1、第九章 燒 結(jié)例 題9-1 試述燒結(jié)的推動力和晶粒生長的推動力，并比較兩者之大小。解：燒結(jié)的推動力是粉末物料的表面能（SV）大于多晶燒結(jié)體的晶界能（gb）。即SV gb。如若反之，SV gb，則燒結(jié)體會自發(fā)粉化。 晶粒生長的推動力是晶界兩側(cè)曲率的差異，在界面能驅(qū)動下，晶界向曲率半徑小的晶粒中心推進(jìn)，從而形成平均晶粒尺寸的增長。燒結(jié)的推動力約為420J/g。晶粒生長推動力約為0.42 J/g，因而燒結(jié)推動力比晶粒生長推動力約大十倍。9-2 一個(gè)氧化物粉末的表面能是10-4J/cm2，燒結(jié)后晶界能是5.510-5 J/cm2。若一個(gè)2m的粉末（假如是立方體）被燒結(jié)時(shí)，有多少能量被釋放（假定晶粒不生

2、長）？解：假若以一個(gè)立方體顆粒計(jì)：上式中：晶界能需要6/2，除2是因?yàn)槊總€(gè)內(nèi)界面分屬兩個(gè)晶粒共同所有。9-3 石英砂（直徑1.0mm）和石英粉（0.01mm）若緊密堆積后，前者有體積密度1.6g/cm3；后者為1.5g/cm3。（a）如何將兩者混合使用才有最大堆積密度？（b）最大堆積系數(shù)是多少？（c）燒結(jié)后體積密度為2.6 g/cm3，試問氣孔率為多少？解：（a）基礎(chǔ)1cm3砂1.6g實(shí)際砂體積1.6/2.650.6cm3氣孔體積0.40cm3如果用石英粉去充填氣孔空間，需石英粉：0.4cm31.5g/cm30.6g由此可知，1.6g石英砂加0.6g石英粉有最大堆積密度。（b）體積密度（1.6

3、g砂0.6g粉）/1cm32.2 g/cm3最大堆積系數(shù)：（c）相對密度=2.6/2.65=0.98氣孔率10.980.029-4 某陶瓷體燒結(jié)前的孔隙為28%（體積百分比），燒結(jié)后的密度為5.03g/cm3，其真密度為5.14 g/cm3，問：（a）燒結(jié)后孔隙率為多大？（b）如果要求最終尺寸為16.3mm，模子尺寸應(yīng)為多大？解：（a） 1g的真體積1/5.140.1946 cm31g的燒后體積1/5.030.1988 cm3最終孔隙率（0.19880.1946）/0.19882（b）真體積0.72V0（燒結(jié)前體積）0.98VL（燒后體積）此題亦可用其它方法解，但用1g最方便，可直接比較體積變

4、化。9-5 直徑為30m玻璃壓塊收縮5%所需要的時(shí)間，在673時(shí)為209.5min，在697時(shí)為5.8min，根據(jù)表面能為0.3N/m，試計(jì)算玻璃的激活能和粘度？解：由流動傳質(zhì)致密公式：代入解得由StocksEinstein公式所以代入數(shù)據(jù)解之得：E446.4kJ/mol9-6在1500MgO正常晶粒長大期間，觀察到晶體在1h內(nèi)從1m直徑長大到10m。如已知晶界擴(kuò)散能為251.21kJ/mol，試預(yù)測在1600保持4h后晶粒的大小，并估計(jì)雜質(zhì)對MgO晶粒生長速率有什么影響，為什么？解：根據(jù)晶粒正常生長公式假若A不隨溫度而變化，則1600下，若晶粒正常生長則實(shí)際上，4h后晶粒生長會受到晶界上氣孔

5、或雜質(zhì)的牽制，此時(shí)應(yīng)使用公式計(jì)算。9-7 99% Al2O3瓷的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)測得（1）在1350燒結(jié)時(shí)間為10min時(shí)，收縮率L/L4，燒結(jié)時(shí)間為45min，收縮率為7.3%。（2）在1300燒結(jié)5min收縮率為1%。已知Al2O3高溫下表面張力是900N/m，Al3+離子半徑0.0535nm，粉料起始粒徑為1m。試求（a）99%Al2O3瓷燒結(jié)的主要傳質(zhì)方式是哪一種。（b）Al2O3瓷燒結(jié)活化能是多少？（c）Al3+的自擴(kuò)散系數(shù)在1350時(shí)是多少？解：（a）燒結(jié)收縮率通式（9-5）解之求得P2.5，即logL/Llog t直線斜率為2/5，因此Al2O3瓷主要傳質(zhì)機(jī)制是擴(kuò)散傳質(zhì)。（b）求得燒結(jié)活

6、化能Q：（c）根據(jù)擴(kuò)散傳質(zhì)初期動力學(xué)公式代入式：解之：9-8 現(xiàn)有三種陶瓷材料，它們的主要使用性能列表如下：材料最 佳 性 能用 途Y2O3透明，光線傳遞光學(xué)激光桿Si3N4高溫強(qiáng)度，抗蠕變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)部件CoR*矯頑力高能量永久磁鐵注：CoR*含Co鐵氧體在燒結(jié)過程中希望材料獲得預(yù)期的顯微結(jié)構(gòu)以使材料最佳性能充分發(fā)揮，在控制眾多的顯微結(jié)構(gòu)因素和工藝條件上應(yīng)如何選擇主次？解：首先分析這三種材料為獲得各自的最佳性能，燒結(jié)中應(yīng)采取的措施。Y2O3：為達(dá)到一定透明度，多晶體中殘余氣孔愈少愈好.加入晶界移動抑制劑如ThO2。但為防止第二相析出，ThO2加入量要低于固溶度。Si3N4：共價(jià)鍵材料難以燒結(jié)，只

7、有采用加入燒結(jié)助劑產(chǎn)生液相，但不希望產(chǎn)生降低高溫蠕變的第二相。CoR：為發(fā)展導(dǎo)磁率希望晶粒擇優(yōu)取向?？刂骑@微結(jié)構(gòu)次序 工藝條件控制次序 因素材料氣孔率第二相顆粒尺 寸顆粒形 狀尺寸分布 因素材料燒結(jié)溫 度氣氛速率保溫時(shí)間Y2O3Si3N4CoR1521324Y2O3Si3N4CoR1212143434323443219-9 假定NiCr2O4的表面能為0.6 J/m2，并從氧化物擴(kuò)散系數(shù)與溫度關(guān)系圖中估計(jì)Cr2O3和NiO的擴(kuò)散數(shù)據(jù)，那么對1m顆粒的壓塊而言，在1200、1400時(shí)致密化的起始速率將分別為多少？（尖晶石晶體中原子擴(kuò)散距離為0.059nm）解：按題意由氧化物的lnD1/T圖查得由

8、于NiO：Cr2O31：1顆粒半徑燒結(jié)起始速率設(shè)：計(jì)算燒結(jié)1min的收縮率由擴(kuò)散傳質(zhì)初期致密化公式9-10 假如直徑為5m的氣孔封閉在表面張力為0.280N/m的玻璃內(nèi)，氣孔內(nèi)含的是氮?dú)?，壓力?.010-4Pa，玻璃的相對密度為0.85，當(dāng)氣體壓力正好和表面張力所產(chǎn)生的負(fù)壓力平衡時(shí)，氣孔的尺寸將是多少？此時(shí)的相對密度將是多大？解：由r12.510-6m氣孔產(chǎn)生的附加壓力P12/r120.28/2.510-6由氣體定律P1V1P2V2P2為氣孔壓縮至r2時(shí)的氣壓 按題意氣孔內(nèi)壓力恰好和表面張力所產(chǎn)生的負(fù)壓平衡時(shí)，則P1P2即設(shè)氣孔直徑為r1和r2時(shí)，玻璃內(nèi)氣孔數(shù)目分別為n1和n2。玻璃的相對密

9、度分別為1和2。由硅酸鹽物理化學(xué)1991年東南大學(xué)出版社 p.293公式（934）得：如果燒結(jié)前后氣孔數(shù)目不變即n1n2則習(xí)題9-11 名詞解釋（1） 熔融溫度、燒結(jié)溫度和泰曼溫度（2） 燒結(jié)與燒成（3） 體積密度、理論密度和相對密度（4） 液相燒結(jié)和固相燒結(jié)（5） 晶粒生長和二次再結(jié)晶（6） 晶粒的極限尺寸（Dl）和晶粒的平均尺寸9-12 燒結(jié)的模型有哪些？各適用于哪些傳質(zhì)過程？9-13 若固氣界面能為0.1J/m2，若用直徑1m粒子組成的壓塊體積為1 cm3，試計(jì)算由燒結(jié)推動力而產(chǎn)生的能量是多少？（4J/cm3）9-14某一磁性鐵氧體，其最終尺寸應(yīng)為15.8mm，燒結(jié)時(shí)體積收縮為33.1%

10、（以未燒結(jié)前尺寸為基數(shù)），試問粉末制品的最初尺寸應(yīng)為多大？（23.58mm）9-15 一陶瓷體的真密度為5.41 g/cm3，一塊質(zhì)量差的燒結(jié)樣品干時(shí)重3.79g，當(dāng)被水飽和時(shí)重3.84g，飽和樣品懸浮在水中時(shí)重3.08g。問：（a）其真體積為多少？（b）其毛體積（總體積）為多大？（c）表觀（開孔）孔隙率為多大？（d）總孔隙率為多大？（ （a）0.70cm3（b）0.76cm3（c）6.6%（體積）（d）7.9%（體積） ）9-16 試說明從相圖中可以得到哪些與燒結(jié)、固相反應(yīng)、相變等過程有關(guān)的啟示。9-17 設(shè)有粉末壓塊，其粉料粒度為5m，若燒結(jié)時(shí)間為2h時(shí)，頸部增長x / r0.1。若燒結(jié)至

11、x / r0.2。如果不考慮晶粒生長，試比較蒸發(fā)凝聚；體積擴(kuò)散；粘性流動；溶解沉淀傳質(zhì)各需多少時(shí)間？若燒結(jié)時(shí)間為8h，各個(gè)過程的x / r又各是多少？（16，64，8，128；0.16，0.13，0.2，0.126）9-18 如上題粉料粒度改為16m，燒結(jié)后x / r0.2，各個(gè)傳質(zhì)需多少時(shí)間？若燒結(jié)8h，各個(gè)過程的x / r又是多少？從兩題計(jì)算結(jié)果，討論粒度與燒結(jié)時(shí)間對四種傳質(zhì)過程的影響程度？（163.8，2097，26，13422；0.0725，0.066，0.112，0.058）9-19 固相燒結(jié)與液相燒結(jié)有何異同點(diǎn)？液相燒結(jié)有哪些類型，各有何特點(diǎn)？9-20 用TiO2摻雜的燒結(jié)Al2O

12、3一些數(shù)據(jù)如圖9-1所示，試問可能的燒結(jié)機(jī)理是什么？如何證明你的答案是正確的？圖9-1 題9-20附圖9-21 由平均顆粒尺寸為0.1m和1.0m兩種不同粉末制備的UO2分立球粒（相對密度為50%）在迅速加熱以后于1400和1600燒結(jié)。采用干燥氣氛能夠獲得化學(xué)計(jì)量的UO2。在上述條件下所報(bào)導(dǎo)的擴(kuò)散系數(shù)為：燒結(jié)初期致密化的傳質(zhì)途徑可能是什么？可能的速率控制機(jī)理是什么？估算0.1m和1.0m粉末在1400結(jié)燒1h之后預(yù)期的收縮值。比較緩慢加熱和快速加熱對1400退火1h所觀察到的收縮值，并說明可能的影響是什么？為什么？已知UO2的65010-3J/m2；a00.5372nm；UO210.5g/c

13、m3。9-22 下列過程中哪一個(gè)能使燒結(jié)產(chǎn)物強(qiáng)度增大，而不產(chǎn)生致密化過程？試說明之。（1）蒸發(fā)凝聚；（2）體積擴(kuò)散；（3）粘性流動；（4）表面擴(kuò)散；（5）晶界擴(kuò)散；（6）溶解沉淀。9-23 試比較各種傳質(zhì)過程產(chǎn)生的原因、條件、特點(diǎn)和工藝控制要素？9-24陶瓷粉末的燒結(jié)是原子熱激活、擴(kuò)散和再結(jié)晶的過程。根據(jù)Al2O3SiO2、MgOSiO2、MgOAl2O3相圖，判斷以上三個(gè)系統(tǒng)的最低燒結(jié)溫度應(yīng)為多少？（503 427 521）9-25 BaTiO3材料在750到794之間燒結(jié)速率增加了10倍，試判斷與750相比，燒結(jié)速率增加100倍時(shí)溫度是多少？（BaTiO3屬擴(kuò)散傳質(zhì)燒結(jié)機(jī)制）計(jì)算BaTiO

14、3燒結(jié)活化能。（475kJ/mol842）9-26 有二組瓷體配方如下表K2OMgOAl2O3SiO2TsL%S%1420762275681、2兩組瓷體燒結(jié)溫度均為1300，試從相圖上查明兩組瓷料出現(xiàn)液相溫度各是多少？兩組瓷料燒結(jié)范圍有多寬？在燒結(jié)溫度時(shí)液相量和晶相量各為多少？所得晶相組成是什么？你能判斷促進(jìn)致密化的主要傳質(zhì)機(jī)制是什么，如何提高這兩種瓷料的燒結(jié)速率？9-27 常近似假定鋼加熱至760晶粒并不長大，而在870將明顯長大。若原始晶粒直徑為0.05mm，求含0.8%碳的鋼在上述兩個(gè)不同溫度下保溫1h晶粒長大值。計(jì)算時(shí)可使用公式。D單位為mm，t單位為min。760 n0.1，c610

15、-16；870 n0.3，c210-8。（0.136mm）9-28 有兩個(gè)相同的青銅試樣，分別加熱到600和700，第一試樣經(jīng)過30h后，其晶粒尺寸從0.05mm增加1倍變化到0.10mm。第二個(gè)加熱到700的試樣發(fā)生同樣的變化只用了30min，試問加熱到700時(shí)發(fā)生這樣的變化需要多少時(shí)間？（4min）9-29 若與題928相同的試樣，問在什么溫度下能使晶粒尺寸在15h之內(nèi)從0.05mm長大到0.10mm？（625）9-30 在制造透明Al2O3材料時(shí)，原始粉料粒度為2m，燒結(jié)至最高溫度保溫0.5h，測得晶粒尺寸為10m，試問若保溫時(shí)間2h，晶粒尺寸多大？為抑制晶粒生長加入0.1% MgO，此

16、時(shí)若保溫2h，晶粒尺寸又如有多大？（20m 15.84m）9-31 晶界遇到夾雜物時(shí)會出現(xiàn)幾種情況？從實(shí)現(xiàn)致密化目的考慮，晶界應(yīng)如何移動，怎樣控制？9-32 在燒結(jié)期間，晶粒長大能促進(jìn)坯體致密化嗎？晶粒長大能夠影響燒結(jié)速率嗎？試說明之。9-33 由實(shí)驗(yàn)測得某高純鹵化物在300與500時(shí)的晶界運(yùn)動速率V分別為10-3與510-3cm/s，試求其晶界遷移活化能Q。假定實(shí)驗(yàn)過程中晶界遷移的推動力F恒定為1N/cm2。（33.5kJ/mol）9-34 在高溫時(shí)，某多晶氧化物的平均晶粒尺寸由2m增長到6m，歷時(shí)2h。已知該氧化物的界面能為10-2N/cm，試估算晶界遷移速率？（提示：，M為晶界遷移率）9

17、-35 為了促進(jìn)Si3N4材料在1800左右燒結(jié)，常在配料中加入3% MgO 和2Y2O3，測得logL/Llog t關(guān)系圖由三段斜率各異的直線組成，試預(yù)計(jì)Si3N4是屬哪幾種傳質(zhì)機(jī)制促進(jìn)坯體致密化，這三種斜率各應(yīng)是多少，說明理由。9-36 試就（a）驅(qū)動力的來源，（b）驅(qū)動力的大小，（c）在陶瓷系統(tǒng)中的重要性，來區(qū)別初次再結(jié)晶、晶粒長大和二次再結(jié)晶。9-37 某ZrC粉料在2300于氬氣氣氛中熱壓，熱壓壓力為40MPa，此時(shí)材料的粘度為7.01010Pas。經(jīng)過110min熱壓后，材料的氣孔率為4.15%，試問經(jīng)過多長時(shí)間的熱壓后，材料的相對密度可以達(dá)到99%，且其熱壓動力學(xué)符合MArry方程？9-38 為了減小燒結(jié)收縮，可把直徑1m的細(xì)顆粒（約30%）和直徑50m的粗顆粒進(jìn)行充分混合，試問此壓塊的收縮速率如何？如將1m和50m以及兩種粒徑混合料制成的燒結(jié)體的logL/L和log t曲線分別列入對數(shù)坐標(biāo)的適當(dāng)位置，將得出什么結(jié)果？9-39 某一磁性氧化物材料被認(rèn)為是遵循正常晶粒長大方程，當(dāng)顆粒尺寸增大超出1m的平均尺寸時(shí)，則磁性強(qiáng)度性質(zhì)就變壞，未燒結(jié)前的原始晶粒大小為0.1m，燒結(jié)30min使晶粒尺寸長大為