烧结过程及机理PPT课件

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烧结及高炉炼铁基本原理及工艺课件

高炉炼铁的主要设备包括高炉本体、热风炉、鼓风机、除尘设备等。高炉是核心设备，用于炼铁；热风炉用于提供热风；鼓风机用于向高炉内鼓入空气；除尘设备用于除去烟尘，保护环境。
03
烧结及高炉炼铁的能耗与环保
能耗分析
烧结过程的能耗
烧结过程是钢铁生产中能耗最高的环节之一，其主要能耗来自于点火燃料、电力消耗和工艺用水。其中，点火燃料是烧结过程最主要的能源，占整个烧结过程能耗的60%以上。
高炉炼铁的能耗
高炉炼铁的能耗主要包括煤炭、电力、焦炭和氧气等，其中煤炭和焦炭是最主要的能耗来源。在炼铁过程中，需要将这些能源转化为化学能以还原铁矿石中的铁元素。
环保措施与减排技术
烧结过程的环保措施
在烧结过程中，采取一系列环保措施以减少环境污染，例如使用低硫燃料、安装除尘设备、进行烟气脱硫等。此外，还可以通过提高烧结矿的质量和利用率来减少废渣的产生。
碳捕获和储存技术
利用该技术可以有效地减少高炉炼铁过程中的碳排放，提高环保水平。
氢还原技术
利用氢气作为还原剂，替代焦炭，以减少碳排放和环境污染。
自动化和智能化设备
应用先进的自动化和智能化设备，可以提高生产效率、降低劳动成本，并确保产品质量。
05
烧结及高炉炼铁生产过程中的问题与解决方案
烧结生产过程中的问题与解决方案
高炉炼铁的环保措施
高炉炼铁过程中产生的废气和废水对环境造成的影响较大。为了减少环境污染，需要采取一系列环保措施，例如使用高效除尘设备、进行废气脱硫、废水处理等。此外，还可以通过提高炼铁效率来减少废渣的产生。
可持续发展的方向和前景
烧结及高炉炼铁的可持续发展方向
为了实现烧结及高炉炼铁的可持续发展，需要从能源消耗和环境保护两个方面入手。一方面，需要研发和推广低能耗技术和设备，提高能源利用效率；另一方面，需要加强环保措施和技术的研究和应用，减少环境污染和排放。

陶瓷烧结PPT课件

未来研究方向与展望
新材料与新工艺的开发
跨学科合作与技术融合
智能化与数字化技术的应用
未来，研究者们将继续探索新型陶瓷材料，研究新的烧结工艺和技术，以满足各种应用需求。同时，如何实现陶瓷材料的绿色生产和降低成本也是未来的重要研究方向。
陶瓷烧结技术涉及到材料科学、物理学、化学等多个学科领域，未来的研究将更加注重跨学科的合作和技术融合，以推动陶瓷材料的发展和应用。
还原气氛
可以还原杂质，提高陶瓷的纯度。
压力的影响
常压烧结
是最常见的烧结方式，适用于大多数陶瓷材料。
加压烧结
在加压条件下，可以促进陶瓷的致密化，提高其性能。
05
陶瓷烧结的质量控制与检测
质量控制方法
原料质量控制
对原料的化学成分、粒度、含水率等指标进行严格检测和控制，
确保原料质量稳定。
工艺参数控制
在烧结过程中，对温度、压力、气氛等工艺参数进行精确控制，以获得最佳的烧结效果。
设备维护与校准
定期对烧结设备进行维护和校准，确保设备运行稳定，提高产品的重复性和可靠性。
性能检测与评价
物理性能检测
检测产品的密度、气孔率、热膨胀系数等物理性能指标，确保产
品性能符合要求。
力学性能检测
通过抗弯强度、抗压强度等力学性能试验，评估产品的机械性能
和可靠性。
耐腐蚀性能检测
对产品的耐酸、耐碱、耐热等性能进行检测，以适应不同环境下
的使用要求。
缺陷分析与改进
缺陷识别
通过外观检查、无损检测等方法，识别产品中的缺陷和问题。
原因分析
对缺陷产生的原因进行深入分析，找出根本原因并制定相应的改进措施。

《陶瓷材料的烧结》课件

资源循环利用
对废弃的陶瓷材料进行回收和再利用，实现资源的循环利用，降低对自然资源的依赖。
THANKS。
致密度、均匀性和性能。
烧结设备的改进
03
随着技术的进步，烧结设备的性能和效率也将得到提升，为陶
瓷材料的制备提供更好的设备支持。
环保和可持续发展在陶瓷烧结领域的应用
环保材料的研发
为了降低陶瓷产业对环境的影响，未来将大力研发环保型的陶瓷材料，如低毒陶瓷、可降解陶瓷等。
节能减排技术的应用
通过采用新型的节能技术，降低陶瓷烧结过程中的能耗和排放，实现低碳、环保的生产。
04
陶瓷材料的烧结性能
烧结密度和孔隙率
烧结密度
烧结后的陶瓷材料密度，影响材料的机械性能和热学性能。
孔隙率
陶瓷材料内部孔隙的多少，与材料的强度、热导率和绝缘性能有关。
烧结陶瓷的力学性能
01
硬度
烧结陶瓷的硬度取决于其成分和显微结构，硬度高的陶瓷耐磨、耐划痕。
02
03
抗弯强度
韧性
陶瓷抵抗弯曲应力的能力，与材料的成分、显微结构和制备工艺有关。
航天器结构材料
陶瓷材料具有轻质、高强度和耐高温的特性，适用于航天器结构材料，如卫星天线骨架、太阳能电池板支架等。
06
未来展望
新型陶瓷材料的开发
高性能陶瓷
随着科技的发展，对陶瓷材料性能的要求越来越高，未来将开发出具有更高强度、硬度、耐磨性、耐高温等高性能的新型陶瓷材料。
多功能陶瓷
除了传统的结构陶瓷外，未来还将开发出具有多种功能如导电、导热、压电、磁性等功能的新型陶瓷材料。
05
陶瓷材料的烧结应用
在电子行业的应用
电子封装

烧结过程及机理

在烧结过程中，时间会影响材料的显微结构。随着时间的延长，材料内部的孔隙逐渐减少，晶粒逐渐长大，这些变化会影响材料的物理和化学性质。
气氛
气氛对烧结过程的影响
气氛是烧结过程中的一个重要因素。气氛中的气体成分可以与材料发生化学反应，从而影响烧结过程和材料的性能。
气氛对材料相变的影响
在烧结过程中，气氛中的气体成分可以与材料发生化学反应，导致材料发生相变。这种相变可以改变材料的物理和化学性质，因此控制气氛可以实现对材料相变和性能的调控。
压力
压力对烧结过程的影响
压力是烧结过程中的另一个重要参数。在适宜的压力范围内，随着压力的增加，烧结速率加快，材料的致密度和强度增加。
压力对材料结构的影响
在烧结过程中，压力可以改变材料的结构。例如，在高温高压条件下，某些材料会发生晶体结构的改变或相变，从而改变材料的性能。
压力对扩散的影响
压力可以影响材料内部原子或分子的扩散速度。在烧结过程中，扩散速度决定了材料的致密化程度和显微结构，因此控制压力可以实现对材料结构和性能的调控。
烧结的重要性
烧结是材料制备过程中的重要环节，通过烧结可以获得高性能的材料，广泛应用于航空航天、汽车、电子、能源等领域。
通过优化烧结工艺参数和添加合金元素等方法，可以进一步改善材料的性能，提高其综合性能和应用价值。
烧结过程可以改变材料的物理和化学性质，如密度、硬度、电导率、热导率等，从而满足不同领域对材料性能的需求。
陶瓷材料的烧结机理主要包括扩散传质和流动传质，扩散传质是材料内部质点通过热运动进行迁移的过程，流动传质则是气体在压力作用下通过材料孔隙的流动过程。
金属材料
金属材料的烧结过程是在一定的温度和压力下，通过原子或分子的扩散和流动，使松散的金属粉末颗粒紧密结合在一起，形成致密的金属块体。金属材料具有高强度、高导电性、高导热性等优点，广泛应用于机械、电子、航空航天等领域。

陶瓷烧结过程【共23张PPT】

氧化锆，（<2000C）
– 钟罩窑、梭式窑室温就高吸收：CaCO3、Fe2O3、Cr2O3、SiC等
以高压气体作为压力介质作用于陶瓷材料（包封的粉体和素坯，或烧结体），使其在高温环境下受到等静压而达到高致密化氧化锆，（<2000C）
• 连续式：氮化硅无熔点、高温分解（1900C）
硅钼棒，MoSi2（<1700C）
• 整体均匀加热低温吸收小，高于某温度急剧增加：Al2O3、MgO、ZrO2、Si3N4等
利用微波与材料的相互作用，其介电损耗导致陶瓷坯体自身发热而烧结
• 无热惯性，烧成周期短埋粉（Si3N4：BN：MgO=5:4:1）抑制氮化硅分解
管式气氛炉：电热丝、硅碳、硅钼为了抑制氮化物分解，在N2气压力1-10MPa高压下烧成。
Al2O3-SiO2）
• 采用α氮化硅为原料，1420C相变为β相，有利烧结，且该β相为柱状晶，力学性能好。
• 埋粉（Si3N4：BN：MgO=5:4:1）抑制氮化硅分解
氮化硅的气压烧结（Gas Pressure Sintering GPS）
• 为了抑制氮化物分解，在N2气压力110MPa高压下烧成。
• 对于氮化硅常压烧成温度要低于1800C，而气压烧结温度可提高到2100-2390C。
热压烧结（Hot Pressing, HP）
• 加热的同时施加机械压力，增加烧结驱动力，促进烧结
– 粘性流动 – 塑性变形 – 晶界滑移 – 颗粒重排
• 一般采用石墨模具，表面涂覆氮化硼，防止反应
热等静压（Hot Isostatic Pressing, HIP）
陶瓷烧结过程
烧结的驱动力
• 粉体表面能与界面能的差 • 传质过程

粉末冶金原理烧结ppt课件

二、烧结的热力学问题
粉末有自动粘结或成团的倾向粉末烧结使系统自由能减少的过程烧结系统自由能降低是烧结过程的原动力。烧结
后系统自由能降低包括下述几个方面： (1)由于颗粒结合面（烧结颈）的增大和颗粒表
面平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由能减小； (2)烧结体内孔隙的总体积和总表面积减小； (3)粉末颗粒内晶格畸变部分消除。
借助于建立物理、几何或化学模型，进行烧结过程的计算机模拟（蒙特-卡洛模拟）
粉末烧结过程模拟
多相粉末烧结
液相烧结
三、烧结技术的发展
● 外力的引入（加压同时烧结）： ➢ HP、HIP、超高压烧结（纳米晶材料）等 ➢ 气压烧结
●快速烧结技术
1 电固结工艺 2 快速热等静压(quick-HIP) 3 微波烧结技术 4 激光烧结 5 等离子体烧结 6 电火花烧结
按烧结过程有无液相出现
固相烧结：
单元系固相烧结：单相（纯金属、化合物、固溶体）粉末的烧结：烧结过程无化学反应、无新相形成、无物质聚集状态的改变。多元系固相烧结：
两种或两种以上组元粉末的烧结过程，包括反应烧结等。
无限固溶系：Cu-Ni、Cu-Au、Ag-Au等有限固溶系：Fe-C、Fe-Ni、Fe-Cu、W-Ni等互不固溶系：Ag-W、Cu-W、Cu-C等
烧结颈长大
3.封闭孔隙球化和缩小阶段当烧结体密度达到90%以后，多数孔隙被完全分隔，闭
孔数量大的增加，孔隙形状趋近球形并不断缩小。在这个阶段，整个烧结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现。这一阶段可以延续很长时间，但是仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。也就是一般不能达到完全致密。
对烧结定义的理解-1：
● 粉末也可以烧结（不一定要成形）松装烧结，制造过滤材料（不锈钢，青铜，黄铜，钛等）

固相反应与烧结课件

学习交流PPT
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2、反应物颗粒尺寸及分布的影响
1 、K 由 2 R D 020 n C K R 1 02
说明颗粒愈小，反应愈剧烈 2、颗粒尺寸可改变反应界面、扩散截面以及颗粒表面结构。 R0愈小，比表面，反应截面，键强分布曲率变平，弱键比例，反应和扩散能力
注意：颗粒尺寸不同反应机理也可能变化。如CaCO3和
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4.2 无机材料的固相烧结
一、固相烧结过程与机理
2、O2通过产物层(MO)扩散到新界面； 3、继续反应，MO层增厚
根据化学动力学一般原理和扩散第一定律，
VR＝KC
VD ＝ Dd d()C xx＝ D(0－ C C)
当平衡时：
V＝VR＝VD ，
KC＝D(C0－C)
C＝1＋CK0
D
由 V ＝ K ＝ C K01 ＋ C K 学习交D 流PP T V 1 ＝ K 10＋ C D 1 0/C
反应体系中物质和能量的输送速率
学习交流PPT3源自3、固相反应的分类纯固相反应
( 1) 按物质状态分有液相参加的反应有气体参加的反应
加成反应置换反应 (2) 按反应性质分热分解反应还原反应
(3) 按反应机理
化学反应速率控制过程晶体长大控制过程扩散控制过程
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4
二、固相反应动力学方程
而实际通常以粉状物料为原料，因而又作下列假设：
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(1) 反应物是半径为R0的等径球粒； (2) 反应物A是扩散相，A成分包围B颗粒表面，且A、B和产物完全接触，反应自表面向中心进行；
(3) A在产物层浓度梯度呈线性，而且扩散截面一定。

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C0nN0 exp (kGTf )
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倘若质点(原子或离子)的直径为δ，并近似地令空位体积
为δ3，则在颈部区域每形成一个空位时，毛细孔引力所做
的功△W=γδ3/ρ。故在颈部表面形成一个空位所需的能量
应为△Gf=-γδ3/ρ，相应的空位浓度为
cexp[Gf
3
]
kT kT
在颈部表面的过剩空位浓度为
F v
S x
（3）
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塑性流动传质：如果表面张力足以使晶体产生位错，这时质点通过整排原子的运动或晶面的滑移来实现物质传递，这种过程称塑性流动。可见塑性流动是位错运动的结果。与粘性流动不同，塑性流动只有当作用力超过固体屈服点时才能产生，其流动服从宾汉 (Bingham)型物体的流动规律即，
F v （3）
S
x
式中，τ是极限剪切力。
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2．扩散传质
扩散传质是指质点(或空位)借助于浓度梯度推动而迁移的传质过程。如图7和图8所示，烧结初期由于粘附作用使粒子间的接触界面逐渐扩大并形成具有负曲率的接触区。在颈部由于曲面特性所引起的毛细孔引力△ρ≈γ/ρ。
对于一个不受应力的晶体，其空位浓度Co 是取决于温度T和形成空位所需的能量△Gf
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(a)
(b)
图10 被水膜包裹的精品两pp固t 体球的粘附
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图11 在扩展的粘附接触面上的变形作用（A处的细线表示粘附力）
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(二) 物质的传递
在烧结过程中物质传递的途径是多样的，相应的机理也各不相同。但如上所述，它们都是以表面张力作为动力的。有流动传质、扩散传质、气相传质、溶解—沉淀传质。
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的迁移。
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图9 凹凸不平的固体表面的附加压强差及物质迁移
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三、烧结机理
(一) 颗粒的粘附作用 (二) 物质的传递
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(一) 颗粒的粘附作用
例子：
把两根新拉制的玻璃纤维相互叠放在一起，然后沿纤维长度方向轻轻地相互拉过，即可发现其运动是粘滞的，两根玻璃纤维会互相粘附一段时间，直到玻璃纤维弯曲时才被拉开，这说明两根玻璃纤维在接触处产生了粘附作用。
温度(°C)
图5 烧结温度对烧结体性质的影响
l一比电导 2一拉力 3一密度
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2
结果与讨论：
1.随烧结温度的升高，比电导和抗拉强度增加。 2.曲线表明，在颗粒空隙被填充之前(即气孔率显著下降以前)，颗粒接触处就已产生某种键合，使得电子可以沿着键合的地方传递，故比电导和抗拉强度增大。
3.温度继续升高，物质开始向空隙传递，密度增大。当密度达到理论密度的90～95％后，其增加速度显著减小，且常规条件下很难达到完全致密。说明坯体中的空隙(气孔)完全排除是很难的。
于平面表面处的蒸气压Po，并可以用开尔文本公式表
达：
P 2M
对于球形表面 ln
（1）
P0 dRTr
对于非球形表面
lnP M (11)（2）
P0 dRTr1 r2
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。
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如果固体在高温下有较高蒸气压，则可以通过气相导致物质从凸表面向凹表面处传递。此外若以固体表面的空位浓度C或固体溶解度L分别代替式2中的蒸气压P，则对于空位浓度和溶解度也都有类似于式 2的关系，并能推动物质的扩散传递。
1．流动传质这是指在表面张力作用下通过变形、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。
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粘性流动传质：
若存在着某种外力场，如表面张力作用时，则质点(或空位)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力大小成比例的，并服从如下粘性流动的关系：
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7
坯体中颗粒重排，接触处
烧结初期
产生键合，空隙变形、缩
烧
小（即大气孔消失），固-
结
气总表面积没有变化。
过
程的
烧结中期
传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但
三
仍然连通，形如隧道。
个
阶
段
烧结后期
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
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度提高。
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(二)烧结过程的模型示意图
根据烧结性质随温度的变化，我们可以把烧结过程用图6的模型来表示，以增强我们对烧结过程的感性认识。
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图6 粉状成型体的烧结过程示意图
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6/1
12/2
a)烧结前
b)烧结后
图7 铁粉烧结的SEM照片
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a)烧结前
b)烧结后
图7 BICUVOX.10烧结的SEM照片
c'c0
c 3
exp
1
c0 c0
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一般烧结温度下，
于是
c 3 1
c0 kT
c
3 kT
c0
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，其推动力也是表面张力。
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由于空位扩散既可以沿颗粒表面或界面进行，也可能通过颗粒内部进行，并在颗粒表面或颗粒间界上消失。为了区别，通常分别称为表面扩散，界面扩散和体积扩散。有时在晶体内部缺陷处也可能出现空位，这时则可以通过质点向缺陷处扩散，而该空位迁移到界面上消失，此称为从缺陷开始的扩散。
8
二、烧结推动力
粉体颗料尺寸很小，比表面积大，具有较高的表面能，即使在加压成型体中，颗料间接面积也很小，总表面积很大而处于较高能量状态。根据最低能量原理，它将自发地向最低能量状态变化，使系统的表面能减少。
烧结是一个自发的不可逆过程，系统表面能降低是推动烧结进行的基本动力。
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9
表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压P分别低于和高
第二节烧结过程及机理
一、烧结过程
(一)烧结温度对烧结体性质的影响
图5是新鲜的电解铜粉(用氢还原的)，经高压成型后，在氢气气氛中于不同温度下烧结2 小时然后测其宏观性质：密度、比电导、抗拉强度，并对温度作图，以考察温度对烧结进程的影响。
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1
比电导(Ω-1 c·m-3)
密度
拉力(kg/cm3) (g/cm2)
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由此可见，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显著。
水膜的例子,见图10 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。