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特种陶瓷的烧结工艺
第三章 特种陶瓷的烧结工艺 陶瓷材料经过前面的配料、混合和成型以后,接下来 的工艺就是烧结。 烧结是对成型后的坯体烧结是对成型后的坯体,在适当的温度和气氛中受热所发在适当的温度和气氛中受热所发 生的现象或过程。 烧结的目的是把陶瓷粉体转变为致密的烧结体。 烧结的结果是粉末颗粒之间发烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘接粘接,烧结体的强度增加烧结体的强度增加, 致密度增加。 这种烧结致密体是这种烧结致密体是一种多晶材料种多晶材料,其显微结构由晶体其显微结构由晶体、 玻璃体、气孔及杂质组成。烧结过程直接影响显微结构中 晶粒晶粒尺寸寸和分布分布、气孔气孔尺寸寸和分布分布以及晶晶界体积分数体积分数……。 陶瓷的性能不仅与材料组成(化学组成和矿物组成)有 关关,还与材料的显微结构有密切关系还与材料的显微结构有密切关系。如果有配方相同而如果有配方相同而 晶粒尺寸不同的两个烧结体,由于晶粒在长度或宽度方向 上某些参数的叠加,晶界出现的频率不同就会引起材料性 能的差异能的差异。。譬如譬如,,材料的断裂强度材料的断裂强度((σ))与晶粒尺寸与晶粒尺寸 ((GG))有有 以下函数关系: -1/2 σ=f(G ) 由上式可见细小晶粒有利于强度的提高由上式可见细小晶粒有利于强度的提高。而材料的电学而材料的电学 和磁学参数在很宽的范围内也受晶粒尺寸的影响。 除晶粒尺寸外,显微结构中气孔常成为应力集中点而影响材 料的强度料的强度,气孔又是光散射中心而使材料不透明气孔又是光散射中心而使材料不透明,对于透明对于透明 陶瓷而言,当气孔率从3%下降到0%,透明度从0.0x%跃升 到100%,强度及耐电压均有猛升。所以对透明陶瓷来说, 应该尽量避免出现气孔应该尽量避免出现气孔。 对铁电材料来说,气孔阻碍畴壁运动,影响铁电性和铁磁 性等,所以在烧结过程中应该通过控制晶粒的异常生长或通 过控制表面扩散过控制表面扩散、晶界扩散和晶格扩散而填充气孔晶界扩散和晶格扩散而填充气孔,因此可因此可 以用改变显微结构的方法使材料性能改善。 氧化铝陶瓷的气孔率与抗弯强度的关系 但对有些功能陶瓷的应用但对有些功能陶瓷的应用,气孔不是有害气孔不是有害而是非常是非常必需的需的。 譬如,湿敏陶瓷是新兴的功能陶瓷材料之一,其表面形态和 气孔率在感湿过程中起着重要作用,如何控制湿敏陶瓷的气 孔率孔率,是提高感湿元件性能的重要因素是提高感湿元件性能的重要因素。 目前制造具有一定尺寸大小及数量气孔的多孔陶瓷,已成为一 门学科,这对发展过滤、净水、净气、湿敏、气敏等功能应 用十分关键用十分关键。 第一节 烧结理论 一、、烧结定义烧结定义 粉料成型后形成具有一定外形的坯体,坯体内一般包含百 分之几十气体(约35%~60%),而颗粒之间只有点接触(图a), 在高温下发生的主要变化是:颗粒间接触面积扩大;颗粒聚集; 颗粒中心距逼近(如图b);逐渐形成晶界;气孔形状变化,体 积缩小积缩小:从连通的气孔变成各自孤立的气孔并逐渐缩小从连通的气孔变成各自孤立的气孔并逐渐缩小,以致以致 最后大部分甚至全部气孔从晶体中排除(图c) ,这就是烧结所 包含的主要物理过程包含的主要物理过程。。 第一节 烧结理论 从烧结过程定义:一种或多种固体粉末(金属、氧化物、 氮化物、粘土……) 经过成型,在加热到一定温度后开始 收缩,在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体,这种 过程称为烧结过程称为烧结。 必须强调粉末颗粒表面的粘结和粉末内部物质的传递和迁 移。 从烧结本质定义:由于固态中分子(或原子)的相互吸引, 通过加热过加热,使粉体产生使粉体产生颗粒粘结粒粘结,经过物质过物质迁移使粉体产移使粉体产 生强度并导致密化和再结晶的过程称为烧结。 二二、与烧结有关的一些概念与烧结有关的一些概念 烧结与烧成烧结与烧成::烧结仅仅指粉料经加热而致密化的简单物理过程烧结仅仅指粉料经加热而致密化的简单物理过程,, 烧成包括多种物理和化学变化,例如脱水、坯体内气体分解、多 相反应和熔融、溶解、烧结等。显然烧成的含义及包括的范围更 宽宽,,一般都发生在多相系统内般都发生在多相系统内。而烧结仅仅是烧成过程的而烧结仅仅是烧成过程的一个重个重 要部分。 烧结和熔融:烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的。泰 曼发现烧结温度曼发现烧结温度((TT ))和熔融温度
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