qkng)”（pore drag）和晶粒生長驅動力之間力的平衡作用。）和晶粒生長驅動力

14、之間力的平衡作用。 結論結論(jiln)：較小的顆粒尺寸分布范圍是獲取燒結高：較小的顆粒尺寸分布范圍是獲取燒結高 致密度的必要條件。致密度的必要條件。第24頁/共99頁第二十五頁，共99頁。（4 4）顆粒尺寸）顆粒尺寸(ch cun)(ch cun)分布分布影響陶瓷材料燒結影響陶瓷材料燒結(shoji)的材料參數(shù)的材料參數(shù):（1 1）顆粒）顆粒(kl)(kl)尺寸大小尺寸大?。? 2）粉體結塊和團聚）粉體結塊和團聚（3 3）顆粒形狀）顆粒形狀第25頁/共99頁第二十六頁，共99頁。 顆粒尺寸大小顆粒尺寸大小粉體結塊和團聚粉體結塊和團聚顆粒形狀顆粒形狀顆粒尺寸分布顆粒尺寸分布材材料料參參數(shù)數(shù)第2

15、6頁/共99頁第二十七頁，共99頁。2、燒結材料參數(shù)(cnsh)是如何影響陶瓷產(chǎn)品性能的？1、在陶瓷(toc)燒結過程中，原料顆粒尺寸愈小愈好對否？第27頁/共99頁第二十八頁，共99頁。二、影響二、影響(yngxing)陶瓷材料燒結的工藝參陶瓷材料燒結的工藝參數(shù)數(shù)（1 1）燒成溫度對產(chǎn)品）燒成溫度對產(chǎn)品(chnpn)(chnpn)性能的影響性能的影響 燒成溫度燒成溫度(wnd)：是指陶瓷坯體燒成時獲得最優(yōu)性質時的相應溫度：是指陶瓷坯體燒成時獲得最優(yōu)性質時的相應溫度(wnd)，即，即操作時的止火溫度操作時的止火溫度(wnd)。 （a）1240 （b）1280組成為組成為Pb0.95Sr0.05

16、(Zr0.58Ti0.47)+GeO 20.5%第28頁/共99頁第二十九頁，共99頁。1介電強度；2抗折強度燒成溫度對壓電陶瓷機電性能的影響(yngxing)曲線結論：燒結溫度的確定主要取決于配方結論：燒結溫度的確定主要取決于配方(pi fng)組成、組成、 坯料細度和對產(chǎn)品的性能要求。坯料細度和對產(chǎn)品的性能要求。第29頁/共99頁第三十頁，共99頁。（2 2）保溫）保溫(bown)(bown)時間對產(chǎn)品性能的影響時間對產(chǎn)品性能的影響 結論：使物理化學變化結論：使物理化學變化(binhu)(binhu)更趨完全，使坯體具有足夠液更趨完全，使坯體具有足夠液相量和適當?shù)木Я３叽纾皇菇M織結構趨于均

17、一。相量和適當?shù)木Я３叽?；使組織結構趨于均一。 1介電強度；2抗折強度保溫(bown)時間對電瓷機電性能的影響曲線第30頁/共99頁第三十一頁，共99頁。（3 3）燒成氣氛對產(chǎn)品）燒成氣氛對產(chǎn)品(chnpn)(chnpn)性能的影響性能的影響氣氛氣氛(qfn)對對Al2O3陶瓷燒結的影響曲線陶瓷燒結的影響曲線1C+H2；2H2；3Ar；4空氣；空氣；4水蒸氣水蒸氣第31頁/共99頁第三十二頁，共99頁。（3 3）燒成氣氛對產(chǎn)品性能）燒成氣氛對產(chǎn)品性能(xngnng)(xngnng)的影響的影響 氣氛對陶瓷氣氛對陶瓷(toc)坯體過燒膨脹的影響：坯體過燒膨脹的影響： 氣氛對坯體的收縮和燒結氣氛對

18、坯體的收縮和燒結(shoji)的影響的影響 氣氛對坯的顏色和透光度以及釉層質量的影響氣氛對坯的顏色和透光度以及釉層質量的影響氧化氣氛和還原氣氛對過燒膨脹量的影響有大有小，關鍵看坯體組成氧化氣氛和還原氣氛對過燒膨脹量的影響有大有小，關鍵看坯體組成。氧化氣氛和還原氣氛對坯體收縮的影響有大有小，關鍵看坯體組成。氧化氣氛和還原氣氛對坯體收縮的影響有大有小，關鍵看坯體組成。影響鐵和鈦的價態(tài)；影響鐵和鈦的價態(tài)；使使SiO2和和CO還原；還原；形成氮化合物。形成氮化合物。 結論：氣氛的影響有好有壞，關鍵是看坯體的組成。結論：氣氛的影響有好有壞，關鍵是看坯體的組成。 第32頁/共99頁第三十三頁，共99頁。（

19、4 4）升溫與降溫）升溫與降溫(jing wn)(jing wn)速度對產(chǎn)品性能的影響速度對產(chǎn)品性能的影響75%Al2O3瓷的升溫速率與性能瓷的升溫速率與性能(xngnng)的關系曲線的關系曲線1抗折強度；抗折強度；2溫度系數(shù)；溫度系數(shù)；3介質損耗角介質損耗角第33頁/共99頁第三十四頁，共99頁。（4 4）升溫與降溫速度）升溫與降溫速度(sd)(sd)對產(chǎn)品性能的影響對產(chǎn)品性能的影響 降溫速率對坯體的白度和性能都有影響。特別是含玻璃相多的陶瓷，應采取高溫快冷和低溫降溫速率對坯體的白度和性能都有影響。特別是含玻璃相多的陶瓷，應采取高溫快冷和低溫(dwn)(dwn)慢冷的制度。慢冷的制度。 高溫

20、快冷可避免泛黃、釉面析晶，提高高溫快冷可避免泛黃、釉面析晶，提高(t go)(t go)光澤；低溫慢冷可減少應力，避免開裂等。光澤；低溫慢冷可減少應力，避免開裂等。第34頁/共99頁第三十五頁，共99頁。（4 4）升溫與降溫）升溫與降溫(jing wn)(jing wn)速率速率影響陶瓷材料燒結影響陶瓷材料燒結(shoji)的工藝參數(shù)的工藝參數(shù):（1 1）燒成溫度）燒成溫度(wnd)(wnd)（2 2）保溫時間）保溫時間（3 3）燒成氣氛）燒成氣氛第35頁/共99頁第三十六頁，共99頁。 顆粒尺寸大小顆粒尺寸大小粉體結塊和團聚粉體結塊和團聚顆粒形狀顆粒形狀顆粒尺寸分布顆粒尺寸分布材材料料參參數(shù)

21、數(shù)燒成溫度燒成溫度保溫時間保溫時間燒結氣氛燒結氣氛升溫和降溫速率升溫和降溫速率工工藝藝參參數(shù)數(shù)第36頁/共99頁第三十七頁，共99頁。2、燒結工藝參數(shù)(cnsh)是如何影響陶瓷產(chǎn)品性能的？1、在陶瓷燒結過程(guchng)中，原料顆粒尺寸愈小愈好對否？第37頁/共99頁第三十八頁，共99頁。與燒結有關與燒結有關(yugun)的概念的概念n燒結與燒成： 燒成包括多種物理和化學變化。而燒結僅僅指粉料經(jīng)加熱而致密化的簡單物理過程，顯然燒成的含義及包括的范圍更寬，一般都發(fā)生在多相系統(tǒng)內(nèi)。而燒結僅僅是燒成過程的一個重要部分。n 燒結與熔融： 燒結是在遠低于固態(tài)物質的熔融溫度下進行的。燒結與熔融這兩個過程

22、都是由原子熱振動而引起的，但熔融時全部組元都轉變?yōu)橐合?，而燒結是在低于主要(zhyo)組分的熔點下進行的。n燒結與固相反應： 這兩個過程均在低于材料熔點或熔融溫度之下進行的。并且在過程的自始至終都至少有一相是固態(tài)。5.3 固相燒結固相燒結(shoji)過程及機理過程及機理第38頁/共99頁第三十九頁，共99頁。 固相燒結一般(ybn)可分為三個階段：初始階段，主要表現(xiàn)為顆粒形狀改變；中間階段，主要表現(xiàn)為氣孔形狀改變；最終階段，主要表現(xiàn)為氣孔尺寸減小。 第39頁/共99頁第四十頁，共99頁。收縮收縮a收縮收縮b收縮收縮無氣孔的無氣孔的多晶體多晶體c燒結(shoji)過程第40頁/共99頁第四十一

23、頁，共99頁。燒結燒結(shoji)過程推動力過程推動力AAA第41頁/共99頁第四十二頁，共99頁。證明(zhngmng)：比SVGB表表面面能能晶晶界界能能SV GB愈小愈易燒結愈小愈易燒結(shoji)，反之難燒結，反之難燒結(shoji)。 （其中(qzhng) )第42頁/共99頁第四十三頁，共99頁。5.3.1 雙球模型雙球模型(mxng)（two-particle model） 圖 (a)為未收縮的模型，顆粒之間的距離不發(fā)生變化，但是(dnsh)隨著燒結時間的增加，頸部尺寸會不斷增加，燒結樣品開始收縮，其收縮后幾何模型如圖 (b)所示，頸部增大主要是顆粒接觸間物質擴散和坯體收縮造

24、成的。 第43頁/共99頁第四十四頁，共99頁。 (庫津斯基庫津斯基)提出提出(t ch)的雙球模型的雙球模型 中中心心距距不不變變中中心心距距縮縮短短rxVrxArx2/2/4322 rxVrxArx4/2/4/4322 rxVrxArx2/2/432 第44頁/共99頁第四十五頁，共99頁。 燒結的驅動力主要來源于由于顆粒表面曲率(ql)的變化而造成的體積壓力差、空位濃度差和蒸汽壓差。對于圖中的模型示意圖，體積壓力差P為：空位濃度差為：蒸汽壓差為： 其中，s為固相的表面能，Vm為空位摩爾體積，Vm為固相的摩爾體積。由于上述體積壓力差、空位濃度差和蒸汽壓差的存在，促使物質擴散。RTrsmVp

25、pRTrsmVvCvC,rxarsxrasrPaPP112 第45頁/共99頁第四十六頁，共99頁。物質擴散機理材料部位接觸部位相關參數(shù) 1晶格擴散晶界頸部晶格擴散率,Dl 2晶界擴散晶界頸部晶界擴散率,Db 3粘性流動整體晶粒頸部粘度, 4表面擴散晶粒表面頸部表面擴散率,Ds 5晶格擴散晶粒表面頸部晶格擴散率,Dl6氣相傳輸蒸發(fā)凝聚晶粒表面頸部蒸汽壓差,p氣相擴散晶粒表面頸部氣相擴散率,Dg燒結中的物質燒結中的物質(wzh)(wzh)傳輸機理傳輸機理 第46頁/共99頁第四十七頁，共99頁。5.3.2 晶粒過渡生長晶粒過渡生長(shngzhng)現(xiàn)象現(xiàn)象 晶粒的異常晶粒的異常(ychng)(

26、ychng)長大是指在長大速度較慢的細晶基體內(nèi)有少部分區(qū)域快速長大形長大是指在長大速度較慢的細晶基體內(nèi)有少部分區(qū)域快速長大形成粗大晶粒的現(xiàn)象。成粗大晶粒的現(xiàn)象。在燒結過程中發(fā)生異常長大與以下主要因素有關：在燒結過程中發(fā)生異常長大與以下主要因素有關： 材料材料(cilio)中含有雜質或者第二相夾雜物中含有雜質或者第二相夾雜物 材料材料(cilio)中存在高的各向異性的界面能，例如固中存在高的各向異性的界面能，例如固/液界面液界面 能或者是薄膜的表面能等能或者是薄膜的表面能等 材料材料(cilio)內(nèi)存在高的化學不平衡性。內(nèi)存在高的化學不平衡性。第47頁/共99頁第四十八頁，共99頁。5.4 液相

27、燒結液相燒結(shoji)過程與機理過程與機理 液相燒結（液相燒結（Liquid Phase Sintering，簡寫為，簡寫為LPS）是指在燒結包含多種粉末）是指在燒結包含多種粉末的坯體中，燒結溫度至少的坯體中，燒結溫度至少(zhsho)高于其中的一種粉末的熔融溫度，從而在燒結高于其中的一種粉末的熔融溫度，從而在燒結過程中而出現(xiàn)液相的燒結過程。過程中而出現(xiàn)液相的燒結過程。 優(yōu)點：優(yōu)點：）提高燒結驅動力。）提高燒結驅動力。）可制備具有）可制備具有(jyu)控制的微觀結構和優(yōu)化性能控制的微觀結構和優(yōu)化性能的陶瓷復合材料的陶瓷復合材料 第48頁/共99頁第四十九頁，共99頁。5.4.1 液相燒結液

28、相燒結(shoji)的階段的階段(a)液相燒結不同階段的示意圖液相燒結不同階段的示意圖(O:熔化熔化;:重排重排;:溶解溶解-沉淀沉淀(chndin);及及:氣孔排除氣孔排除)。(b)在不在不同溫度下，氧化鋁同溫度下，氧化鋁-玻璃體系中，實際致密化作為燒結時間的函數(shù)所示玻璃體系中，實際致密化作為燒結時間的函數(shù)所示 意的不同意的不同LPS階段階段 第49頁/共99頁第五十頁，共99頁。三元相圖表示由SSS、LPS、粘滯復相燒結(VCS)以及(yj)粘滯玻璃相燒結(VGS)時的相的體積分數(shù)關系。箭頭表示初始密度為60時，各相體積分數(shù)變化方向。在IPS燒結區(qū)域ABCS表示出此燒結機理的不同分階段：重

29、排，：溶解-沉淀，：氣孔排除 第50頁/共99頁第五十一頁，共99頁。5.4.2 液相燒結過程的致密液相燒結過程的致密(zhm)化機理化機理一、顆粒一、顆粒(kl)重排（重排（Particles Re-arrangement）在LPS燒結過程中，顆粒間的液相膜起潤滑作用。顆粒重排向減少氣孔的方向進行，同時減小系統(tǒng)的表面自由能。當坯體的密度增加時，由于周圍(zhuwi)顆粒的緊密接觸，顆粒進一步重排的阻力增加，直至形成緊密堆積結構。第51頁/共99頁第五十二頁，共99頁。二、溶解二、溶解(rngji)-沉淀（沉淀（disolvation precipitation）濃度(a)LPS燒結溶解(rn

30、gji)-沉淀階段的兩晶粒接觸示意圖物質遷移的三個路徑，1：溶質的外擴散()，2和4：溶解(rngji)物組分(和)向晶粒接觸區(qū)域流動，以及3：在接觸區(qū)域的溶解(rngji)-再沉淀。(b)三個組分液相所對應濃度梯度作為r的函數(shù)，其中rc是接觸半徑，h是液相膜厚度 第52頁/共99頁第五十三頁，共99頁。三、氣孔三、氣孔(qkng)排除排除在燒結中期，相互連續(xù)的氣孔通道開始收縮，形成封閉的氣孔，根據(jù)在燒結中期，相互連續(xù)的氣孔通道開始收縮，形成封閉的氣孔，根據(jù)(gnj)材料體系的不同，密度范圍從至。實際上，材料體系的不同，密度范圍從至。實際上，LPS燒結比燒結比SSS燒結可燒結可以在較低的密度發(fā)

31、生這種氣孔封閉。氣孔封閉后，以在較低的密度發(fā)生這種氣孔封閉。氣孔封閉后，LPS燒結進入最后階段燒結進入最后階段。封閉氣孔通常包含來源于燒結氣氛和液態(tài)蒸汽的氣體物質。封閉氣孔通常包含來源于燒結氣氛和液態(tài)蒸汽的氣體物質。 第53頁/共99頁第五十四頁，共99頁。5.4.3 晶粒生長晶粒生長(shngzhng)和粗化和粗化一般在大量液相中，球形顆粒的晶粒生長由下式給出：一般在大量液相中，球形顆粒的晶粒生長由下式給出： 式中，式中，rs為在時間為在時間t時的晶粒平均半徑，為在時間為時的晶粒平均半徑，為在時間為0時的晶粒平均時的晶粒平均半徑，半徑，k為晶粒生長速率常數(shù)。半徑（或晶料尺寸）指數(shù)為晶粒生長速

32、率常數(shù)。半徑（或晶料尺寸）指數(shù)(zhsh)n取決取決于晶粒生長機理；于晶粒生長機理；n3和和n2分別為擴散控制相界面反應控制。分別為擴散控制相界面反應控制。 ktrrnsns0 第54頁/共99頁第五十五頁，共99頁。5.5 特色特色(ts)燒結方法燒結方法）熱壓燒結）熱壓燒結）熱等靜壓）熱等靜壓）放電等離子體燒結）放電等離子體燒結）微波燒結）微波燒結）反應）反應(fnyng)燒結燒結）爆炸燒結）爆炸燒結第55頁/共99頁第五十六頁，共99頁。5.5.1 熱壓燒結熱壓燒結(shoji)熱壓燒結（熱壓燒結（hot pressing）是在燒結過程中同時對坯料施加壓力，加速）是在燒結過程中同時對坯料

33、施加壓力，加速了致密化的過程。所以熱壓燒結的溫度了致密化的過程。所以熱壓燒結的溫度(wnd)更低，燒結時間更短。更低，燒結時間更短。熱壓技術已有熱壓技術已有70年歷史，最早用于碳化鎢和鎢粉致密件的制備?，F(xiàn)在年歷史，最早用于碳化鎢和鎢粉致密件的制備?，F(xiàn)在已廣泛應用于陶瓷、粉末冶金和復合材料的生產(chǎn)。已廣泛應用于陶瓷、粉末冶金和復合材料的生產(chǎn)。第56頁/共99頁第五十七頁，共99頁。 一、熱壓燒結的優(yōu)點一、熱壓燒結的優(yōu)點（1）所需的成型壓力僅為冷壓法的）所需的成型壓力僅為冷壓法的1/10（2）降低燒結溫度和縮短燒結時間，抑制了晶粒的長大。）降低燒結溫度和縮短燒結時間，抑制了晶粒的長大。（3）易得到具

34、有良好機械性能、電學性能的產(chǎn)品。）易得到具有良好機械性能、電學性能的產(chǎn)品。（4）能生產(chǎn)形狀較復雜）能生產(chǎn)形狀較復雜(fz)、尺寸較精確的產(chǎn)品。、尺寸較精確的產(chǎn)品。 熱壓法的缺點是生產(chǎn)率低、成本高。熱壓法的缺點是生產(chǎn)率低、成本高。第57頁/共99頁第五十八頁，共99頁。二、熱壓裝置二、熱壓裝置(zhungzh)和模具和模具（a）電阻(dinz)間熱式；（b）感應間熱式；（c）電阻(dinz)直熱式；（d）感應直熱式第58頁/共99頁第五十九頁，共99頁。三、熱壓燒結三、熱壓燒結(shoji)的驅動力的驅動力在熱壓燒結的初始階段，假設所有粉體都是規(guī)則的球形顆粒立方堆積在一起，則作用在顆粒接觸面積上

35、的有效壓力為: 其中，a為顆粒半徑，x為頸部半徑，r為頸部曲率半徑。在燒結的最終階段，假設坯體中的氣孔成均勻分布狀況，則作用在顆粒接觸面積上的有效壓力為：其中為坯體的相對(xingdu)密度。rPPsappl2.*2 rPxaPsappl.2*14 rPPsappl2.*2 第59頁/共99頁第六十頁，共99頁。四、熱壓燒結的致密四、熱壓燒結的致密(zhm)化過程化過程（1）微流動階段 （2）塑性(sxng)流動階段 （3）擴散階段 第60頁/共99頁第六十一頁，共99頁。五、熱壓燒結五、熱壓燒結(shoji)機理機理（1）塑性變形機理(j l) 11ln32*2YP9 . 0 其中Y為燒結(

36、shoji)材料的屈服應力。（2）蠕變機理nPaxgeofdtd0*1.03, 其中0和n是和燒結材料有關的參數(shù)，其中n取值在38之間，f(, geo)為燒結體致密度和顆粒幾何形狀的函數(shù)。 第61頁/共99頁第六十二頁，共99頁。（3）擴散(kusn)機理晶格(jn )擴散： 2*1RTaPVDtdtdml 晶界擴散(kusn)：3*RTaPVDdtdmbb 顆粒尺寸對擴散機理作用的致密化速率的影響如下：第62頁/共99頁第六十三頁，共99頁。5.5.2 熱等靜壓熱等靜壓熱等靜壓工藝（Hot Isostatic Pressing，簡寫為HIP）是將粉末壓坯或裝入包套的粉料裝入高壓容器中，使粉料

37、經(jīng)受高溫和均衡壓力的作用，被燒結成致密件。其基本原理是：以氣體作為壓力介質，使材料（粉料、坯體或燒結體）在加熱過程中經(jīng)受各向均衡的壓力，借助高溫和高壓的共同作用促進材料的致密化。 目前，熱等靜壓技術的主要應用有：金屬和陶瓷的固結( ji)，金剛石刀具的燒結，鑄件質量的修復和改善，高性能磁性材料及靶材的致密化。 第63頁/共99頁第六十四頁，共99頁。（1）陶瓷材料的致密化可以在比無壓燒結或熱壓燒結低得多的溫度下完成，可以有效地抑制材料在高溫下發(fā)生很多不利的發(fā)應或變化；（2）能夠在減少甚至無燒結添加劑的條件下，制備出微觀結構(jigu)均勻且?guī)缀醪缓瑲饪椎闹旅芴沾蔁Y體；（3）可以減少乃至消除燒

38、結體中的剩余氣孔，愈合表面裂紋，從而提高陶瓷材料的密度、強度；（4）能夠精確控制產(chǎn)品的尺寸與形狀，而不必使用費用高的金剛石切割加工，理想條件下產(chǎn)品無形狀改變。一、熱等靜壓的優(yōu)點一、熱等靜壓的優(yōu)點(yudin)第64頁/共99頁第六十五頁，共99頁。二、熱等靜壓裝置二、熱等靜壓裝置(zhungzh)第65頁/共99頁第六十六頁，共99頁。三、熱等靜壓燒結三、熱等靜壓燒結(shoji)工藝工藝直接(zhji)HIP工藝流程圖 后HIP工藝流程(n y li chn)圖第66頁/共99頁第六十七頁，共99頁。5.5.3 放電等離子體放電等離子體(dnglzt)燒結燒結放電等離子體燒結工藝(Spark

39、 Plasma Sintering，簡寫為SPS)是近年來發(fā)展起來的一種新型材料制備工藝方法。又被稱為脈沖電流燒結。該技術的主要特點是利用(lyng)體加熱和表面活化，實現(xiàn)材料的超快速致密化燒結。 可廣泛用于磁性材料、梯度功能材料、納米陶瓷、纖維增強陶瓷和金屬間化合物等系列新型材料的燒結。 第67頁/共99頁第六十八頁，共99頁。一、放電等離子體一、放電等離子體(dnglzt)燒結的優(yōu)點燒結的優(yōu)點燒結溫度低（比HP和HIP低200-300）、燒結時間短（只需3-10min，而HP和HIP需要120-300min）、單件能耗低；燒結機理特殊，賦予材料新的結構與性能；燒結體密度高，晶粒細小，是一種

40、近凈成形技術(jsh)；操作簡單，不像熱等靜壓那樣需要十分熟練的操作人員和特別的模套技術(jsh)。 第68頁/共99頁第六十九頁，共99頁。二、燒結二、燒結(shoji)裝置裝置燒結系統(tǒng)大致由四個部分組成：真空(zhnkng)燒結腔（圖中6），加壓系統(tǒng)（圖中3），測溫系統(tǒng)（圖中7）和控制反饋系統(tǒng)。圖中1示意石墨模具，2代表用于電流傳導的石墨板，4是石墨模具中的壓頭，5是燒結樣品。第69頁/共99頁第七十頁，共99頁。5.5.4 微波微波(wib)燒結燒結微波燒結（Microwave Sintering）是利用微波具有的特殊波段與材料的基本細微結構耦合而產(chǎn)生熱量，材料在電磁場中的介質損耗使材料

41、整體加熱至燒結溫度而實現(xiàn)致密化的方法。 目前(mqin)，微波燒結技術已經(jīng)被廣泛用于多種陶瓷復合材料的試驗研究。第70頁/共99頁第七十一頁，共99頁。一、微波一、微波(wib)燒結的優(yōu)點燒結的優(yōu)點（1）微波與材料直接耦合導致整體加熱(ji r)。 （2）微波燒結升溫速度快，燒結時間短。（3）安全無污染。 （4）能實現(xiàn)空間選擇性燒結。 第71頁/共99頁第七十二頁，共99頁。二、材料與微波二、材料與微波(wib)場的作用類型場的作用類型材料(cilio)與微波的作用方式示意圖 第72頁/共99頁第七十三頁，共99頁。三、微波三、微波(wib)燒結系統(tǒng)燒結系統(tǒng)第73頁/共99頁第七十四頁，共99

42、頁。5KW, 2.45GHz微波發(fā)生器紅外測溫裝置 & 控制冷卻水系統(tǒng)微波(wib)燒結陶瓷裝置示意圖保溫(bown) 結構多模諧振腔第74頁/共99頁第七十五頁，共99頁。 四、微波四、微波(wib)燒結機理燒結機理在絕熱環(huán)境下，當忽略材料在加熱過程(guchng)中的潛能（如反應熱、相變熱等）變化時，單位體積材料在微波場作用下的升溫速率為： PCEfdtdT2,02 式中f為微波工作頻率；為材料介電損耗；0為空間介電常數(shù)；E為微波電場(din chng)強度；Cp為材料熱容；為材料密度。第75頁/共99頁第七十六頁，共99頁。5.5.5 反應反應(fnyng)燒結燒結反應燒結（re

43、action-bonded sintering）是讓原料混合物發(fā)生固相反應或原料混合物與外加氣（液）體發(fā)生圍氣（液）反應，以合成材料，或者對反應后的反應體施加其它處理工藝以加工(ji gng)成所需材料的一種技術 。反應燒結的優(yōu)點(yudin)：（1）反應燒結時，質量增加 （2）燒結坯件不收縮，尺寸不變 第76頁/共99頁第七十七頁，共99頁。5.5.6 爆炸爆炸(bozh)燒結燒結爆炸粉末燒結（explosion sintering）是利用炸藥爆轟產(chǎn)生的能量，以沖擊波的形式作用于金屬或非金屬粉末，在瞬態(tài)、高溫、高壓(goy)下發(fā)生燒結的一種材料加工或合成的新技術。 優(yōu)點 ：（1）具備高壓性，

44、可以燒結出近乎密實的材料；（2）具備快熔快冷性，有利于保持粉末(fnm)的優(yōu)異特性；（3）可以使 Si3N4，SiC 等非熱熔性陶瓷在無需添加燒結助劑的情況下 發(fā)生燒結。 第77頁/共99頁第七十八頁，共99頁。間接法爆炸燒結(shoji)裝置（a.單面飛片；b.單活塞；c.雙活塞） 第78頁/共99頁第七十九頁，共99頁。直接法爆炸燒結(shoji)裝置 第79頁/共99頁第八十頁，共99頁。爆炸爆炸(bozh)燒燒結機理結機理 ： 顆粒的塑性變形以及顆粒問的相互碰撞、孔隙塌縮、顆粒表層的破壞(phui)導致顆粒表面的沉熱和熔化：發(fā)生焊接。 顆粒的破碎、孔隙的填充、顆粒表面由于熱量的沉積而發(fā)

45、生部分熔焊或固態(tài)擴散結合。 第80頁/共99頁第八十一頁，共99頁。5.6 燒結燒結(shoji)設備設備燒結是在熱工設備中進行的，這里熱工設備指的是先進陶瓷生產(chǎn)窯爐及其附屬設備。燒結陶瓷的窯爐類型很多，同一種制品可在不同類型的窯內(nèi)燒成，同一種窯也可燒結不同的制品。本節(jié)將介紹常用的間歇式窯爐、連續(xù)式窯和輔助設備，如：電爐、電隧道窯以及電發(fā)熱(f r)元件等。第81頁/共99頁第八十二頁，共99頁。5.6.1 間歇式窯爐間歇式窯爐 按其功能新穎性可分為電爐(dinl)、高溫倒焰窯、梭式窯和鐘罩窯。一、電爐一、電爐(dinl) 電爐（electric furnace）是電熱窯爐的總稱。一般是通過電

46、熱元件把電能轉變(zhunbin)為熱能，可分為電阻爐、感應爐、電弧爐等。第82頁/共99頁第八十三頁，共99頁。 箱式電阻爐實物圖（a）和爐體結構(jigu)示意圖（b） 第83頁/共99頁第八十四頁，共99頁。管式電阻爐實物圖（a）和爐體結構(jigu)示意圖（b） 第84頁/共99頁第八十五頁，共99頁。電磁感應加熱爐（電磁感應加熱爐（magnetic induction heating） 由于電磁感應作用在導體內(nèi)產(chǎn)生感應電流，而這種感應電流因為導體的由于電磁感應作用在導體內(nèi)產(chǎn)生感應電流，而這種感應電流因為導體的電阻電阻(dinz)而產(chǎn)生熱能的一種電爐。它又可分為感應熔煉爐和感應加熱爐而

47、產(chǎn)生熱能的一種電爐。它又可分為感應熔煉爐和感應加熱爐，常利用感應爐研制氮化硅等。，常利用感應爐研制氮化硅等。電弧感應加熱爐（電弧感應加熱爐（arc induction heating） 熱量主要由電弧產(chǎn)生的電加熱爐，用于人工合成云母、生產(chǎn)氧化鋁空心熱量主要由電弧產(chǎn)生的電加熱爐，用于人工合成云母、生產(chǎn)氧化鋁空心球及硅酸鋁耐火纖維優(yōu)質保溫材料等。球及硅酸鋁耐火纖維優(yōu)質保溫材料等。第85頁/共99頁第八十六頁，共99頁。二、高溫二、高溫(gown)倒焰窯（倒焰窯（reverse flame kiln） 倒焰窯工作(gngzu)流程1-窯室；2-燃燒室；3-灰坑；4-窯底吸火孔；5-支煙道；6-主煙道

48、；7-擋火墻；8-窯墻；9-窯頂；10-噴火口第86頁/共99頁第八十七頁，共99頁。三、梭式窯（三、梭式窯（drawer kiln） 梭式窯結構示意圖1-窯室；2-窯墻；3-窯頂；4-燒嘴；5-升降窯門(yo mn)；6-支煙道；7-窯車；8-軌道四、鐘罩窯（四、鐘罩窯（bell kiln）第87頁/共99頁第八十八頁，共99頁。5.6.2 連續(xù)式窯連續(xù)式窯 連續(xù)式窯爐的分類方法有多種，下面按制品的輸送方式可分為隧道窯、高溫推板窯和輥道窯。 與傳統(tǒng)的間歇式窯相比較，連續(xù)式窯具有連續(xù)操作性，易實現(xiàn)(shxin)機械化，大大地改善了勞動條件和減輕了勞動強度，降低了能耗等優(yōu)點。第88頁/共99頁第八十九頁，共99頁。一、隧道窯（一、隧道窯（tunnel kiln）第89頁/共99頁第九十頁，共99頁。二、高溫推板窯二、高溫推板窯 椎扳式電熱隧道窯的通道由一個或數(shù)個隧道所組成，通道底由椎扳式電熱隧道窯的通道由一個或數(shù)個隧道所組成，通道底由堅固的耐火磚精確砌成滑道，制品裝在推板上由頂推機構推入窯爐堅固的耐火磚精確砌成滑道，制品裝在推板上由頂推機構推入窯爐內(nèi)燒成。內(nèi)燒成。三、輥道窯（三、輥道窯（roller kiln） 輥道窯是電熱式隧道窯的一種，只是傳遞燒結樣品輥道窯是電熱式隧道窯的一種，只是傳遞燒結樣品(yngp