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第九章 功能陶瓷材料的烧结.ppt

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第九章 功能陶瓷材料的烧结.ppt

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文档介绍:第九章 功能陶瓷材料的烧结
第一页,共70页。
烧结过程是一门古老的工艺。现在,烧结过程在许多工业部门得到广泛应用,如陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料等生产过程中都含有烧结过程。
烧结的目的是把粉状材料转变为致密后烧结成一个整体。
因各颈部所处环境和几何条件相同,故只需确定二颗粒形成的颈部的成长速率就基本代表了整个烧结初期的动力学关系。
烧结时,由于传质机理各异而引起颈部增长的方式不同。因此,双球模型的中心距有如下二种情况:
第十二页,共70页。
双球模型
球体-平板模型
适用:
中心距L不变
坯体无收缩
蒸发-凝聚传质
中心距L缩短
坯体收缩
扩散传质
扩散传质
特征:
颈部曲率半径ρ、颈部体积V、颈部表面积A、颗粒半径r、颈部半径x
第十三页,共70页。
烧结会引起体积的收缩和致密度增加,常用线收缩率或密度值来评价烧结的程度。对模型(B),烧结收缩是因颈部长大,两球心距离缩短所引起的。故可用球心距离的缩短率 来表示线收缩率(L0-烧结前两球心距离,L-烧结后缩短值):
烧结初期很小,cos1,故:
由模型(B)知:
上述模型及几何参数仅适应于烧结初期,随烧结的进行,球形颗粒会逐渐变形,故在烧结中后期需采用其它模型。
第十四页,共70页。
三种烧结模型:平面-球模型和双球模型。双球模型中:(1)颈部的增长不引起两球间中心距离的缩短,(2)颈部增长导致两球间中心距离缩短
第十五页,共70页。
假设烧结初期,粒径r变化很小,仍为球形,颈部半径x很小,则颈部体积V、表面积A和表面曲率与r、x的关系如表所示

A
V
平面-球
x2/2r
x3/r
x4/2r
双球(中心距不变)
x2/2r
2x3/r
x4/2r
双球(中心距变)
x2/4r
2x3/2r
x4/2r
第十六页,共70页。
例:不含水的沙子与含水的沙子的行为变化。形成了水膜的沙子的可以粘附而堆积成型。
一、颗粒的粘附作用
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。
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显著。
被水膜包裹的两固体球的粘附
第二节 烧结机理
第十七页,共70页。
二、物质的传递—传质过程
固相烧结
液相烧结
气相传质 — 蒸发-凝聚传质
流动传质 塑性流动
粘性流动
扩散传质
溶解-沉淀传质
第十八页,共70页。
固体颗粒表面的曲率不同,高温时在系统的不同部位有不同的蒸气压,质点通过蒸发,再凝聚实现质点的迁移,促进烧结。
这种传质过程一般在高温下蒸气压较大的系统内发生,如PbO、BeO、FeO、ZnO、TiO2的烧结。
(一)蒸发-凝聚传质
1、概念
模型:在球形颗粒表面有正曲率半径,在两个颗粒联接处有一个小的负曲率半径的颈部。
物质将从蒸气压高的凸形颗粒表面蒸发,通过气相传递而凝聚到蒸气压低的凹形颈部,从而使颈部逐渐被填充。
第十九页,共70页。
2、颈部生长速率关系式
根据开尔文公式(不同曲率半径与压力差关系)、朗格缪尔公式(凝聚速度与压力差关系),可以推导出球形颗粒接触面积颈部生长速率关系式:
x/r —颈部生长速率;x —颈部半径;r —颗粒半径;
 —颗粒表面能;M —相对分子量;P0 —球形颗粒表面蒸气压;
R —气体常数;T —温度; t —时间
式中:
第二十页,共70页。
1)烧结时间t
如:***化钠球的烧结实验。对蒸发-凝聚传质,延长时间对烧结影响不大
2)压力影响 Po
对于硅铝酸盐材料蒸气压低,影响较小。如:Al2O3,在1200℃时,P = 10-41Pa
3)颗粒半径 r 的影响
当 r↓ ,x/r↑ 。
一般烧结 r =10m。
4)温度 T 的影响
T↑,P0↑↑, x/r↑↑。
图9-5 ***化钠在750ºC时球形颗粒之间颈部生长
3、影响因素
第二十一页,共70页。
4、蒸发-凝聚传质的特点
1)坯体不发生收缩。烧结时颈部区域扩大,球的形状改变为椭圆,气孔形状改变,但球与球之间的中心矩不变。
2)坯体密度不变。气孔形状的变化对坯体一些宏观性质有可观的影响,但不影响坯体密度。
3)适当的温度使得物质在加热中可以产生足够蒸气压。
第二十二页,共70页。
(二)扩散传质
1、颈部应力分析
库津斯基,1949年,颈部应力模型的曲颈基元