粉末材料的制备成形与固结 (2)精选文档.ppt

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1、粉末材料的制备成形与固结本讲稿第一页，共一百一十九页绪论绪论本讲稿第二页，共一百一十九页颗粒颗粒粉体粉体绪 论本讲稿第三页，共一百一十九页一次颗粒（单个颗粒）一次颗粒（单个颗粒）：指内部没有空隙的：指内部没有空隙的致密材料。致密材料。一次颗粒的粉化过程是内部原子的断键一次颗粒的粉化过程是内部原子的断键过程，要求高能量输入。过程，要求高能量输入。二次颗粒（颗粒聚集体）二次颗粒（颗粒聚集体）：是单个颗粒以弱：是单个颗粒以弱结合力构成，包含一次颗粒与孔隙。结合力构成，包含一次颗粒与孔隙。二次颗粒的粉化过程是界面的弱结合二次颗粒的粉化过程是界面的弱结合力断开，由界面能转变为表面能，能量输力断开，由界面

2、能转变为表面能，能量输入相对较弱。入相对较弱。绪 论本讲稿第四页，共一百一十九页粉体工程所涉及的行业粉体工程所涉及的行业绪 论本讲稿第五页，共一百一十九页绪 论本讲稿第六页，共一百一十九页q 颗粒的分类颗粒的分类粗粗粗粗 颗颗颗颗 粒粒粒粒 （100100100100150m150m150m150m）中中中中 粉粉粉粉 体体体体 （44444444150m150m150m150m）细细细细 粉粉粉粉 体体体体 （1010101044m44m44m44m）极细粉体极细粉体极细粉体极细粉体 （0.50.51010mmmm）纳米颗粒纳米颗粒 （0.1m 0.1m）颗粒颗粒颗粒颗粒本讲稿第七页，共一百

3、一十九页第一节第一节 粉末的表征与测量粉末的表征与测量4 颗粒大小和形状表征4 粉体特性的表征4 粉体的粒度与比表面测定本讲稿第八页，共一百一十九页l粉体材料的组成单元粉体材料的组成单元颗粒。颗粒。l颗颗粒粒的的大大小小和和形形状状是是粉粉体体材材料料最最重重要要的的物物性性特特性性表征量。表征量。颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征本讲稿第九页，共一百一十九页 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征直径D直径D、高度H？颗粒的大小 颗粒大小颗粒大小粒径本讲稿第十页，共一百一十九页8机械制粉8 物理制粉8 化学制粉第二节第二节粉末的制备粉末的制备本讲稿第十一页，共一百一十九页本讲稿第十二页，共一

4、百一十九页7.2.1 7.2.1 机械制粉法机械制粉法8机械研磨机械研磨8气流研磨气流研磨本讲稿第十三页，共一百一十九页机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材料的内结合力，使材料分裂产生新的界面。一、一、机械研磨法机械研磨法 能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、研磨、能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、研磨、辊轧等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要是用于物料破碎辊轧等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要是用于物料破碎及粗粉制备的。及粗粉制备的。本讲稿第十四页，共一百一十九页球磨制粉包括四个基本要素：球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒球磨筒磨球磨球研磨物料研磨物料研磨介质

5、研磨介质1、球磨制粉、球磨制粉本讲稿第十五页，共一百一十九页u在球磨过程中，球磨筒将机械能传递到筒内的球磨物料在球磨过程中，球磨筒将机械能传递到筒内的球磨物料及介质上，相互间产生及介质上，相互间产生正向冲击力、侧向挤压力、摩擦正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力力等。等。u当的外力作用到当的外力作用到脆性粉末颗粒脆性粉末颗粒上时，细化过程实质上上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断解理过程。就是大颗粒的不断解理过程。u如果如果粉末的塑性较强粉末的塑性较强，则颗粒的细化过程较为复杂，则颗粒的细化过程较为复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等行为。存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等行为。u不

6、论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原则是一致的。则是一致的。本讲稿第十六页，共一百一十九页1.动能准则：提高磨球的动能2.碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率球磨制粉的基本原则本讲稿第十七页，共一百一十九页滚筒式振动式搅动式球磨制粉的基本方式球磨制粉的基本方式本讲稿第十八页，共一百一十九页滚筒式球磨滚筒式球磨本讲稿第十九页，共一百一十九页转速较低时，球料混合体与筒壁做相对滑动运动并保持一定的斜度。随转速的增加，球料混合体斜度增加，抬升高度加大，这时磨球并不脱离筒壁；转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球与筒及球与球间的碰撞；转速增加

7、到临界转速V临2时，磨球的离心力大于其重力，这时磨球、粉料与磨筒处于相对静止状态，此时研磨作用停止。本讲稿第二十页，共一百一十九页D是磨筒的直径是磨筒的直径滚筒球磨的转速应有一个限定条件滚筒球磨的转速应有一个限定条件V临1 V 实际 V临2本讲稿第二十一页，共一百一十九页限定条件实际上与这一动能准则相限定条件实际上与这一动能准则相悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很有限的。为了克服这个不足，人们有限的。为了克服这个不足，人们又进一步开发了新的球磨方法。又进一步开发了新的球磨方法。本讲稿第二十二页，共一百一十九页振动球磨振动球磨本讲稿第二十三页，共一百一十九页本讲稿第二十

8、四页，共一百一十九页搅动球磨搅动球磨横臂均匀分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨过程中，磨球与粉横臂均匀分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨过程中，磨球与粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心搅拌棒周围产生旋涡，然后料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心搅拌棒周围产生旋涡，然后沿轴线下降，如此循环往复。沿轴线下降，如此循环往复。本讲稿第二十五页，共一百一十九页p研研磨磨时时不不存存在在象象滚滚筒筒球球磨磨那那样样有有临临界界转转速速的的限限制，因此，磨球的动能大大增加。制，因此，磨球的动能大大增加。p可可以以采采用用提提高高搅搅动动转转速速、减减小小磨磨球球直直径径的的办办法法来来提提高

9、高磨磨球球的的总总撞撞击击几几率率而而不不减减小小研研磨磨球球的的总总动动能能，符合了提高机械球磨效率的两个基本准则。符合了提高机械球磨效率的两个基本准则。本讲稿第二十六页，共一百一十九页二、气流研磨法二、气流研磨法 通过气体传输粉料的一种研磨方法。与机械研磨法不同，气流研磨不需要磨球及其它辅助研磨介质。研磨腔内是粉末与气体的两相混合物。陶瓷粉：空气；金属粉末：惰性气体或还原性气体。由于不使用研磨球及研磨介质，所以气流研磨粉的化学纯度一般比机械研磨法的要高。本讲稿第二十七页，共一百一十九页1.动能准则：提高粉末颗粒的动能2.碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率气流研磨制粉的基本原则气流研磨制粉

10、的基本原则本讲稿第二十八页，共一百一十九页由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此，由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此，提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。两种办法来实现两种办法来实现提高气体的入口压力气体喷嘴的气体动力学设计通过这两种办法使喷嘴出口端的气体流速达超音速本讲稿第二十九页，共一百一十九页气流研磨三种类型：气流研磨三种类型：旋涡研磨冷流冲击流态化床气流磨本讲稿第三十页，共一百一十九页旋涡研磨旋涡研磨粉末颗粒大多具有表面凹型特征，故称为蝶状粉末粉末颗粒大多具有表面凹型特征，故称为蝶状粉末本讲稿第三十一页，共一百一十九页冷流冲击

11、冷流冲击加速效应加速效应加速后的气体可超过音速，加速后的气体可超过音速，颗粒撞击动能增大颗粒撞击动能增大冷却效应冷却效应气粉混合物的温度能降到零度以下，气粉混合物的温度能降到零度以下，金属颗粒冷脆性提高金属颗粒冷脆性提高气压越大，粉末越细。气压越大，粉末越细。本讲稿第三十二页，共一百一十九页流态化床气流磨流态化床气流磨本讲稿第三十三页，共一百一十九页可获得超细粉体，并且粉末粒度均匀；可获得超细粉体，并且粉末粒度均匀；由于气体绝热膨胀造成温度下降，所以可研磨低熔点物料；由于气体绝热膨胀造成温度下降，所以可研磨低熔点物料；粉末不与研磨系统部件发生过度的磨损，因此粉末杂质含量少；粉末不与研磨系统部件

12、发生过度的磨损，因此粉末杂质含量少；针对不同的性质的粉末，可使用空气、针对不同的性质的粉末，可使用空气、N2、Ar等惰性气体。等惰性气体。流态化床气流磨的特点流态化床气流磨的特点：本讲稿第三十四页，共一百一十九页7.2.2 7.2.2 物理制粉法物理制粉法8雾化法雾化法8蒸发凝聚法蒸发凝聚法本讲稿第三十五页，共一百一十九页 雾雾化化法法是是一一种种典典型型的的物物理理制制粉粉方方法法，是是通通过过高高压压雾雾化化介介质质，如如气气体体或或水水强强烈烈冲冲击击液液流流，或或通通过过离离心心力力使使之之破破碎碎、冷冷却却凝凝固来实现的。固来实现的。一、雾化制粉法本讲稿第三十六页，共一百一十九页u

13、雾化机理雾化机理雾化雾化聚并聚并凝固凝固本讲稿第三十七页，共一百一十九页过过程程一一：大大的的液液珠珠当当受受到到外外力力冲冲击击的的瞬瞬间间，破破碎碎成成数数个个小小液液滴滴，假假设设在在破破碎碎瞬瞬间间液液体体温温度度不不变变，则则液液体体的的能能量量变变化化可近似为液体的表面能增加。可近似为液体的表面能增加。显显然然，雾雾化化时时液液体体吸吸收收的的能能量量与与雾雾化化液液滴滴的的粒粒径径存存在在一个对应关系，即：一个对应关系，即：吸收的能量越高则粒径越小。吸收的能量越高则粒径越小。本讲稿第三十八页，共一百一十九页过程二：过程二：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间相液体颗粒破碎的同时，

14、还可能发生颗粒间相互接触，再次成为一个较大的液体颗粒，并且液体颗互接触，再次成为一个较大的液体颗粒，并且液体颗粒形状向球形转化，这个过程中，体系的总表面能降粒形状向球形转化，这个过程中，体系的总表面能降低，属于低，属于自发过程自发过程。过程三：过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。本讲稿第三十九页，共一百一十九页1、能量交换准则、能量交换准则 提高单位时间、单位质量液体从系统中吸提高单位时间、单位质量液体从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加。收能量的效率，以克服表面自由能的增加。2、快速凝固准则、快速凝固准则 提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再提高

15、雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再次聚集。次聚集。提高雾化制粉效率基本准则提高雾化制粉效率基本准则本讲稿第四十页，共一百一十九页u 雾化制粉分类雾化制粉分类双流雾化双流雾化 指被雾化的液体流和喷射的介质流；指被雾化的液体流和喷射的介质流；单流雾化单流雾化 直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化本讲稿第四十一页，共一百一十九页 双流雾化法双流雾化法气雾化水雾化注：适合于金属粉末制备注：适合于金属粉末制备本讲稿第四十二页，共一百一十九页 金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然

16、后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。粒。本讲稿第四十三页，共一百一十九页雾化过程的四种情况雾化过程的四种情况动能交换动能交换：雾化介质的动能转变为金属液滴的表面能；：雾化介质的动能转变为金属液滴的表面能；热量交换热量交换：雾化介质带走大量的液固相变潜热；：雾化介质带走大量的液固相变潜热；流流变变特特性性变变化化：液液态态金金属属的的粘粘度度及及表表面面张张力力随随温温度度的的降降低低而而不不断断发生

17、变化；发生变化；化化学学反反应应：高高比比表表面面积积颗颗粒粒（液液滴滴或或粉粉粒粒）的的化化学学活活性性很很强强，会会发发生一定程度的化学反应。生一定程度的化学反应。本讲稿第四十四页，共一百一十九页 离心雾化法离心雾化法离离心心雾雾化化法法是是借借助助离离心心力力的的作作用用将将液液态态金金属属破破碎碎为为小小液液滴滴，然然后后凝凝固固为为固固态态粉粉末末颗颗粒粒的的方方法法。1974年年，首首先先由由美美国国提提出出旋旋转转电电极极雾雾化化制制粉粉法法，后后来来又又发发展展了了旋旋转转锭锭模模、旋旋转转园园盘等离心雾化方法。盘等离心雾化方法。本讲稿第四十五页，共一百一十九页旋转电极法旋转电

18、极法本讲稿第四十六页，共一百一十九页本讲稿第四十七页，共一百一十九页旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：本讲稿第四十八页，共一百一十九页旋转盘法旋转盘法本讲稿第四十九页，共一百一十九页旋转轮法旋转轮法本讲稿第五十页，共一百一十九页旋转杯旋转杯本讲稿第五十一页，共一百一十九页旋转网旋转网本讲稿第五十二页，共一百一十九页雾化制粉的一些特性雾化制粉的一些特性1、雾化制粉主要用于金属或合金，对于一些可熔的氧化物陶雾化制粉主要用于金属或合金，对于一些可熔的氧化物陶瓷材料，也可采用这种方法进行加工。瓷材料，也可采用这种方法进行加工。但由于氧化物陶瓷熔体的但由于氧化物陶瓷熔体的粘度、

19、表面张力很大，所以一般不能获得细微陶瓷粉体，但可获得粘度、表面张力很大，所以一般不能获得细微陶瓷粉体，但可获得短纤维、小珠或空心球，例如，硅酸铝纤维、氧化锆磨球、氧化铝短纤维、小珠或空心球，例如，硅酸铝纤维、氧化锆磨球、氧化铝空心球等。空心球等。2、雾化制粉是一种快速凝固技术，能够增加金属元素的固溶雾化制粉是一种快速凝固技术，能够增加金属元素的固溶度。度。本讲稿第五十三页，共一百一十九页3.极大地降低了成分偏析，粉末成分均匀，某些有害相，如高温合金极大地降低了成分偏析，粉末成分均匀，某些有害相，如高温合金中的中的 相，可能因激冷而受到抑制，甚至消除相，可能因激冷而受到抑制，甚至消除。4.冷速提

20、高，枝晶间距减小，晶粒细化，材料的晶体结构向非稳态冷速提高，枝晶间距减小，晶粒细化，材料的晶体结构向非稳态转变，可获得细晶、微晶、准晶直至非晶粉末。转变，可获得细晶、微晶、准晶直至非晶粉末。本讲稿第五十四页，共一百一十九页二、物理蒸发冷凝法 物物理理蒸蒸发发冷冷凝凝制制粉粉是是一一种种制制备备超超微微金金属属粉粉末末的的重重要要方方法法，采采用用不不同同的的能能量量输输入入方方式式，使使金金属属气气化化，然然后后再再在在冷冷凝凝壁壁上上沉沉积积从从而而获获得得金金属属粉粉末末。由由于于粉粉末末的的粒粒度度很很小小，比比表表面面积积很很大大，因因而而化化学学活活性性很很强强。为为防防止止金金属属

21、粉粉末末氧氧化化，在在冷冷凝凝室室内内一一般般都都要要通通入入惰惰性性气气体体。这这样样在在金金属属蒸蒸气气脱脱离离熔熔体体的的很很短短时时间间内内，会会被被周周围围气气体体迅迅速速冷冷却却，金金属属原原子子很很快快聚聚集集成成超超微微颗颗粒粒。同同其其他他金金属属粉粉末末制制备备方方法法相相比比，物物理理蒸蒸发发冷冷凝凝法法生生产产效效率率是较低的，但这种方法可获得最小粒径达是较低的，但这种方法可获得最小粒径达2 nm2 nm的纳米颗粒。的纳米颗粒。本讲稿第五十五页，共一百一十九页电阻加热方式电阻加热方式等离子体加热方式等离子体加热方式激光激光加热方式加热方式 电子束加热方式电子束加热方式高

22、频感应高频感应加热方式加热方式按能量输入方式来划分，物理蒸发冷凝法可分为以下几种按能量输入方式来划分，物理蒸发冷凝法可分为以下几种本讲稿第五十六页，共一百一十九页本讲稿第五十七页，共一百一十九页本讲稿第五十八页，共一百一十九页本讲稿第五十九页，共一百一十九页本讲稿第六十页，共一百一十九页7.2.3 7.2.3 化学制粉法化学制粉法化学气相沉积法化学气相沉积法化学还原法化学还原法电化学制粉法电化学制粉法本讲稿第六十一页，共一百一十九页 气相沉积制粉是通过某种形式的能气相沉积制粉是通过某种形式的能量输入，使气相物质发生气量输入，使气相物质发生气固相变或固相变或气相化学反应，生成金属或陶瓷粉体。气相

23、化学反应，生成金属或陶瓷粉体。v 物理气相沉积法物理气相沉积法v 化学气相沉积法化学气相沉积法本讲稿第六十二页，共一百一十九页一、化学气相沉积的反应类型一、化学气相沉积的反应类型分解反应8 化学气相沉积法化学气相沉积法化合反应本讲稿第六十三页，共一百一十九页二、化学气相沉积制粉原理二、化学气相沉积制粉原理1.化学反应化学反应2.2.均相形核均相形核3.3.晶粒生长晶粒生长4.4.团团 聚聚制粉过程包括四个步骤制粉过程包括四个步骤：本讲稿第六十四页，共一百一十九页化合反应化合反应由上式可知，化学气相沉积反应的控制因素包括：由上式可知，化学气相沉积反应的控制因素包括：1）反应温度、）反应温度、2）

24、气相反应物浓度、）气相反应物浓度、3）气相生成物浓度）气相生成物浓度1.1.化学反应化学反应对一个确定的化学反应，判断其能否进行的热力学判据为：对一个确定的化学反应，判断其能否进行的热力学判据为：分解反应分解反应本讲稿第六十五页，共一百一十九页 气相反应发生后的瞬间，在反应区内气相反应发生后的瞬间，在反应区内形成了产物蒸气，当反应进行到一定程形成了产物蒸气，当反应进行到一定程度时，产物蒸气浓度达到过饱和状态，度时，产物蒸气浓度达到过饱和状态，这时产物晶核就会形成。由于体系中无这时产物晶核就会形成。由于体系中无晶种或晶核生成基底，因此反应产物晶晶种或晶核生成基底，因此反应产物晶核的形成是个均匀形

25、核过程。核的形成是个均匀形核过程。2.2.均匀形核均匀形核本讲稿第六十六页，共一百一十九页 均相晶核形成之后，稳定存在的晶均相晶核形成之后，稳定存在的晶核便开始晶粒生长过程。小晶粒通过对核便开始晶粒生长过程。小晶粒通过对气相产物分子的吸附或重构，使自身不气相产物分子的吸附或重构，使自身不断长大。理论和实践都表明：断长大。理论和实践都表明：晶粒生长晶粒生长过程主要受产物分子从反应体系中向过程主要受产物分子从反应体系中向晶粒表面的扩散迁移速率所控制晶粒表面的扩散迁移速率所控制。3.3.晶粒生长晶粒生长 本讲稿第六十七页，共一百一十九页 颗粒之间由于存在着较弱的吸附力作用，颗粒之间由于存在着较弱的吸

26、附力作用，主要包括范德华力、静电引力等，颗粒之主要包括范德华力、静电引力等，颗粒之间会发生聚集，颗粒越小，则聚集效果越间会发生聚集，颗粒越小，则聚集效果越明显，这一现象被称为团聚。明显，这一现象被称为团聚。4.4.团团 聚聚 本讲稿第六十八页，共一百一十九页三、化学气相沉积类型三、化学气相沉积类型 热分解法热分解法热分解法中最为典型的就是羰基物热分解，它是一热分解法中最为典型的就是羰基物热分解，它是一种由金属羰基化合物加热分解制取粉末的方法，整种由金属羰基化合物加热分解制取粉末的方法，整个过程的关键环节就是制备金属羰基化合物个过程的关键环节就是制备金属羰基化合物本讲稿第六十九页，共一百一十九页

27、第一步：合成羰基镍第一步：合成羰基镍第二步：羰基镍热分解第二步：羰基镍热分解本讲稿第七十页，共一百一十九页气 相 氢 还 原 还原剂-氢气气相金属热还原 还原剂-低熔点、低沸点的金属（Mg、Ca、Na）两类反应的反应物均选用低沸点的金属卤化物且以氯化物为主 气相还原法气相还原法本讲稿第七十一页，共一百一十九页 复合反应法是一种重要的制取无机化合物，包括碳复合反应法是一种重要的制取无机化合物，包括碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等方法，这种方法既可化物、氮化物、硼化物和硅化物等方法，这种方法既可制备各种陶瓷粉体也可进行陶瓷薄膜的沉积。所用的制备各种陶瓷粉体也可进行陶瓷薄膜的沉积。所用的原原料是金属

28、卤化物料是金属卤化物(以氯化物为主以氯化物为主)，在一定温度下，以气，在一定温度下，以气态参与化学反应。态参与化学反应。复合反应法复合反应法本讲稿第七十二页，共一百一十九页1.碳化物反应通式碳化物反应通式本讲稿第七十三页，共一百一十九页2.氮化物反应通式氮化物反应通式本讲稿第七十四页，共一百一十九页3.硼化物反应通式硼化物反应通式本讲稿第七十五页，共一百一十九页4.硅化物反应通式硅化物反应通式本讲稿第七十六页，共一百一十九页一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件本讲稿第七十七页，共一百一十九页8 化学还原法化学还原法一、还原制粉的基本原理一、还原制粉的基本原理依据热力学原理确定反应能否发

29、生依据热力学原理确定反应能否发生氧位图本讲稿第七十八页，共一百一十九页二、典型还原制粉类型二、典型还原制粉类型 氢还原法氢还原法 碳还原法碳还原法本讲稿第七十九页，共一百一十九页 还原化合法还原化合法本讲稿第八十页，共一百一十九页8 电化学制粉法电化学制粉法一、电化学制粉分类一、电化学制粉分类v 水溶液电解水溶液电解v 有机电解质电解有机电解质电解v 熔盐电解熔盐电解v 液体金属阴极电解液体金属阴极电解本讲稿第八十一页，共一百一十九页二、电化学制粉原理二、电化学制粉原理电 化 学以铜电解制粉为例本讲稿第八十二页，共一百一十九页电化学体系电化学体系阳极：阳极：CuCu（纯）（纯）阴极：阴极：Cu

30、Cu粉粉电解液：电解液：CuSOCuSO4 4、H H2 2SOSO4 4、H H2 2O O本讲稿第八十三页，共一百一十九页电化学反应电化学反应阴极反应：阴极反应：阳极反应：阳极反应：本讲稿第八十四页，共一百一十九页三、电化学制粉的影响因素三、电化学制粉的影响因素4 电流密度电流密度4 金属离子浓度金属离子浓度4 电解液温度电解液温度4 氢离子浓度氢离子浓度本讲稿第八十五页，共一百一十九页 成型是将松散的粉体加工成具有一定尺寸、形状以成型是将松散的粉体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的坯块。及一定密度和强度的坯块。传统的成型方法有模压成型、等静压成型、挤压成型、传统的成型方法有模压

31、成型、等静压成型、挤压成型、扎制成型、注浆成型和热压铸成型等。近年来，出现了许多扎制成型、注浆成型和热压铸成型等。近年来，出现了许多新的成型方法，如压滤成型、注射成型、流延成型、凝胶铸新的成型方法，如压滤成型、注射成型、流延成型、凝胶铸模成型和直接凝固成型等。模成型和直接凝固成型等。第三节第三节 粉末的成形粉末的成形本讲稿第八十六页，共一百一十九页 按粉料成型时的状态：按粉料成型时的状态：压力成型压力成型（模压（模压成型、等静压成型）型、等静压成型）增塑成型增塑成型（挤出成型、注射成型）（挤出成型、注射成型）料浆成型料浆成型（注浆成型，热压铸成型）（注浆成型，热压铸成型）本讲稿第八十七页，共一

32、百一十九页 压制过程第第一一阶阶段段：首首先先粉粉末末颗颗粒粒发发生生重重排排，颗颗粒粒间间的的架架桥桥现现象被部分消除且颗粒间的接触程度增加；象被部分消除且颗粒间的接触程度增加；第第二二阶阶段段：颗颗粒粒发发生生弹弹塑塑性性变变形形，塑塑性性变变形形的的大大小小取取决决于于粉粉末末材材料料的的延延性性。但但是是，同同样样的的延延性性材材料料在在一一样样的的压压力力下下，并并不不一一定定得得到到相相同同的的坯坯体体密密度，还与粉末的压缩性能有关；度，还与粉末的压缩性能有关；第第三三阶阶段段：颗颗粒粒断断裂裂。不不论论是是原原本本脆脆性性的的粉粉体体如如陶陶瓷瓷粉粉末末、还还是是在在压压制制过过

33、程程中中产产生生加加工工硬硬化化的的脆脆化化粉粉体体，都都将随着施加压力的增加发生脆性断裂形成较小的碎块。将随着施加压力的增加发生脆性断裂形成较小的碎块。本讲稿第八十八页，共一百一十九页 在压制过程中，随着压力的增加，粉体在压制过程中，随着压力的增加，粉体的密度增加、气孔率降低。的密度增加、气孔率降低。人们对压力与密人们对压力与密度或气孔率的关系进行了大量的研究，试图度或气孔率的关系进行了大量的研究，试图在压力与相对密度之间推导出定量的数学公在压力与相对密度之间推导出定量的数学公式。目前已经提出的压制压力与压坯密度的式。目前已经提出的压制压力与压坯密度的定量公式（包括理论公式和经验公式）有几定

34、量公式（包括理论公式和经验公式）有几十种之多，表中所示为其中一部分。十种之多，表中所示为其中一部分。压坯密度与压制压力的关系压坯密度与压制压力的关系本讲稿第八十九页，共一百一十九页表表 粉末压制理论的一些理论公式和经验公式粉末压制理论的一些理论公式和经验公式本讲稿第九十页，共一百一十九页总压力总压力 P净压力净压力 P静静压力损失压力损失 P损失损失侧压力侧压力 P侧侧模壁摩擦力模壁摩擦力 P摩摩内摩擦力内摩擦力 P内摩内摩弹性力弹性力 P弹弹 压制过程中力的分析本讲稿第九十一页，共一百一十九页结论在没有润滑剂的情况下，模壁摩擦力在没有润滑剂的情况下，模壁摩擦力的压力损失很大，可达的压力损失很

35、大，可达6090%。由于。由于压力沿压模轴向分布不均，造成压坯压力沿压模轴向分布不均，造成压坯的密度不均匀现象。加入润滑剂能够的密度不均匀现象。加入润滑剂能够改善这一现象。改善这一现象。本讲稿第九十二页，共一百一十九页添加成形剂：添加成形剂：改善成形过程的物质改善成形过程的物质类型：类型：润滑剂：润滑剂：主要用来减小粉末颗粒与模腔及模冲主要用来减小粉末颗粒与模腔及模冲之间的摩擦力。之间的摩擦力。粘合剂（塑化剂）：粘合剂（塑化剂）：主要用来提高坯料成形时的主要用来提高坯料成形时的流动性、增加颗粒间的结合力并提高坯体的机械流动性、增加颗粒间的结合力并提高坯体的机械强度、减小粉末飞扬。强度、减小粉末

36、飞扬。造孔剂：造孔剂：主要是在制备多孔材料时用于在烧结体主要是在制备多孔材料时用于在烧结体中产生一定的孔隙。中产生一定的孔隙。本讲稿第九十三页，共一百一十九页常见粘合剂常见粘合剂：合成橡胶、石蜡、聚乙烯，酵、乙二脂、松香合成橡胶、石蜡、聚乙烯，酵、乙二脂、松香淀粉、甘油、凡土林、樟脑、油酸等淀粉、甘油、凡土林、樟脑、油酸等常见润滑剂：常见润滑剂：硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸锂、硬硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硫磺、二硫化钼、石墨粉脂酸钙、硬脂酸铝、硫磺、二硫化钼、石墨粉和机油和机油本讲稿第九十四页，共一百一十九页模压成型模压成型等静压成型等静压成型挤压成型挤压

37、成型楔形压制楔形压制注浆成型注浆成型热压铸成型热压铸成型注射成型注射成型流延法成型流延法成型压力渗滤工艺压力渗滤工艺离心成型离心成型凝胶铸模成型凝胶铸模成型直接凝固成型直接凝固成型高能成型高能成型4 成形方法本讲稿第九十五页，共一百一十九页q 模压成形模压成形 模压成形是将混合料加入到模具中，在压力机上压模压成形是将混合料加入到模具中，在压力机上压成一定形状的坯体的方法。成一定形状的坯体的方法。本讲稿第九十六页，共一百一十九页图5-29 干压成形的密度梯度 a)单向加压 b)双向加压单向加压单向加压时，压力的不均匀分时，压力的不均匀分布更明显，而且坯体高度与直径布更明显，而且坯体高度与直径之比

38、愈大，压力分布愈不均匀。之比愈大，压力分布愈不均匀。双向加压双向加压方式是上下压头方式是上下压头（柱塞）从两个方向向模套（柱塞）从两个方向向模套内加压，压力分布的不均匀内加压，压力分布的不均匀程度减轻，故压坯密度相对程度减轻，故压坯密度相对较均匀。较均匀。为保证坯体质量，干压成形时需根为保证坯体质量，干压成形时需根据坯体形状、大小、壁厚及粉料流据坯体形状、大小、壁厚及粉料流动性、含水量等情况，动性、含水量等情况，控制好成形压控制好成形压力（一般为力（一般为4040100MPa100MPa）、加压速度与）、加压速度与保压时间等工艺参数保压时间等工艺参数。本讲稿第九十七页，共一百一十九页本讲稿第九

39、十八页，共一百一十九页模压成形步骤及影响因素模压成形步骤及影响因素A.原料准备原料准备a.粉末退火处理：粉末退火处理：i)目的：使氧化物还原、降低碳和其他杂质的含量、提高粉末的纯度；消除粉末目的：使氧化物还原、降低碳和其他杂质的含量、提高粉末的纯度；消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构；表面钝化防止某些超细金属的自燃的加工硬化、稳定粉末的晶体结构；表面钝化防止某些超细金属的自燃。ii)一般用还原法、机械研磨法、电解法、雾化法以及羰基离解法制得的金属粉末，一般用还原法、机械研磨法、电解法、雾化法以及羰基离解法制得的金属粉末，都要进行退火处理。此外，为了防止某些超细金属的自燃，也要做退火处理，使

40、其都要进行退火处理。此外，为了防止某些超细金属的自燃，也要做退火处理，使其表面钝化。表面钝化。b.混合：混合：使两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀使两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀混合方法：机械法和化学法。混合方法：机械法和化学法。c.筛分筛分d.制粒制粒：将小颗粒粉末制成大颗粒。：将小颗粒粉末制成大颗粒。i）目的：为了改善粉末的流动性，以使粉末能顺利地充填模腔。）目的：为了改善粉末的流动性，以使粉末能顺利地充填模腔。ii）制粒方法：普通制粒、加压造粒和喷雾干燥法三类。）制粒方法：普通制粒、加压造粒和喷雾干燥法三类。本讲稿第九十九页，共一百一十九页e.添加成形剂：添加成形剂：B.装模装模

41、C.加压：加压：i）加压方式：有单向加压和双向加压两种。）加压方式：有单向加压和双向加压两种。ii）对成形质量的影响：压力大小直接影响压坯烧结密度与）对成形质量的影响：压力大小直接影响压坯烧结密度与收缩率，加压速度应以静压为宜，不宜过快。收缩率，加压速度应以静压为宜，不宜过快。D.保压：保压：保压可以使压力传递更加充分，有利于压坯中各部保压可以使压力传递更加充分，有利于压坯中各部分的密度均匀；有利于粉末中的空气逸出。分的密度均匀；有利于粉末中的空气逸出。E.脱模脱模：脱模压力受压制压力、压坯密度、粉末特性、：脱模压力受压制压力、压坯密度、粉末特性、压坯尺寸、模壁状况以及润滑条件等一系列因素的影

42、响。压坯尺寸、模壁状况以及润滑条件等一系列因素的影响。本讲稿第一百页，共一百一十九页 利用液态、气体或橡胶等作为传压介质，在三维方利用液态、气体或橡胶等作为传压介质，在三维方向对坯体进行压制的工艺。向对坯体进行压制的工艺。冷等静压可分为干式和湿式冷等静压可分为干式和湿式两种形式。两种形式。q 冷等静压成形冷等静压成形湿式湿式湿式湿式冷等静压（液体为传压介质）冷等静压（液体为传压介质）干式干式干式干式冷等静压（气体或弹性体为传压介质）冷等静压（气体或弹性体为传压介质）冷等静压冷等静压本讲稿第一百零一页，共一百一十九页本讲稿第一百零二页，共一百一十九页 以水为溶剂、粘土为粘结剂和粉体混合，配制成的

43、具有以水为溶剂、粘土为粘结剂和粉体混合，配制成的具有较好流动性的料浆，再将料浆注入到具有产品形状的石膏模较好流动性的料浆，再将料浆注入到具有产品形状的石膏模中成形的方法。中成形的方法。q 注浆法成形注浆法成形本讲稿第一百零三页，共一百一十九页 这种成形方法借鉴了金属压铸成形的工艺思路，利这种成形方法借鉴了金属压铸成形的工艺思路，利用石蜡的高温流变特性，对粉体和石蜡混合流体进行压力下用石蜡的高温流变特性，对粉体和石蜡混合流体进行压力下的铸造成形。的铸造成形。q 热压铸成形热压铸成形 1）料浆的制备：）料浆的制备：将经过粉体与将经过粉体与612石蜡和石蜡和0.1 1硬脂硬脂酸或油酸表面活性剂加热到

44、酸或油酸表面活性剂加热到6080再与熔化的石蜡混合即可。再与熔化的石蜡混合即可。2）压铸：）压铸：在压缩空气作用下充型，保压冷却，脱模。在压缩空气作用下充型，保压冷却，脱模。本讲稿第一百零四页，共一百一十九页本讲稿第一百零五页，共一百一十九页 一般用于制备厚度一般用于制备厚度 80m的坯片。的坯片。q 带式成形（流延成形）带式成形（流延成形）本讲稿第一百零六页，共一百一十九页 借鉴金属的挤借鉴金属的挤压成形和轧制成压成形和轧制成形工艺。形工艺。q 增塑成形增塑成形 将具有可塑性将具有可塑性的泥料，利用的泥料，利用压力通过模具压力通过模具挤出来成形。挤出来成形。挤制成形挤制成形挤制成形挤制成形本

45、讲稿第一百零七页，共一百一十九页 将陶瓷粉体和粘结剂、溶剂等置于置于轧辊上混将陶瓷粉体和粘结剂、溶剂等置于置于轧辊上混炼，使之混合均匀，形成一层厚膜；调整轧辊间距，反炼，使之混合均匀，形成一层厚膜；调整轧辊间距，反复轧制，可制复轧制，可制得薄片瓷坯。得薄片瓷坯。粉末冶金中，粉末冶金中，称为称为粉末轧制。粉末轧制。轧膜成形（滚压成形、辊压成形）轧膜成形（滚压成形、辊压成形）轧膜成形（滚压成形、辊压成形）轧膜成形（滚压成形、辊压成形）本讲稿第一百零八页，共一百一十九页q 概概 述述 定定 义义：烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降烧结是指高温条件下，坯体表面积减小，孔隙率降低、机械性能提高

46、的致密化过程。低、机械性能提高的致密化过程。烧结驱动力烧结驱动力：粉体的表面能降低和缺陷能的降低。粉体的表面能降低和缺陷能的降低。第四节第四节 粉末的烧结粉末的烧结本讲稿第一百零九页，共一百一十九页 烧结的主要阶段烧结的主要阶段：1）烧结前期阶段烧结前期阶段（坯体入炉（坯体入炉90致密化）致密化）粘结剂等的脱除：如石蜡在粘结剂等的脱除：如石蜡在250400全部汽化全部汽化 挥发。挥发。随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔 隙变得封闭，并孤立分布。隙变得封闭，并

47、孤立分布。小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。本讲稿第一百一十页，共一百一十九页 2）烧结后期阶段烧结后期阶段 孔隙的消除：孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处，晶界上的物质不断扩散到孔隙处，使孔隙逐渐消除。使孔隙逐渐消除。晶粒长大：晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。晶界移动，晶粒长大。烧结的分类烧结的分类：固相烧结（只有固相传质）固相烧结（只有固相传质）液相烧结（出现液相）液相烧结（出现液相）气相烧结（蒸汽压较高）气相烧结（蒸汽压较高）烧烧 结结本讲稿第一百一十一页，共一百一十九页q 烧结过程的物质传递烧结过程的物质传递气相传质（蒸发与凝聚为主

48、）气相传质（蒸发与凝聚为主）固相传质（扩散为主）固相传质（扩散为主）液相传质（溶解和沉淀为主）液相传质（溶解和沉淀为主）烧结过程烧结过程中的物质中的物质传递传递本讲稿第一百一十二页，共一百一十九页q 影响烧结的因素影响烧结的因素原料粉末的粒度原料粉末的粒度烧结温度烧结温度烧结时间烧结时间烧结气氛烧结气氛影响因素影响因素本讲稿第一百一十三页，共一百一十九页q 烧结方法分类烧结方法分类常压烧结常压烧结压力烧结压力烧结按压力分类按压力分类普通烧结普通烧结氢气烧结氢气烧结真空烧结真空烧结按气氛分类按气氛分类本讲稿第一百一十四页，共一百一十九页固相烧结固相烧结液相烧结液相烧结气相烧结气相烧结活化烧结活化

49、烧结反应烧结反应烧结按反应分类按反应分类本讲稿第一百一十五页，共一百一十九页q 常见的烧结方法常见的烧结方法 在大气压状态下，将压制的坯体置于烧结炉中进行加在大气压状态下，将压制的坯体置于烧结炉中进行加热的普通烧结。热的普通烧结。无压烧结无压烧结无压烧结无压烧结 热压烧结热压烧结 热压烧结是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加热压烧结是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时间更短。间更短。本讲稿第一百一十六页，共一百一十九页 将粉体压坯或装入包套的粉体放入高压容器中，在将粉体压坯或装入包套的粉体放入高压容

50、器中，在高温和均衡的气体压力作用下，烧结成致密的陶瓷体。高温和均衡的气体压力作用下，烧结成致密的陶瓷体。热等静压烧结热等静压烧结热等静压烧结热等静压烧结 真空烧结真空烧结 将粉体压坯放入到真空炉中进行烧结。真空烧结有将粉体压坯放入到真空炉中进行烧结。真空烧结有利于粘结剂的脱除和坯体内气体的排除，有利于实现高利于粘结剂的脱除和坯体内气体的排除，有利于实现高致密化。致密化。本讲稿第一百一十七页，共一百一十九页 反应烧结、气相沉积成形、高温自蔓延（反应烧结、气相沉积成形、高温自蔓延（SHS）烧）烧结、等离子烧结、电火花烧结、电场烧结、超高压烧结、结、等离子烧结、电火花烧结、电场烧结、超高压烧结、微波