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1、第九章答案9-1 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的温度下的热处理，目的在于通过 颗粒间的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 应的温度，称为 烧结温度 。（3）泰曼温度：固体晶格开始明显流动的温度，一般在固体熔点（绝对温度）的 2/3 处的温度。在煅烧时，固体粒子在塔曼温度之前主要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）和再结晶。而在塔曼温度以上，
2、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的组分从而有液相出现的烧结。（5）固相烧结：在固态状态下进行的烧结。（6）初次再结晶：初次再结晶是在已发生塑性变形的基质中出现新生的无应变 晶粒的成核（ 7）晶粒长大：是指多晶体材料在高温保温过程中系统平均晶粒尺 寸逐步上升的现象 .（8）二次再结晶：再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的 现象。9-2 烧结推动力是什么？它可凭哪些方式推动物质的迁移， 各适用于何种烧结机 理?解：推动力有：（1）粉状物料的表面能与多晶烧结体的晶界能的差值，烧结推动 力与相变和化学反应的能量相比很小，因而不能自发进行，必须加
3、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的毛细管力。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）黏滞流动和塑性流动等， 一般烧结过程中各不同阶段有不同的 传质机理，即烧结过程中往往有几种传质机理在起作用。9-3 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的收缩 ? 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（凝聚速率二颈部体积增加）烧结时颈部扩大，气孔形状改 变，但双球
4、之间中心距不变，因此坯体不发生收缩，密度不变。9-4 什么是烧结过程？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的温度下的热处理， 目的在于通 过颗粒间的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的阶段。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：接触点处高的局部应力® 塑性变形和蠕变 ®颗粒进一步重排；（ 3）固相的的烧结：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。9-5 烧结的模型有哪几种？各适用于哪
5、些典型传质过程？解： 粉体压块：蒸发凝聚双球模型：有液相参与的粘性蠕变 扩散Kingery 和 LSW ：溶解 -沉淀9-6某氧化物粉末的表面能是1000erg/cm，烧结后晶界能是550erg/cm2，若用粒 径为1卩m的粉料（假定为方体）压成 1cm3的压块进行烧结，试计算烧结时的 推动力。解：2x （1000/1x 10t4-550/1x10-2） =1.99x107 erg/cm39-7有粉粒粒度为5卩m，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二0.2。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,各个传质过程的颈部
6、增长x/r又是多少？ 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0.1X 41/3，0.1X4 1/5，0.2，0.1 X 41/609-8如上题粉料粒度改为16卩m,烧结至x/r = 0.2，各个传质需多少时间？若烧 结时间为8h，各个过程的x/r又是多少？从两题计算结果，讨论粒度与烧结时间 对四种传质过程的影响程度？ 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
7、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。9-9 试就（ 1）推动力来源；（2）推动力大小；（3）在陶瓷系统的重要性来区别 初次再结晶、晶粒长大和二次再结晶。 解：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。晶粒生长取决于晶界移动的速率。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、小晶粒表面能的不同。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
8、9-10 有人试图用延长烧结时间来提高产品致密度，你以为此法是否可行，为什么？解：不可行。蒸发-凝聚机理（凝聚速率二颈部体积增加）此类传质不能靠延长时间达到烧结。高温短时间烧结是制造致密陶瓷材料的好方法。9-11假如直径为5卩m的气孔封闭在表而张力为280dayn/cm2的玻璃内，气孔内 氮气压力是0.8atm,当气体压力与表面张力产生的负压平衡时，气孔尺寸是多少？解：2x280x0.001/r=0.8x101325r = 6.9 ym9-12在制造透明AI2O3材料时，原始粉料粒度为2卩m,烧结至最高温度保温0.5h, 测得晶粒尺寸10卩m,试问若保温时间为2h，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长
9、 加入0.1%MgO,此时若保温时间为2h,晶粒又有尺寸多大？解：由 D2-D02=K tK =192在此条件下保温，设直径为D，则有D=19.7卩m即求加入少量的MgO时：由 D3-D03=K tD=7.3 y m9-13在1500EAl2O3正常晶粒生长期间，观察到晶体在 1h内从0.5y m直径长 大到10y m。如已知晶界扩散活化能为335kJ/mol,试预测在1700E下保温时间 为4h后，晶粒尺寸是多少？你估计加入 0.5% MgO杂质对Al 2O3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 D2-D02=K t K =99.7511由 K =
10、K0exp(-Q/RT)K0=7.4X 10在 1700E 时，K =K0exp(-Q/RT)- K =999.7由 D2-D02=K t, 有 D=63.2y m加入0.5%MgO时，会抑制Al2O3晶粒生长，抑制现象会更加明显。原因是由于晶界移动时遇到的杂质(MgO)更多，限制了晶粒的生长。9-14材料的许多性能如强度、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的？解：(1)晶粒的大小取决于起始晶粒的大小，烧结温度和烧结时间。(2) 防止二次再结晶引起的晶粒异常长大。9-15晶界移动通遇到夹杂物时会出现哪几种情况？从实现致密化目的考虑，晶界应如何移动？怎样控
11、制？解：晶粒正常长大时，如果晶界受到第二相杂质的阻碍，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) 晶界具有一定的能量，晶界带动杂质或气孔继续移动，这时气孔利用晶界 的快速通道排除，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的快速通道排除，使烧结停止，致密度不再增加， 这将出现二次再结晶现象。从实现致密化目的考虑， 晶界应按第二种情况移动， 控制晶界的能量以增加 致密度。9-16 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
12、粒生长能促进坯体的致密化。在烧结中、后期，细小晶粒逐渐 长大，而晶粒的长大过程是另一部分晶粒的缩小或消失过程， 其结果是平均晶粒 尺寸增大。 晶粒长大不是晶粒的相互粘接， 而是晶界移动的结果。 推动晶粒长大 的是晶界的自由能，随着晶粒的长大，使界面面积减小，从而促进坯体致密化。9-17 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； 加之大晶粒的晶界上有应 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 ,使烧结体的机械 电学性能下降。9-18
13、特种烧结和常规烧结有什么区别？试举例说明。 解：常规烧结过程主要是基于颗粒间的接触与键合,以及在表面张力推动下物质的传递过程。 其总体的推动力由系统表面能提供。 这就决定了其致密化是有一定 限度的。常规条件下坯体密度很难达到理论密度值。对于特种烧结,它是为了适应特种材料对性能的要求而产生的。 这些烧结过程除了常规烧结中由系统表面能 提供的驱动力之外 ,还由特殊工艺条件增加了系统烧结的驱动力 ,因此提高了坯体 的烧结速率 ,大大增加了坯体的致密化程度。例如热压烧结 ,它是加压成型与加压 烧结同时进行的一种烧结工艺。由于同时加温加压,有利于粉末颗粒的接触、扩散和流动等传质过程 ,降低了烧结温度和烧
14、结时间 ,抑制了晶粒的长大。其容易获 得接近理论密度、气孔率接近零的烧结体。9-19 （1）烧结MgO时加入少量FeO,在氢气氛和氧分压低时都不能促进烧结， 只有在氧分压高的气氛下才促进烧结；（2）烧结AI2O3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：2FeFe+1/2O2（g）=2FeFe +Oo+VFe 或 1/2Oo=Oo+ VFe +2h 另外 ,在 MgO 的烧结中是正离子起扩散起控制作用的烧结过程 , 因而氧气氛 和氧分压较高是有利的。（2）烧结氧化铝AI2O3时，由于氢原子半径很小，扩散系数较大，
15、易于扩散而有利于 闭气孔的清除；而原子半径大的氮则由于其扩散系数较小难于扩散而阻碍烧结。9-20磁性氧化物材料被认为是遵循正常晶粒长大方程。当颗粒尺寸增大超出1卩 m 的平均尺寸时，则磁性和强度等性质就变坏，未烧结前的原始颗粒大小为 0.1 卩m。烧结30min使晶粒尺寸长大为原来的3倍。因大坯件翘曲，生产车间主任 打算增加烧结时间。你想推荐的最长时间是多少 ?解：由 Do=O.1 卩 m 和 t=30min, D=3Do=O.3卩 m 可得：D2-Do2= K tK=0.08/30 卩 m2/minD=1 卩 m, 12-0.12=kt=0.08/30t t=371.25mi n9-21 分
16、析添加物是如何影响烧结的。解：（1） 外加剂与烧结主体形成固溶体两者离子产生的晶格畸变程度越大，越有利于烧结。例：AI2O3中加入3%Cr2O3可在1860 E烧结； 当加入12% TiO2只需在约1600 E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， 降低了烧结温度和提高了坯体 的致密度。例：希9 95%Al2O3材料，加入CaO、SQ2,当CaO:SiO2=1时，产生 液相在1540 C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AI2O3时，加 入 MgO 或 MgF2，形成 MgAI 2O4（4）外加剂阻止多晶转变
17、例：ZrO2中加入5% CaO。（5）外加剂（适量）起扩大烧结范围的作用例：在锆钛酸铅材料中加入适量La2O3和Nb2O5，可使烧结范围由2040C 增加到80C。9-22 影响烧结的因素有哪些？最易控制的因素是哪几个？解：（ 1） 粉末的粒度。细颗粒增加了烧结推动力，缩短原子扩散距离，提高颗 粒在液相中的溶解度，从而导致烧结过程的加速。（ 2） 外加剂的作用。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，外加剂改变液相的性质（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
18、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 孔的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）盐类的选择及其煅烧时条件的影响：盐类的选择：用能够生成粒度小、晶格常数较大、微晶较小、结构松弛的 MgO的原料盐来获得活性 MgO，其烧结活 性良好。煅烧时条件：煅烧温度愈高，烧结活性愈低的原因是由于 MgO 的结晶 良好，活化能增高所造成的。（5）气氛的影响：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，还有生坯内粉料的堆积程度、加速热度、保温时间、粉料 的粒度分布等。最新文件 仅供参考 已改成 word 文本 。 方便更改 如有侵权请联系网站删除