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材料科学基础14章烧结.ppt

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第十二章 烧 结,烧结目的:把粉状物料转变为致密体。当原料配方、粉体粒度、成型等工序完成以后,烧结是使材料获得预期的显微结构以使材料性能充分发挥的关键工序。一般说来,粉体经过成型后,通过烧结得到的致密体是一种多晶材料。其显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成。烧结过程直接影响显微结构中晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布。 本章重点讨论粉末烧结过程的现象和机理,介绍烧结的各种因素对控制和改进材料的性能的影响。,,§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,,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,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(0.7-0.8Tm); 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。,,有固相反应发生 不产生固相反应,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、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。,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。,,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) 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。,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↑,,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。,颗粒表面上的空位浓度一般比内部空位浓度为大,二者之差可以由下式描述: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。,,3、空位差,五
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