材料科学基础课后答案.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date材料科学基础课后答案第七章 扩散与固相反应第九章 烧 结1、解释下列名词（1）烧结：粉料受压成型后在高温作用下而致密化的物理过程。烧成：坯体经过高温处理成为制品的过程，烧成包括多种物理变化和化学变化。烧成的含义包括的范围广，烧结只是烧成过程中的一个重要部分。（2）晶粒生长：无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。二次再结晶：少数巨大

2、晶粒在细晶消耗时成核长大过程。（3）固相烧结：固态粉末在适当的温度、压力、气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。液相烧结：有液相参加的烧结过程。2、详细说明外加剂对烧结的影响?答：（1）外加剂与烧结主体形成固溶体使主晶格畸变，缺陷增加，有利结构基元移动而促进烧结；（2）外加剂与烧结主体形成液相，促进烧结；（3）外加剂与烧结主体形成化合物，促进烧结；（4）外加剂阻止多晶转变，促进烧结；（5）外加剂起扩大烧结范围的作用。 3、简述烧结过程的推动力是什么?答：能量差，压力差，空位差。 4、说明影响烧结的因素？答：（1）粉末的粒度。细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散

3、距离，提高颗粒在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速；（2）外加剂的作用。在固相烧结中，有少量外加剂可与主晶相形成固溶体，促进缺陷增加，在液相烧结中，外加剂改变液相的性质（如粘度，组成等），促进烧结。 （3）烧结温度：晶体中晶格能越大，离子结合也越牢固，离子扩散也越困难，烧结温度越高。 （4）保温时间：高温段以体积扩散为主，以短时间为好，低温段为表面扩散为主，低温时间越长，不仅不引起致密化，反而会因表面扩散，改变了气孔的形状而给制品性能带来损害，要尽可能快地从低温升到高温，以创造体积扩散条件。（5）气氛的影响：氧化，还原，中性。 （6）成形压力影响：一般说成型压力越大颗粒间接触越紧密，对烧结

4、越有利。5、在扩散传质的烧结过程中，使坯体致密的推动力是什么？哪些方法可促进烧结？说明原因。答：在扩散传质的烧结过程中，系统内不同部位（颈部、颗粒接触点、颗粒内部）空位浓度不同，导致原子或质点由颗粒接触点向颈部迁移，填充到气孔中。因此使坯体致密化的推动力是空位浓度差。对于扩散传质：（1）控制原料的起始粒度非常重要，颗粒细小的原料可促进烧结，因为颈部增长速率x/r与原料起始粒度r的3/5次方成反比；（2）温度对烧结过程有决定性作用，扩散系数与温度呈指数关系，因此提高温度可加速烧结。6、固相烧结与液相烧结的主要传质方式？固相烧结与液相烧结之间有何相同与不同之处？答：固相烧结的主要传质方式有蒸发-凝

5、聚传质和扩散传质，液相烧结的主要传质方式有溶解-沉淀传质和流动传质。固相烧结与液相烧结的共同点是烧结的推动力都是表面能；烧结过程都是由颗粒重排、物质传递与气孔充填、晶粒生长等阶段组成。不同点是：由于流动传质比扩散传质速度快，因而致密化速率高；固相烧结主要与原料粒度和活性、烧结温度、气氛成型压力等因素有关，液相烧结与液相数量、液相性质、液-固润湿情况、固相在液相中的溶解度等有关。7、氧化铝烧结到接近理论密度时，可使可见光几乎透过100，用它来装钠蒸气（在超过大气压的压力下）作为路灯。为通过烧结实现这一点，请你列出研究方案。答：制备透明氧化铝陶瓷的主要技术措施是：（1）采用高纯氧化铝原料，Al2O

6、399.9%，无杂质和玻璃相；（2）添加0.10.5%MgO，在晶粒表面生成镁铝尖晶石，降低晶界移动速度，抑制晶粒生长；（3）在氢气或真空中烧结，促进气孔扩散；（4）采用热压烧结，提高制品致密度。8、试述烧结的推动力和晶粒生长的推动力，并比较两者之大小。答：烧结推动力是粉状物料的表面能（sv）大于多晶烧结体的晶界能（gb），即svgb。生长的推动力是晶界两侧物质的自由焓差，使界面向晶界曲率半径小的晶粒中心推进。烧结的推动力较大，约为420J/g。晶粒生长的推动力较小，约为0.42J/g，因而烧结推动力比晶粒生长推动力约大十倍。9、99A12O3瓷的烧结实验测得在1350烧结时间为10min时，

7、收缩率LL为4%；烧结时间为45min，收缩率为7.3%。试求这种氧化铝瓷烧结的主要传质方式是哪一种？答：Al2O3瓷烧结的主要传质方式是扩散传质。10、烧结推动力是什么? 它可凭哪些方式推动物质的迁移，各适用于何种烧结机理?解: 烧结的推动力从广义上讲是化学位移梯度，具体的是系统的表面能；主要以流动传质，扩散传质，气象传质，溶解 - 沉淀方式推动物质迁移。其中：固相烧结中传质机理：（1） 流动传质 （2） 扩散传质 （2） 气相传质。液相烧结中的传质机理 （1） 流动传质 （2） 溶解-沉淀11、烧结过程是怎样产生的，各阶段的特征是什么?解：烧结过程是经过成型的固体粉状颗粒在加热到低于熔点温

8、度的温度下，产生颗粒粘结；通过 物质传递，使成型题逐渐变成具有一定几何形状和性能的整体的过程。烧结初期：颗粒仅发生重排和键和，颗粒和空隙形状变化很小，颈部相对变化 x/r0.3 ，线收缩率小于0.06 。烧结中期：（1）烧结中期，颈部进一步扩大，颗粒变形较大，气孔由不规则的形状逐渐变成由三个颗粒包围的，近似圆柱形的气孔，且气孔是联通的。（2）晶界开始移动，颗粒正常长大。与气孔接触的颗粒表面为空位源，质点扩散以体积扩散和晶界扩散为主而扩散到气孔表面，空位返乡扩散而消失。（3）坯体气孔率降为5%左右，收缩达90%。烧结末期：（1）进入烧结末期，气孔封闭，相互孤立，理想情况为四个颗粒包围，近似球状。

9、（2）晶粒明显长大，只有扩散机理是重要的，质点通过晶界扩散和体积扩散，进入晶界间近似球状的气孔中。（3）收缩率达90100%， 密度达理论值的95% 以上。12、下列过程中哪一个能使烧结体强度增大，而不产生坯体宏观上的收缩? 试说明之。（a）蒸发冷凝； （b） 体积扩散； （c） 粘性流动； （d） 表面扩散； （e） 溶解沉淀解：a，d能使烧结体强度增大，而不会产生坯体宏观上的收缩。因为这两种物质传递仅涉及坯体表面形状的变化，而并没有涉及到坯体内部气孔体积的变化。这样，坯体表面颗粒间接触面积增大，粘附力增加，从而使烧结体强度增大，但不产生坯体宏观上的收缩。13、有人试图用延长烧结时间来提高产

10、品致密度，你以为此法是否可行，为什么？解：延长烧结时间一般都为不同程度地促使烧结完成，但对粘性流动机理的烧结较为明显，而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。对体积扩散和表面扩散，低温下以表面扩散为主，高温下以体积扩散为主，而表面扩散并不改变为坯体的致密度，因此，可适当延长高温烧结时间。另外，在烧结后期，不合理的延长烧结时间，有时会加剧二次再结晶作用，反而得不到充分致密的制品。14、材料的许多性能如强度、光学性能等要求其晶粒尺寸微小且分布均匀，工艺上应如何控制烧结过程以达到此目的?解:（1） 晶粒的大小取决于起始晶粒的大小，烧结温度和烧结时间；（2） 防止二次再结晶引起的晶粒异常长大。15、试分析

11、二次再结晶过程对材料性能有何种效应?解：二次再结晶发生后，由于个别晶粒异常长大，气孔进入晶粒内部，成为孤立闭气孔，不易排除，使烧结速率降低甚至停止，坯体不再致密；加之大晶粒的晶界上有应力存在，使其内部易出现隐裂纹，继续烧结时坯体易膨胀而开裂，使烧结体的机械、电学性能下降。16、特种烧结和常规烧结有什么区别? 试举例说明。解：常规烧结过程主要是基于颗粒间的接触与键合，以及在表面张力推动下物质的传递过程。其总体的推动力由系统表面能提供。这就决定了其致密化是有一定限度的。常规条件下坯体密度很难达到理论密度值。对于特种烧结，它是为了适应特种材料对性能的要求而产生的。这些烧结 过程除了常规烧结中由系统表

12、面能提供的驱动力之外，还由特殊工艺条件增加了系统烧结的驱动力，因此提高了坯体的烧结速率，大大增加了坯体的致密化程度。例如热压烧结，它是加压成型与加压烧结同时进行的一种烧结工艺。由于同时加温加压，有利于粉末颗粒的接触、扩散和流动等传质过程，降低了烧结温度和烧结时间，抑制了晶粒的长大。其容易获得接近理论密度、气孔率接近零的烧结体。17、（a） 烧结MgO时加入少量FeO，在氢气氛和氧分压低时都不能促进烧结，只有在氧分压高的气氛下才促进烧结；（b） 烧结Al2O3时，氢气易促进致密化而氮气妨碍致密化。试分析其原因。解：（a） 对FeO，易形成负离子过剩型非化学计量化合物，其缺陷反应式为：或，另外，在

13、MgO的烧结中是正离子起扩散起控制作用的烧结过程，因而氧气氛和氧分压较高是有利的。（b） 烧结氧化铝Al2O3时，由于氢原子半径很小，扩散系数较大，易于扩散而有利于闭气孔的清除；而原子半径大的氮则由于其扩散系数较小难于扩散而阻碍烧结。18、某磁性氧化物材料被认为是遵循正常晶粒长大方程。当颗粒尺寸增大超出1m的平均尺寸时，则磁性和强度等性质就变坏，未烧结前的原始颗粒大小为0.1m 。烧结30分钟使晶粒尺寸长大为原来的3倍。因大坯件翘曲，生产车间主任打算增加烧结时间。你想推荐的最长时间是多少?解：由D0=0.1m 和t=30min，D=3D0=0.3m可得：D2-D02=kt，K=0.08/30m2/min，D=1m，12-（0.1）2=kt=0.08/30t，t=371.25min。-