烧结过程及机理学习教案.pptx

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1、会计学1烧结过程及机理烧结过程及机理第一页，编辑于星期二：三点 四分。图图5 烧结温度对烧结体性质的影响烧结温度对烧结体性质的影响 l一比电导一比电导 2一拉力一拉力 3一密度一密度比电导比电导(-1cm-3)温度温度(C)拉力拉力(kg/cm3)密密度度(g/cm2)第1页/共28页第二页，编辑于星期二：三点 四分。结果与讨论结果与讨论结果与讨论结果与讨论：1.1.1.1.随烧结温度的升高，比电导和抗拉强度增加。随烧结温度的升高，比电导和抗拉强度增加。随烧结温度的升高，比电导和抗拉强度增加。随烧结温度的升高，比电导和抗拉强度增加。2.2.2.2.曲曲曲曲线线线线表表表表明明明明，在在在在颗颗

2、颗颗粒粒粒粒空空空空隙隙隙隙被被被被填填填填充充充充之之之之前前前前(即即即即气气气气孔孔孔孔率率率率显显显显著著著著下下下下降降降降以以以以前前前前)，颗颗颗颗粒粒粒粒接接接接触触触触处处处处就就就就已已已已产产产产生生生生某某某某种种种种键键键键合合合合，使使使使得得得得电电电电子子子子可可可可以以以以沿沿沿沿着着着着键键键键合的地方传递，故比电导和抗拉强度增大。合的地方传递，故比电导和抗拉强度增大。合的地方传递，故比电导和抗拉强度增大。合的地方传递，故比电导和抗拉强度增大。3.3.3.3.温温温温度度度度继继继继续续续续升升升升高高高高，物物物物质质质质开开开开始始始始向向向向空空空空隙

3、隙隙隙传传传传递递递递，密密密密度度度度增增增增大大大大。当当当当密密密密度度度度达达达达到到到到理理理理论论论论密密密密度度度度的的的的9090909095959595后后后后，其其其其增增增增加加加加速速速速度度度度显显显显著著著著减减减减小小小小，且且且且常常常常规规规规条条条条件件件件下下下下很很很很难难难难达达达达到到到到完完完完全全全全致致致致密密密密。说说说说明明明明坯坯坯坯体体体体中中中中的的的的空空空空隙隙隙隙(气气气气孔孔孔孔)完完完完全全全全排除是很难的。排除是很难的。排除是很难的。排除是很难的。第2页/共28页第三页，编辑于星期二：三点 四分。(二二二二)烧结过程的模型

4、示意图烧结过程的模型示意图烧结过程的模型示意图烧结过程的模型示意图 根根根根据据据据烧烧烧烧结结结结性性性性质质质质随随随随温温温温度度度度的的的的变变变变化化化化，我我我我们们们们可可可可以以以以把把把把烧烧烧烧结结结结过过过过程程程程用用用用图图图图6 6的的的的模模模模型型型型来来来来表表表表示示示示，以以以以增增增增强强强强我我我我们们们们对对对对烧烧烧烧结结结结过过过过程程程程的感性认识。的感性认识。的感性认识。的感性认识。第3页/共28页第四页，编辑于星期二：三点 四分。图图图图6 6 粉状成型体的烧结过程示意图粉状成型体的烧结过程示意图粉状成型体的烧结过程示意图粉状成型体的烧结过

5、程示意图第4页/共28页第五页，编辑于星期二：三点 四分。a)a)烧结前烧结前烧结前烧结前 b)b)烧结后烧结后烧结后烧结后图图图图7 7 铁粉烧结的铁粉烧结的铁粉烧结的铁粉烧结的SEMSEM照片照片照片照片第5页/共28页第六页，编辑于星期二：三点 四分。a)烧结前烧结前 b)烧结后烧结后图图7 BICUVOX.10烧结的烧结的SEM照片照片第6页/共28页第七页，编辑于星期二：三点 四分。烧结过程的三个阶段烧结初期烧结中期烧结后期坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失），固坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失），固-气总表面积没有变化。气总表面

6、积没有变化。传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道。传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道。传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密度达到传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密度达到95%以上，制品强度提高。以上，制品强度提高。第7页/共28页第八页，编辑于星期二：三点 四分。二、烧结推动力二、烧结推动力二、烧结推动力二、烧结推动力 粉粉粉粉体体体体颗颗颗颗料料料料尺尺尺尺寸寸寸寸很很很很小小小小，比比比比表表表表面面面面积积积积大大大大，具具具具有有有有较较较较高高高高的的的的表表表表面面面面能能能能，即即即即使使使使在在在在加加

7、加加压压压压成成成成型型型型体体体体中中中中，颗颗颗颗料料料料间间间间接接接接面面面面积积积积也也也也很很很很小小小小，总总总总表表表表面面面面积积积积很很很很大大大大而而而而处处处处于于于于较较较较高高高高能能能能量量量量状状状状态态态态。根根根根据据据据最最最最低低低低能能能能量量量量原原原原理理理理，它它它它将将将将自自自自发发发发地地地地向向向向最低能量状态变化，使系统的表面能减少。最低能量状态变化，使系统的表面能减少。最低能量状态变化，使系统的表面能减少。最低能量状态变化，使系统的表面能减少。烧烧结结是是一一个个自自发发的的不不可可逆逆过过程程，系系统统表表面面能能降降低低是推动烧结

8、进行的基本动力。是推动烧结进行的基本动力。第8页/共28页第九页，编辑于星期二：三点 四分。表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压P P分别低于和高于平面分别低于和高于平面分别低于和高于平面分别低于和高于平面表面处的蒸气压表面处的蒸气压表面处的蒸气压表面处的蒸气压P Po o，并可以用开尔文本公式表达：，并可以用开尔文本公式表达：，并可以用开尔文本公式表达：，并可以用开尔文本公式表达：对于球形表面对于球形表面 （1）对于非球形表面对于非球形表面 （2）表面凹凸不平的固体颗粒，其凸处呈正压，凹处呈负压，故存

9、在着使物质自凸处向凹处迁移。表面凹凸不平的固体颗粒，其凸处呈正压，凹处呈负压，故存在着使物质自凸处向凹处迁移。第9页/共28页第十页，编辑于星期二：三点 四分。如如如如果果果果固固固固体体体体在在在在高高高高温温温温下下下下有有有有较较较较高高高高蒸蒸蒸蒸气气气气压压压压，则则则则可可可可以以以以通通通通过过过过气气气气相相相相导导导导致致致致物物物物质质质质从从从从凸凸凸凸表表表表面面面面向向向向凹凹凹凹表表表表面面面面处处处处传传传传递递递递。此此此此外外外外若若若若以以以以固固固固体体体体表表表表面面面面的的的的空空空空位位位位浓浓浓浓度度度度C C或或或或固固固固体体体体溶溶溶溶解解解

10、解度度度度L L分分分分别别别别代代代代替替替替式式式式2 2中中中中的的的的蒸蒸蒸蒸气气气气压压压压P P，则则则则对对对对于于于于空空空空位位位位浓浓浓浓度度度度和和和和溶溶溶溶解解解解度度度度也也也也都都都都有有有有类类类类似似似似于于于于式式式式 2 2的的的的关关关关系系系系，并并并并能能能能推推推推动动动动物物物物质质质质的的的的扩扩扩扩散散散散传递。传递。传递。传递。可见，作为烧结动力的表面张力可以通过流可见，作为烧结动力的表面张力可以通过流动、扩散和液相或气相传递等方式推动物质动、扩散和液相或气相传递等方式推动物质的迁移。的迁移。第10页/共28页第十一页，编辑于星期二：三点

11、四分。图图9 凹凸不平的固体表面的附加压强差及物质迁移凹凸不平的固体表面的附加压强差及物质迁移第11页/共28页第十二页，编辑于星期二：三点 四分。三、烧结机理三、烧结机理 (一一)颗粒的粘附作用颗粒的粘附作用(二二)物质的传递物质的传递第12页/共28页第十三页，编辑于星期二：三点 四分。(一一)颗粒的粘附作用颗粒的粘附作用 例子：例子：例子：例子：把把把把两两两两根根根根新新新新拉拉拉拉制制制制的的的的玻玻玻玻璃璃璃璃纤纤纤纤维维维维相相相相互互互互叠叠叠叠放放放放在在在在一一一一起起起起，然然然然后后后后沿沿沿沿纤纤纤纤维维维维长长长长度度度度方方方方向向向向轻轻轻轻轻轻轻轻地地地地相相

12、相相互互互互拉拉拉拉过过过过，即即即即可可可可发发发发现现现现其其其其运运运运动动动动是是是是粘粘粘粘滞滞滞滞的的的的，两两两两根根根根玻玻玻玻璃璃璃璃纤纤纤纤维维维维会会会会互互互互相相相相粘粘粘粘附附附附一一一一段段段段时时时时间间间间，直直直直到到到到玻玻玻玻璃璃璃璃纤纤纤纤维维维维弯弯弯弯曲曲曲曲时时时时才才才才被被被被拉拉拉拉开开开开，这这这这说明两根玻璃纤维在接触处产生了粘附作用。说明两根玻璃纤维在接触处产生了粘附作用。说明两根玻璃纤维在接触处产生了粘附作用。说明两根玻璃纤维在接触处产生了粘附作用。第13页/共28页第十四页，编辑于星期二：三点 四分。由此可见，由此可见，由此可见，

13、由此可见，粘附是固体表面的普遍性质，它起因于固体粘附是固体表面的普遍性质，它起因于固体粘附是固体表面的普遍性质，它起因于固体粘附是固体表面的普遍性质，它起因于固体表面力。当两个表面靠近到表面力场作用范围时即发生键表面力。当两个表面靠近到表面力场作用范围时即发生键表面力。当两个表面靠近到表面力场作用范围时即发生键表面力。当两个表面靠近到表面力场作用范围时即发生键合而粘附。粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触面合而粘附。粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触面合而粘附。粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触面合而粘附。粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触面积，故粉状物料间的粘附作用特别

14、显著。积，故粉状物料间的粘附作用特别显著。积，故粉状物料间的粘附作用特别显著。积，故粉状物料间的粘附作用特别显著。水膜的例子水膜的例子水膜的例子水膜的例子,见图见图见图见图1010 因此，粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体颗粒间产因此，粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体颗粒间产因此，粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体颗粒间产因此，粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体颗粒间产生键合、靠拢和重排，并开始形成接触区的一个原因。生键合、靠拢和重排，并开始形成接触区的一个原因。生键合、靠拢和重排，并开始形成接触区的一个原因。生键合、靠拢和重排，并开始形成接触区的一个原因。第14页/共28页第十五页，编辑于星期二：

15、三点 四分。图图图图10 10 被水膜包裹的两固体球的粘附被水膜包裹的两固体球的粘附被水膜包裹的两固体球的粘附被水膜包裹的两固体球的粘附 (a)(b)第15页/共28页第十六页，编辑于星期二：三点 四分。图图11 在扩展的粘附接触面上的变形作用（在扩展的粘附接触面上的变形作用（A处处的细线表示粘附力）的细线表示粘附力）第16页/共28页第十七页，编辑于星期二：三点 四分。(二二)物质的传递物质的传递 在烧结过程中物质传递的途径是多样的，相应的机理在烧结过程中物质传递的途径是多样的，相应的机理在烧结过程中物质传递的途径是多样的，相应的机理在烧结过程中物质传递的途径是多样的，相应的机理也各不相同。

16、但如上所述，它们都是以表面张力作为动也各不相同。但如上所述，它们都是以表面张力作为动也各不相同。但如上所述，它们都是以表面张力作为动也各不相同。但如上所述，它们都是以表面张力作为动力的。力的。力的。力的。有流动传质有流动传质有流动传质有流动传质 、扩散传质、扩散传质、扩散传质、扩散传质 、气相传质、气相传质、气相传质、气相传质 、溶解、溶解、溶解、溶解沉沉沉沉淀传质。淀传质。淀传质。淀传质。1 1 1 1流动传质流动传质流动传质流动传质 这是指在表面张力作用下通过变形、流动引起的这是指在表面张力作用下通过变形、流动引起的这是指在表面张力作用下通过变形、流动引起的这是指在表面张力作用下通过变形、

17、流动引起的物质迁移。属于这类机理的有粘性流动和塑性流动。物质迁移。属于这类机理的有粘性流动和塑性流动。物质迁移。属于这类机理的有粘性流动和塑性流动。物质迁移。属于这类机理的有粘性流动和塑性流动。第17页/共28页第十八页，编辑于星期二：三点 四分。粘性流动传质粘性流动传质粘性流动传质粘性流动传质 ：若存在着某种外力场，如表面张力作用时，则质若存在着某种外力场，如表面张力作用时，则质若存在着某种外力场，如表面张力作用时，则质若存在着某种外力场，如表面张力作用时，则质点点点点(或空位或空位或空位或空位)就会优先沿此表面张力作用的方向移动，就会优先沿此表面张力作用的方向移动，就会优先沿此表面张力作用

18、的方向移动，就会优先沿此表面张力作用的方向移动，并呈现相应的定向物质流，其迁移量是与表面张并呈现相应的定向物质流，其迁移量是与表面张并呈现相应的定向物质流，其迁移量是与表面张并呈现相应的定向物质流，其迁移量是与表面张力大小成比例的，并服从如下粘性流动的关系：力大小成比例的，并服从如下粘性流动的关系：力大小成比例的，并服从如下粘性流动的关系：力大小成比例的，并服从如下粘性流动的关系：（3 3）第18页/共28页第十九页，编辑于星期二：三点 四分。塑塑塑塑性性性性流流流流动动动动传传传传质质质质：如如如如果果果果表表表表面面面面张张张张力力力力足足足足以以以以使使使使晶晶晶晶体体体体产产产产生生生

19、生位位位位错错错错，这这这这时时时时质质质质点点点点通通通通过过过过整整整整排排排排原原原原子子子子的的的的运运运运动动动动或或或或晶晶晶晶面面面面的的的的滑滑滑滑移移移移来来来来实实实实现现现现物物物物质质质质传传传传递递递递，这这这这种种种种过过过过程程程程称称称称塑塑塑塑性性性性流流流流动动动动。可可可可见见见见塑塑塑塑性性性性流流流流动动动动是是是是位位位位错错错错运运运运动动动动的的的的结结结结果果果果。与与与与粘粘粘粘性性性性流流流流动动动动不不不不同同同同，塑塑塑塑性性性性流流流流动动动动只只只只有有有有当当当当作作作作用用用用力力力力超超超超过过过过固固固固体体体体屈屈屈屈服服

20、服服点点点点时时时时才才才才能能能能产产产产生生生生，其其其其流流流流动动动动服服服服从从从从宾宾宾宾汉汉汉汉(Bingham)(Bingham)型型型型物物物物体体体体的的的的流流流流动动动动规律即，规律即，规律即，规律即，（3 3）式中，式中，式中，式中，是极限剪切力。是极限剪切力。是极限剪切力。是极限剪切力。第19页/共28页第二十页，编辑于星期二：三点 四分。2 2 扩散传质扩散传质 扩扩扩扩散散散散传传传传质质质质是是是是指指指指质质质质点点点点(或或或或空空空空位位位位)借借借借助助助助于于于于浓浓浓浓度度度度梯梯梯梯度度度度推推推推动动动动而而而而迁迁迁迁移移移移的的的的传传传传

21、质质质质过过过过程程程程。如如如如图图图图7 7和和和和图图图图8 8所所所所示示示示，烧烧烧烧结结结结初初初初期期期期由由由由于于于于粘粘粘粘附附附附作作作作用用用用使使使使粒粒粒粒子子子子间间间间的的的的接接接接触触触触界界界界面面面面逐逐逐逐渐渐渐渐扩扩扩扩大大大大并并并并形形形形成成成成具具具具有有有有负负负负曲曲曲曲率率率率的的的的接接接接触触触触区区区区。在在在在颈颈颈颈部部部部由由由由于于于于曲曲曲曲面面面面特特特特性性性性所所所所引引引引起起起起的毛细孔引力的毛细孔引力的毛细孔引力的毛细孔引力/。对对对对于于于于一一一一个个个个不不不不受受受受应应应应力力力力的的的的晶晶晶晶体

22、体体体，其其其其空空空空位位位位浓浓浓浓度度度度C Co o是是是是取决于温度取决于温度取决于温度取决于温度T T和形成空位所需的能量和形成空位所需的能量和形成空位所需的能量和形成空位所需的能量GGf f第20页/共28页第二十一页，编辑于星期二：三点 四分。倘倘倘倘若若若若质质质质点点点点(原原原原子子子子或或或或离离离离子子子子)的的的的直直直直径径径径为为为为，并并并并近近近近似似似似地地地地令令令令空空空空位位位位体体体体积积积积为为为为 3 3，则则则则 在在在在 颈颈颈颈 部部部部 区区区区 域域域域 每每每每 形形形形 成成成成 一一一一 个个个个 空空空空 位位位位 时时时时，

23、毛毛毛毛 细细细细 孔孔孔孔 引引引引 力力力力 所所所所 做做做做 的的的的 功功功功W=W=3 3/。故故故故在在在在颈颈颈颈部部部部表表表表面面面面形形形形成成成成一一一一个个个个空空空空位位位位所所所所需需需需的的的的能能能能量量量量应应应应为为为为GGf f=-=-3 3/，相应的空位浓度为，相应的空位浓度为，相应的空位浓度为，相应的空位浓度为 在颈部表面的过剩空位浓度为在颈部表面的过剩空位浓度为在颈部表面的过剩空位浓度为在颈部表面的过剩空位浓度为 第21页/共28页第二十二页，编辑于星期二：三点 四分。一般烧结温度下，一般烧结温度下，一般烧结温度下，一般烧结温度下，于是于是于是于是

24、 从式可见，在一定温度下空位浓度差是与表面张力成从式可见，在一定温度下空位浓度差是与表面张力成从式可见，在一定温度下空位浓度差是与表面张力成从式可见，在一定温度下空位浓度差是与表面张力成比例的，因此由扩散机理进行的烧结过程，其推动力比例的，因此由扩散机理进行的烧结过程，其推动力比例的，因此由扩散机理进行的烧结过程，其推动力比例的，因此由扩散机理进行的烧结过程，其推动力也是表面张力。也是表面张力。也是表面张力。也是表面张力。第22页/共28页第二十三页，编辑于星期二：三点 四分。由由由由于于于于空空空空位位位位扩扩扩扩散散散散既既既既可可可可以以以以沿沿沿沿颗颗颗颗粒粒粒粒表表表表面面面面或或或

25、或界界界界面面面面进进进进行行行行，也也也也可可可可能能能能通通通通过过过过颗颗颗颗粒粒粒粒内内内内部部部部进进进进行行行行，并并并并在在在在颗颗颗颗粒粒粒粒表表表表面面面面或或或或颗颗颗颗粒粒粒粒间间间间界界界界上上上上消消消消失失失失。为为为为了了了了区区区区别别别别，通通通通常常常常分分分分别别别别称称称称为为为为表表表表面面面面扩扩扩扩散散散散，界界界界面面面面扩扩扩扩散散散散和和和和体体体体积积积积扩扩扩扩散散散散。有有有有时时时时在在在在晶晶晶晶体体体体内内内内部部部部缺缺缺缺陷陷陷陷处处处处也也也也可可可可能能能能出出出出现现现现空空空空位位位位，这这这这时时时时则则则则可可可可

26、以以以以通通通通过过过过质质质质点点点点向向向向缺缺缺缺陷陷陷陷处处处处扩扩扩扩散散散散，而而而而该该该该空空空空位位位位迁迁迁迁移移移移到到到到界界界界面面面面上上上上消消消消失失失失，此此此此称称称称为为为为从从从从缺缺缺缺陷陷陷陷开开开开始的扩散。始的扩散。始的扩散。始的扩散。第23页/共28页第二十四页，编辑于星期二：三点 四分。3 3 3 3气相传质气相传质气相传质气相传质 由由由由于于于于颗颗颗颗粒粒粒粒表表表表面面面面各各各各处处处处的的的的曲曲曲曲率率率率不不不不同同同同，按按按按开开开开尔尔尔尔文文文文公公公公式式式式可可可可知知知知，各各各各处处处处相相相相应应应应的的的的

27、蒸蒸蒸蒸气气气气压压压压大大大大小小小小也也也也不不不不同同同同。故故故故质质质质点点点点容容容容易易易易从从从从高高高高能能能能阶阶阶阶的的的的凸凸凸凸处处处处（如如如如表表表表面面面面）蒸蒸蒸蒸发发发发，然然然然后后后后通通通通过过过过气气气气相相相相传传传传递递递递到到到到低低低低能能能能阶阶阶阶的的的的凹凹凹凹处处处处(如如如如颈颈颈颈部部部部）凝凝凝凝结结结结，使使使使颗颗颗颗粒粒粒粒的的的的接接接接触触触触面面面面增增增增大大大大，颗颗颗颗粒粒粒粒和和和和空空空空隙隙隙隙形形形形状状状状改改改改变变变变而而而而使使使使成成成成型型型型体体体体变变变变成成成成具具具具有有有有一一一一

28、定定定定几几几几何何何何形形形形状状状状和和和和性性性性能能能能的烧结体。的烧结体。的烧结体。的烧结体。这一过程也称蒸发这一过程也称蒸发这一过程也称蒸发这一过程也称蒸发-冷凝冷凝冷凝冷凝。第24页/共28页第二十五页，编辑于星期二：三点 四分。4 4 4 4溶解溶解溶解溶解沉淀沉淀沉淀沉淀 在在在在有有有有液液液液相相相相参参参参与与与与的的的的烧烧烧烧结结结结中中中中，若若若若液液液液相相相相能能能能润润润润湿湿湿湿和和和和溶溶溶溶解解解解固固固固相，由于小颗粒的表面能较大其溶解度相，由于小颗粒的表面能较大其溶解度相，由于小颗粒的表面能较大其溶解度相，由于小颗粒的表面能较大其溶解度也就比大颗

29、粒的大。其间存在类似于式也就比大颗粒的大。其间存在类似于式也就比大颗粒的大。其间存在类似于式也就比大颗粒的大。其间存在类似于式3 3的关系：的关系：的关系：的关系：这种通过液相传质的机理称溶解这种通过液相传质的机理称溶解这种通过液相传质的机理称溶解这种通过液相传质的机理称溶解沉淀机理。沉淀机理。沉淀机理。沉淀机理。第25页/共28页第二十六页，编辑于星期二：三点 四分。结果与讨论结果与讨论烧结的机理是复杂和多样的，但都烧结的机理是复杂和多样的，但都是以表面张力为动力的。应该指出，是以表面张力为动力的。应该指出，对于不同物料和烧结条件，这些过对于不同物料和烧结条件，这些过程并不是并重的，往往是某一种或程并不是并重的，往往是某一种或几种机理起主导作用。当条件改变几种机理起主导作用。当条件改变时可能取决于另一种机理。时可能取决于另一种机理。第26页/共28页第二十七页，编辑于星期二：三点 四分。图图图图12 12 不同烧结机理的传质途径不同烧结机理的传质途径不同烧结机理的传质途径不同烧结机理的传质途径 第27页/共28页第二十八页，编辑于星期二：三点 四分。