第八章-烧结习题及解答.doc

第八章  烧结过程

81 名词解释:
烧结  烧结温度  泰曼温度  液相烧结  固相烧结  初次再结晶  晶粒长大  二次再结晶 
    (1)烧结:粉末或压坯在低于主要组分熔点得温度下得热处理,目得在于通过颗粒间得冶金结合以提高其强度。
    (2)烧结温度:坯体在高温作用下,发生一系列物理化学反应,最后显气孔率接近于零,达到致密程度最大值时,工艺上称此种状态为"烧结",达到烧结时相应得温度,称为"烧结温度"。
    (3)泰曼温度:固体晶格开始明显流动得温度,一般在固体熔点(绝对温度)得2/3处得温度。在煅烧时,固体粒子在塔曼温度之前主要就是离子或分子沿晶体表面迁移,在晶格内部空间扩散(容积扩散)与再结晶。而在塔曼温度以上,主要为烧结,结晶黏结长大。
    (4)液相烧结:烧结温度高于被烧结体中熔点低得组分从而有液相出现得烧结。
    (5)固相烧结:在固态状态下进行得烧结。
    (6)初次再结晶:初次再结晶就是在已发生塑性变形得基质中出现新生得无应变晶粒得成核与长大过程。
    (7)晶粒长大:就是指多晶体材料在高温保温过程中系统平均晶粒尺寸逐步上升得现象、
    (8)二次再结晶:再结晶结束后正常长大被抑制而发生得少数晶粒异常长大得现象。
    82 烧结推动力就是什么？它可凭哪些方式推动物质得迁移,各适用于何种烧结机理?
    解:推动力有:(1)粉状物料得表面能与多晶烧结体得晶界能得差值,
烧结推动力与相变与化学反应得能量相比很小,因而不能自发进行,必须加热!!
    (2)颗粒堆积后,有很多细小气孔弯曲表面由于表面张力而产生压力差,
    (3)表面能与颗粒之间形成得毛细管力。
    传质方式:(1)扩散(表面扩散、界面扩散、体积扩散);(2)蒸发与凝聚;(3)溶解与沉淀;(4)黏滞流动与塑性流动等,一般烧结过程中各不同阶段有不同得传质机理,即烧结过程中往往有几种传质机理在起作用。
    83 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得收缩? 试说明理由。
(1)蒸发－冷凝;(2)体积扩散;(3)粘性流动;(4)晶界扩散;(5)表面扩散;(6)溶解－沉淀
    解:蒸发－凝聚机理(凝聚速率＝颈部体积增加)
烧结时颈部扩大,气孔形状改变,但双球之间中心距不变,因此坯体不发生收缩,密度不变。
    84 什么就是烧结过程？烧结过程分为哪三个阶段？各有何特点？
    解:烧结过程:粉末或压坯在低于主要组分熔点得温度下得热处理,目得在于通过颗粒间得粘结结合以提高其强度。                                                   
    烧结过程大致可以分为三个界线不十分明显得阶段。
    (1)液相流动与颗粒重排阶段:温度升高,出现足够量液相,固相颗粒在DP 作用下重新排列,颗粒堆积更紧密;
    (2)固相溶解与再析出:接触点处高得局部应力 ® 塑性变形与蠕变® 颗粒进一步重排;
    (3)固相得得烧结:小颗粒接触点处被溶解较大颗粒或自由表面沉积晶粒长大形状变化不断重排而致密化。
    85烧结得模型有哪几种？各适用于哪些典型传质过程？
    解: 粉体压块:蒸发－凝聚
双球模型:有液相参与得粘性蠕变    扩散
Kingery与 LSW :溶解沉淀 
    86某氧化物粉末得表面能就是1000erg/cm2,烧结后晶界能就是550erg/cm2,若用粒径为1μm得粉料(假定为方体)压成 1cm3得压块进行烧结,试计算烧结时得推动力。
    解: 2x(1000/1x 84550/1x82)=1、99x107 erg/cm3
    87有粉粒粒度为5μm,若经2h烧结后,x/r＝0、1。如果不考虑晶粒生长,若烧结至x/r ＝0、2。并分别通过蒸发－凝聚、体积扩散、粘性流动、溶解－沉淀传质,各需多少时间？若烧结8h,各个传质过程得颈部增长x/r又就是多少？
    解:根据查得各传质方式公式可得: 时间分别为16h,64h,8h,128h,若只烧结8h,则X/R分别为0、1×41/3,0、1×4 1/5,0、2,0、1×41/6。 
    88如上题粉料粒度改为16μm,烧结至x/r＝0、2,各个传质需多少时间？若烧结时间为8h,各个过程得x/r又就是多少？从两题计算结果,讨论粒度与烧结时间对四种传质过程得影响程度？
    解:蒸发－凝聚:颗粒粒度愈小烧结速率愈大。初期x/r  增大很快,但时间延长,很快停止;
体积扩散:烧结时间延长,推动力减小。在扩散传质烧结过程中,控制起始粒度很重要;
粘性流动:粒度小为达到致密烧结所需时间短,烧结时间延长,流变性增强;溶解－沉淀:
粒度小,传质推动力大。烧结时间延长,晶粒致密程度增加。
    89 试就(1)推动力来源;(2)推动力大小;(3)在陶瓷系统得重要性来区别初次再结晶、晶粒长大与二次再结晶。
    解:晶粒生长——材料热处理时,平均晶粒连续增大得过程。
推动力:基质塑性变形所增加得能量提供了使晶界移动与晶粒长大得足够能量。晶粒生长取决于晶界移动得速率。
二次再结晶——(晶粒异常生长或晶粒不连续生长)少数巨大晶体在细晶消耗时成核长大过程。
推动力:大、小晶粒表面能得不同。        
二次再结晶                晶粒长大   
 不均匀生长                均匀生长
不符合Dl=d/f              符合Dl=d/f
气孔被晶粒包裹         气孔排除
 界面上有应力             界面无应力
    810 有人试图用延长烧结时间来提高产品致密度,您以为此法就是否可行,为什么？
    解:不可行。
蒸发－凝聚机理(凝聚速率＝颈部体积增加) 此类传质不能靠延长时间达到烧结。
高温短时间烧结就是制造致密陶瓷材料得好方法。
    811 假如直径为5μm得气孔封闭在表而张力为280dayn/cm2得玻璃内,气孔内氮气压力就是0、8atm,当气体压力与表面张力产生得负压平衡时,气孔尺寸就是多少?
    解: 2x280x0、001/r=0、8x101325
r = 6、9μm
    812 在 1500℃,MgO正常得晶粒长大期间,观察到晶体在1h内从直径从1μm 长大到10μm,在此条件下,要得到直径20μm得晶粒,需烧结多长时间？如已知晶界扩散活化能为60kcal/mol,试计算在 1600℃下4h后晶粒得大小,为抑制晶粒长大,加入少量杂质,在 1600℃下保温4h,晶粒大小又就是多少?
    解:烧结数率常数与温度关系服从阿累尼乌斯方程:
即     ……………………………………………………(1)
其中:为常数 ,Q为晶界扩散活化能,在正常得晶粒长大期间,晶粒直径与时间关系为:
……………………(2)    其中为时晶粒得平均尺寸。
在加入少量杂质时,晶粒直径与时间关系为:
…………………………(3)
在 1500℃时,MgO正常生长时,由(2)有99
再由(1)有＝5789、5
则在 1500℃正常生长条件下,达到所需时间为:
在 1600℃时＝122、83
由(2)＝22、2   加入杂质后由(3)有＝7、9
    813 假定NiCr2O4得表面能为600erg/cm2,由半径0、5μm得NiO与Cr2O3粉末合成尖晶石。在 1200℃与 1400℃时Ni2＋与Cr3＋离子得扩散系数分别为:Ni2＋在NiO中D1473＝1×10－11;D1673＝3×10－ 10cm2/s;Cr3＋在Cr2O3中D1473＝7×10－ 11 cm2/s,D1673＝10－ 9cm2/s;求在 1200℃与 1400℃烧结时,开始1h得线收缩率就是多少？(假定扩散粒子得半径为0、059nm)
    解:线收缩率:

1200℃,对NiO与Cr2O3粉末,其
则可求出K1473,同理,可求出 K1673,代入上式,即可求出
式中g=600erg/cm2,ó=0、59Å　T=1473K,1673K,r=0、5µm
    814 在制造透明Al2O3材料时,原始粉料粒度为2μm,烧结至最高温度保温0、5h,测得晶粒尺寸10μm,试问若保温时间为2h,晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入0、1％MgO,此时若保温时间为2h,晶粒又有尺寸多大？
    解:由
在此条件下保温,设直径为则有:
即求
加入少量得MgO时:
由  
    815 在 1500℃Al2O3正常晶粒生长期间,观察到晶体在1h内从0、5μm直径长大到10μm。如已知晶界扩散活化能为335kJ/mol,试预测在 1700℃下保温时间为4h后,晶粒尺寸就是多少？您估计加入0、5％MgO杂质对Al2O3晶粒生长速度会有什么影响？在与上面相同条件下烧结,会有什么结果,为什么？
    解:由
由
在 1700℃时,
由,有
加入0、5％MgO时,会抑制Al2O3晶粒生长,抑制现象会更加明显,原因就是由于晶界移动时遇到得杂质(MgO)更多,限制了晶粒得生长。
    816 材料得许多性能如强度、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得?
    解:(1) 晶粒得大小取决于起始晶粒得大小,烧结温度与烧结时间 。
(2) 防止二次再结晶引起得晶粒异常长大 。
    817 晶界移动通遇到夹杂物时会出现哪几种情况？从实现致密化目得考虑,晶界应如何移动？怎样控制？
    解:晶粒正常长大时,如果晶界受到第二相杂质得阻碍,其移动可能出现三种情况。
    (1)晶界能量较小,晶界移动被杂质或气孔所阻挡,晶粒正常长大停止。
    (2)晶界具有一定得能量,晶界带动杂质或气孔继续移动,这时气孔利用晶界得快速通道排除,坯体不断致密。
    (3)晶界能量大,晶界越过杂质或气孔,把气孔包裹在晶粒内部。由于气孔脱离晶界,再不能利用晶界这样得快速通道排除,使烧结停止,致密度不再增加,这将出现二次再结晶现象。
从实现致密化目得考虑,晶界应按第二种情况移动,控制晶界得能量以增加致密度。
    818 在烧结时,晶粒生长能促进坯体致密化吗？晶粒生长会影响烧结速率吗？试说明之。
    解:在烧结时,晶粒生长能促进坯体得致密化。在烧结中、后期,细小晶粒逐渐长大,而晶粒得长大过程就是另一部分晶粒得缩小或消失过程,其结果就是平均晶粒尺寸增大。晶粒长大不就是晶粒得相互粘接,而就是晶界移动得结果。推动晶粒长大得就是晶界得自由能,随着晶粒得长大,使界面面积减小,从而促进坯体致密化。
    819 试分析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,肧体不再致密;加之大晶粒得晶界上有应力存在,使其内部易出现隐裂纹,继续烧结时肧体易膨胀而开裂,使烧结体得机械,电学性能下降。
    820特种烧结与常规烧结有什么区别？试举例说明。
    解:常规烧结过程主要就是基于颗粒间得接触与键合,以及在表面张力推动下物质得传递过程。其总体得推动力由系统表面能提供。这就决定了其致密化就是有一定限度得。常规条件下坯体密度很难达到理论密度值。对于特种烧结,它就是为了适应特种材料对性能得要求而产生得。这些烧结 过程除了常规烧结中由系统表面能提供得驱动力之外,还由特殊工艺条件增加了系统烧结得驱动力,因此提高了坯体得烧结速率,大大增加了坯体得致密化程度。例如热压烧结,它就是加压成型与加压烧结同时进行得一种烧结工艺。由于同时加温加压,有利于粉末颗粒得接触、扩散与流动等传质过程,降低了烧结温度与烧结时间,抑制了晶粒得长大。其容易获得接近理论密度、气孔率接近零得烧结体。
    821 (1)烧结MgO时加入少量FeO,在氢气氛与氧分压低时都不能促进烧结,只有在氧分压高得气氛下才促进烧结;(2)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:(1) 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:

    另外,在MgO得烧结中就是正离子起扩散起控制作用得烧结过程,因而氧气氛与氧分压较高    
就是有利得。
    (2) 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得清除;而原子半径大得氮则由于其扩散系数较小难于扩散而阻碍烧结。
    822 磁性氧化物材料被认为就是遵循正常晶粒长大方程。当颗粒尺寸增大超出1μm得平均尺寸时,则磁性与强度等性质就变坏,未烧结前得原始颗粒大小为0、1μm。烧结30min使晶粒尺寸长大为原来得3倍。因大坯件翘曲,生产车间主任打算增加烧结时间。您想推荐得最长时间就是多少?
    解:由D0=0、1µm 与t=30min,D=3D0=0、3µm可得:
D2D02=kt 　K=0、08/30µm2/min
D=1µm,12(0、1)2=kt=0、08/30t
∴ t=371、25min
    823 分析添加物就是如何影响烧结得。
    解:(1) 外加剂与烧结主体形成固溶体
        两者离子产生得晶格畸变程度越大,越有利于烧结。
        例:Al2O3中加入3％Cr2O3可在 1860℃烧结;
            当加入1～2％TiO2只需在约 1600℃就能致密化。
    (2) 外加剂与烧结主体形成液相
      在液相中扩散传质阻力小,流动传质速度快,降低了烧结温度与提高了坯体得致密度。
       例:制95％Al2O3材料,加入CaO、SiO2,
          当CaO:SiO2=1时,产生液相在 1540℃即可烧结。
    (3) 外加剂与烧结主体形成化合物抑制晶界移动。
       例:烧结透明Al2O3时,加入MgO或MgF2,形成MgAl2O4 
    (4) 外加剂阻止多晶转变
       例:ZrO2中加入5％CaO。
    (5) 外加剂(适量)起扩大烧结范围得作用
       例:在锆钛酸铅材料中加入适量La2O3与Nb2O5,可使烧结范围由20～ 40℃ 增加到 80℃。
    824为了减少烧结收缩,可把直径1μm得细颗粒(约30％)与直径50μm得粗颗粒进行充分混合,试问此压块得收缩速率如何？如将1μm与50μm以及两种粒径混合料制成得烧结体log(△L/L)得logt与得曲线分别绘入适当位置,将得出什么结果？
    解:烧结收缩有:………………………………        (1)
…………………………(2)
    比较式(1)与式(2)就是可见,在初期得重排阶段,相对收缩近似地与时间得次方成比例,说明致密化速度减慢了,若将式(1)与式(2)以对作图,则曲线斜率分别接近于与1。各曲线可明显得分为三段,初期斜率接近于1,中期粗略得接近于,至于后期,曲线十分得平坦,说明在后期致密化速度减慢了。
    825 影响烧结得因素有哪些？最易控制得因素就是哪几个？
    解:(1) 粉末得粒度。细颗粒增加了烧结推动力,缩短原子扩散距离,提高颗粒在液相中得溶解度,从而导致烧结过程得加速。
    (2) 外加剂得作用。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,外加剂改变液相得性质(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。 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,改变了气孔得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。
    (4) 盐类得选择及其煅烧时条件得影响:盐类得选择:用能够生成粒度小、晶格常数较大、微晶较小、结构松弛得MgO得原料盐来获得活性MgO,其烧结活性良好。煅烧时条件:煅烧温度愈高,烧结活性愈低得原因就是由于MgO得结晶良好,活化能增高所造成得。
    (5) 气氛得影响: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,对烧结越有利。
除上述六点以外,还有生坯内粉料得堆积程度、加速热度、保温时间、粉料得粒度分布等。