第7章无机复合材料的烧成

第7章无机复合材料的烧成程伟东材料科学与工程学院烧结的主要目的之一是实现致密化。高温烧结过程中，会发生物理和化学变化，引起电、磁、光和力学性能的变化。无机材料烧结动力学的主要影响因素有原始粉体的特性和青坯的显微结构等。第一节生坯的干燥坯体干燥的目的在于提高其机械强度，有利于装窑操作并保证烧成初期能够顺利进行。（一）生坯内的水分有三种：•化学结合水，坯料物质结构的一部分；•吸附水，坯料颗粒所构成的毛细管中吸附的水分。•游离水，坯料颗粒间基本符合水的一般物理性质。从工艺角度看，干燥过程只需排除游离水。结合水的排除属于烧结过程。（二）干燥过程1坯体含水率2干燥速度3坯体表面温度（三）干燥机理：水的扩散•外扩散，生坯表面水分蒸发扩散到周围介质中去•内扩散，生坯内部水分迁移到表面（四）干燥制度的制定充分考虑坯体配方特点、形状、大小、厚薄、以及干燥器的性能。初始阶段应用低温、高湿、低速热风来预热坯体。严格控制等速干燥阶段的热风温度、湿度及流速，确保坯体各部分干燥速度比较均匀一致。在降速干燥阶段，适当提高干燥速度，使坯体接触高温、低湿的热风。（五）干燥方法1.室式干燥。2.隧道干燥3.辊道传送式干燥第二节常压烧结烧结（sintering）是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其具体的定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。只有掌握了坯体在高温烧成过程中的变化规律，正确地选择和设计窑炉，科学地制定和执行烧成制度，严格地执行装烧操作规程，才能提高产品质量，降低燃料消耗，获得良好的经济效益。烧结过程越来越致密晶体越来越大（一）陶瓷烧成的物理化学变化1.低温阶段脱除残余水分常温约300℃左右2.分解及氧化阶段脱除结构水300~950℃有机物、碳和无机物等的氧化碳酸盐、硫化物等的分解晶型转变3.高温阶段上述氧化、分解反应的继续950℃到烧成温度固相溶解，形成液相形成新晶相和晶体长大釉的熔融4.冷却阶段液相析晶液相的过冷凝固晶型转变2.分解及氧化阶段氧化反应：分解反应：晶型转变3.高温阶段3.形成大量液相和莫来石晶体（3Al2O3·2SiO2）气孔率和体积的变化：电导率随烧结温度的变化：第三节烧结参数对于烧结样品性能的影响1.颗粒尺寸对烧结的影响在一定温度下，半径为r1的一列球形颗粒所需要的烧结时间为t1，半径为r2的另一列排列相同的球形颗粒烧结时间为t2，则：如果颗粒尺寸从1m减小到0.01m，则烧结时间降低106到108数量级。同时，小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高，同时降低烧结温度、减少烧结时间。1122/trrtn2.颗粒形状对烧结的影响颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响:只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形状的陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。3.颗粒尺寸分布对烧结的影响颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力学过程来研究，即分析由不同尺寸分布的坯体内部，在烧结过程中“拉出气孔”（poredrag）和晶粒生长驱动力之间力的平衡作用。研究表明，较小的颗粒尺寸分布范围是获取高烧结密度的必要条件。第四节固相烧结过程及机理固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为气孔尺寸减小。初始阶段中间阶段最终阶段双球模型（two-particlemodel）图(a)为未收缩的模型，颗粒之间的距离不发生变化，但是随着烧结时间的增加，颈部尺寸会不断增加，烧结样品开始收缩，其收缩后几何模型如图(b)所示，颈部增大主要是颗粒接触间物质扩散和坯体收缩造成的。烧结的驱动力主要来源于由于颗粒表面曲率的变化而造成的体积压力差、空位浓度差和蒸汽压差。其中，γs为固相的表面能，Vm’为空位摩尔体积，Vm为固相的摩尔体积。由于上述体积压力差、空位浓度差和蒸汽压差的存在，促使物质扩散。rxrapppssra112rxaRTrVCCsmvvRTrVppsm6种不同的烧结机理：