第5章 陶瓷材料的烧结经典3PPT课件

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51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
陶瓷的成型与烧结工艺
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯Байду номын сангаас 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯

• 氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶 体，硬度高而摩擦系数低，有自润滑作 用，是优良的耐磨减摩材料；氮化硅的 耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高 于碳化物和硼化物，1200℃以下具有较 高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀 系数小、抗热冲击，可做优良的高温结 构材料，耐各种无机酸（氢氟酸除外） 和碱溶液浸蚀，是优良的耐腐蚀材料。
• 六方氮化硼为六方晶体结构，也叫“白色石墨”。 。
●硬度低，可进行各种切削加工； ●导热和抗热性能高，耐热性好，有自润滑性能； ●高温下耐腐蚀、绝缘性好。 。
用于高温耐磨材料和电绝缘材料、耐火润滑剂 等。
在高压和1360 ℃时六方氮化硼转化为立方β-BN，硬度接近 金刚石的硬度，用作金刚石的代用品, 制作耐磨切削刀具、 高温模具和磨料等。
of Chapter 5
一、碳化硅陶瓷 ●密度为 3.2×103 kg/m3； ●弯曲强度为 200 MPa～250 MPa，抗压强度1000 MPa～ 1500 MPa ； ●硬度莫氏9.2； ●热导率很高，热膨胀系 数很小，在900 ℃～1300 ℃时慢慢氧化。 主要用于制造加热元件、石墨表面保护层以及砂轮 及磨料等。
●工程陶瓷的生产过程
（1）原料制备 --矿物原料经拣选、粉粹后配 料、混合、磨细得到坯料。 （2）坯料成形 --将坯料加工成一定形状和尺寸并有 一定机械强度和致密度的半成品。包括可塑成形（如 传统陶瓷），注浆成形（如形状复杂、精度要求高的 普通陶瓷）和压制成形（如特种陶瓷和金属陶瓷）。 （3）烧成与烧结 --干燥后的坯料加热到高温，进行 一系列的物理、化学变化而成瓷的过程。烧成是使 坯件瓷化的工艺（1250℃～1450℃）；烧结是指烧 成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过 程。
5.1.2 普通工业陶瓷 一、建筑卫生瓷 用于装饰板、卫生间装置及器具等，通常尺寸较 大，要求强度和热稳定性好。

陶瓷烧结 方法
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
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1、初期：表面扩散显著。
(因为表面扩散温度<<体积扩散温度)
例：Al2O3 T体积＝900℃；T表面＝330℃ 特点：气孔率大，收缩约1％。 原因：表面扩散对空隙的消失和烧结体收缩
无明显影响。 根据从 颈部晶粒内部的空位扩散速度
＝颈部V增长的速度
J.2x.＝dV
dt
J 4 DV C
V x4
DV D * / C 0和 C C 0 /
液相烧结类型
液相烧结类型
类型 I II
条件 LS>900
C=0 LS<900
C>0
液相数量 0.01mol%～ 0.5mol%
少 多
烧结模型 双球
Kingery LSW
传质方式 扩散
溶解-沉淀
二、流动传质 1、粘性流动(粘性蠕变传质)
(1) 定义：
dv/dx
.dv /dx
牛 顿 型
宾 汉 型
K=1/3，溶解-沉淀
K=1,颗粒重排
烧结前MgO粒度: A：3m B：1 m C：0.52 m
-2.0
0.5 1.0
1.5
Logt(min)
*四、各种传质机理分析比较 参见P297 表9－4
§10－4 晶粒生长与二次再结晶
定义： 晶粒生长－－材料热处理时，平均晶粒连续增大的过程。 推动力：基质塑性变形所增加的能量提供了 使晶界移动和晶粒长大的足够能量。 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。
B 第三阶段：
Kingery模型：颗粒在接触点溶解到自由
根据液相数量多少
表面沉积。
L S W 模型：小晶粒溶解到大晶粒处沉淀。

800 600 400 200
0
CONVENTIONAL HEATING MICROWAVE HEATING
100
200
300
400
500
600
TIME, MIN.
•特种陶瓷烧结工艺
•42
2 烧结工艺
•特种陶瓷烧结工艺
•43
2 烧结工艺
无添加剂 1700oC, 10 min in H2
添加氧化铬 1700oC, 10 min in H2
5）放电等离子体烧结（SPS）
2 烧结工艺
•特种陶瓷烧结工艺
•37
2 烧结工艺
•特种陶瓷烧结工艺
•38
2 烧结工艺
•特种陶瓷烧结工艺
•39
6）微波烧结
2 烧结工艺
•特种陶瓷烧结工艺
•40
2 烧结工艺
•特种陶瓷烧结工艺
•41
2 烧结工艺
TEMPERATURE, °C
1400 1200 1000
1 烧结理论
•特种陶瓷烧结工艺
•11
1.3 烧结影响因素
1 烧结理论
•特种陶瓷烧结工艺
•12
1.4 烧结阶段
1 烧结理论
•特种陶瓷烧结工艺
•13
1.4 烧结阶段
1 烧结理论
颗粒重排，接触处产生键合，
烧结初期
空隙变形缩小，但固-气总表面
积没有变化。
烧
结
的
传质开始，粒界增大，空隙进
三
烧结中期
一步变形缩小，但保持连同，
•特种陶瓷烧结工艺
•31
2）热压烧结
2 烧结工艺
•热压烧结促进致密化的机 理大概有以下几种： (1) 由于高温下的塑性流动， (2)由于压力使颗粒重排， 使颗粒碎裂以及晶界滑移 而形成空位浓度梯度，(3) 由于空位浓度梯度的存在 而加速了空位的扩散。

5.3.1 双球模型（two-particle model）
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。对于图中的模型示意图，体积压力差Δ P为：
P
空位浓度差为：
Pa
Cv
Pr
Cv
Vsm,
2
a
s
RTr

1
r

1
x


ax r
s r
蒸汽压差为：
p

p
Vm s RTr
其中，γ s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。
573℃
β－石英
△V ±0.82％
• 二次烧成的优点
2. 烧成制度
• 烧成温度曲线 内容：最高烧成温度、升温速度、保温时间、冷却速度 制订因素 （1）烧成时的一系列物理化学变化及其反应速率 （2） 坯体的厚度、大小以及传热性质 （3）窑炉的型式、容量以及装窑密度
• 窑内气氛 气氛种类
O2
21％ 8～10％ 4～5％ 1～1.5％ < 1％ CO 2～7％
t2 (r2 / r1)nt1
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。
（2）粉体结块和团聚对烧结的影响

（5）用途不同。先进陶瓷因为优异的力、光、电、磁性能等， 被广泛应用于石油、化工、电子、航空航天、核动力、军 事、纺织、生物和汽车等诸多工业领域，传统陶瓷一般仅 限于日用和建筑使用。
6.2 先进陶瓷材料的分类
根据性能和应用不同，先进陶瓷材料可以分为结构陶 瓷、功能陶瓷和陶瓷涂层材料等。 结构陶瓷：在工程结构上使用的陶瓷称为结构陶瓷， 具有高温下强度和硬度高、蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐 磨损、耐烧蚀等优越性能。 功能陶瓷：利用陶瓷具有的物理性能（电、磁、光、 压电、热释电等）制造的陶瓷材料称为功能陶瓷，也称为 电子陶瓷，它具有的物理性能差异很大。 陶瓷涂层材料：在生产中，几乎所有部件都可以用涂 层的办法来满足其对耐高温、耐化学腐蚀的要求，即加工 成陶瓷涂层材料。
在远古的石器时代，人类的祖先用天然的石头做成刀、 斧、针和武器。
在人类学会用火之后，人们用粘土加上水，合成泥， 捏成各种器皿的形状，然后在火中焙烧，得到了十分坚硬 的陶器。据考古学家分析，距今大约1万年前，就有陶器出 现。这是人类最早、最伟大的文明创造。恩格斯把陶器的 出现称为新石器时代开始的标志。
先进陶瓷与传统陶瓷的差别
（3）制备工艺不同。先进陶瓷必须加入添加剂才能进行干法 或湿法成型，烧结温度较高（1200 ℃ -2200℃），且需加 工后处理；而普通陶瓷烧结温度较低（900℃-1400℃）。 （4）品种不同。先进陶瓷除烧结体外，还有单晶、薄膜、纤 维、复合物；而传统陶瓷主要是天然硅酸盐矿物原体的烧 结体。
电瓷：主要由粘土、长石、石英（或铝氧原料）等 硅酸盐原料混合配制，经加工成形，在较高温度下 烧制而获得的无机绝缘材料。 序 分类 材料类别 主要适用范围
1
压制硅质瓷 低压绝缘子
硅质 低压绝缘子、一般高压绝缘子或 2 硅质瓷 瓷套 电瓷 3 高强硅质瓷 高压绝缘子或瓷套