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1、特种陶瓷,第三章 特种陶瓷烧结工艺,1,特种陶瓷烧结工艺,内容,本讲主要内容,2 烧结工艺,1 烧结理论,2,特种陶瓷烧结工艺,烧结：一种或多种固体粉末经过成型，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。,衡量标准,衡量标准,烧结收缩,强度,密度,气孔率,1 烧结理论,1.1 概念,3,特种陶瓷烧结工艺,1 烧结理论,1.1 概念,烧结温度对气孔率（1）、密度（2）、电阻（3）、强度（4）、晶粒尺寸（5）的影响,4,特种陶瓷烧结工艺,烧结与烧成,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。,烧成,烧结,1 烧结
2、理论,1.1 概念,5,特种陶瓷烧结工艺,烧结与固相反应,相同点,两者都是在低于材料熔点或者熔融温度下进行，并且过程中始终至少有一相是固态的。,不同点,固相反应必须至少有两相参加(A+B)，并发生化学反应，最后生成化合物(AB)。且AB的结构和性能不同于A和B。 烧结只有单组元或者多组元参加，但是组分并不发生化学反应。,从结晶化学观点看，烧结体的微观晶相组成都未发生改变。,1 烧结理论,1.1 概念,6,特种陶瓷烧结工艺,烧结和熔点的关系,烧结温度Ts,熔点Tm,金属： Ts = (0.3 0.4) Tm 无机盐： Ts = 0.57 Tm 硅酸盐： Ts = (0.8 0.9) Tm,1 烧
3、结理论,1.1 概念,7,特种陶瓷烧结工艺,1 烧结理论,1.2 烧结理论 1.2.1 烧结现象,8,特种陶瓷烧结工艺,1 烧结理论,1.2 烧结理论 1.2.1 烧结现象,烧结前SEM照片,9,特种陶瓷烧结工艺,1.2 烧结理论 1.2.1 烧结现象,烧结后SEM照片,10,特种陶瓷烧结工艺,颗粒尺寸小比表面积大表面能高 能量最低原则 趋向于使系统的表面能减少,1 烧结理论,1.2.2 烧结动力,11,特种陶瓷烧结工艺,1 烧结理论,1.2.3 物质传递,12,特种陶瓷烧结工艺,1 烧结理论,1.3 烧结影响因素,13,特种陶瓷烧结工艺,1 烧结理论,1.4 烧结阶段,14,特种陶瓷烧结工艺
4、,烧结的三个阶段,烧结初期,烧结中期,烧结后期,颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形缩小，但固-气总表面积没有变化。,传质开始，粒界增大，空隙进一步变形缩小，但保持连同，形如隧道。,传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭合气孔，密堆达到90%以上，强度明显提高。,1 烧结理论,1.4 烧结阶段,15,特种陶瓷烧结工艺,1.4 烧结阶段,16,特种陶瓷烧结工艺,组织结构：一般指陶瓷多晶体内的晶相、玻璃相以及气孔的分布情况（形状、大小、数量），还包括晶粒取向，晶粒均匀度，晶界性质，杂质分布等 。,1 烧结理论,1.5 组织结构,17,特种陶瓷烧结工艺,主晶相的性能就是材料的性能，因此在电子陶瓷的组织
5、结构中，主晶相是最基本、最重要的组成。,1 烧结理论,1.5 组织结构 1.5.1 晶相,18,特种陶瓷烧结工艺,1.5 组织结构 1.5.1 晶相,19,特种陶瓷烧结工艺,1 烧结理论,1.5 组织结构 1.5.2 晶界,20,特种陶瓷烧结工艺,1.5 组织结构 1.5.2 晶界,1 烧结理论,21,特种陶瓷烧结工艺,晶界曲率作为驱动力,晶界面总是向曲率中心方向移动,1 烧结理论,1.5 组织结构 1.5.2 晶界,22,特种陶瓷烧结工艺,晶界是无序的非晶态结构，由于缺陷较多，所以晶界内的扩散要比晶粒内大十几万倍。 晶界上出现的杂质浓度差以及空位浓度差，在高温的影响下通过扩散会很快得到平衡。
6、因而晶界就变成物质迁移和空位迁移的重要通道好比城市交通中街道的作用一样。 可以用扩散的方法把加入物中的离子或气氛中的离子取道晶界而渗进瓷坯中去，以获得新的陶瓷材料或元件，如阻挡层电容器，晶界层电容器等等。,1 烧结理论,1.5 组织结构 1.5.2 晶界,23,特种陶瓷烧结工艺,晶界的存在往往对某些性能的传输或耦合产生阻力，例如对机电耦合不利，对光波、声波的传播产生反射或散射，从而使材料的应用受到限制。如微声技术中用压电陶瓷为基片时，由于严重的晶界散射，使其应用频率限制到几十兆周而不能再高。,1 烧结理论,1.5 组织结构 1.5.2 晶界,烧结时，瓷坯中的气孔常扩散至晶界而消失，如把气孔看成
7、是空位的“源”，则晶界就是空位的“沉没处”。 烧结过程中由于晶体生长和重结晶的作用，而使许多不溶的杂质析出并聚集于晶界，从这个意义上看，晶界又可理解为排纳杂质的垃圾沟。,24,特种陶瓷烧结工艺,气孔的问题是一个重要的问题，它不仅影响材料的机械强度，同时还影响材料的一系列性能，如热学性能、光学性能、介电性能。 对隔热材料，气孔是越多越好，而对透光材料，则希望气孔越少越好，最好没有气孔。 介电性能：气孔影响瓷坯绝缘强度。,1 烧结理论,1.5 组织结构 1.5.3 气孔,25,特种陶瓷烧结工艺,1 烧结理论,1.5 组织结构 1.5.3 气孔,晶间气孔 晶内气孔,26,特种陶瓷烧结工艺,1 烧结理
8、论,1.5 组织结构 1.5.3 气孔,27,特种陶瓷烧结工艺,1 烧结理论,1.5 组织结构 1.5.3 气孔,28,特种陶瓷烧结工艺,2.1 烧成制度的确定,烧成温度过高，容易使瓷坯变形，晶粒粗大，晶界间隙变宽。 烧成温度过低，瓷坯又不够致密，晶粒发育不完整，性能达不到要求。 烧成温度，保温时间以及晶粒大小和机电性能之间是有一定关系的。 根据：相图、差热曲线、烧成收缩曲线、体积密度。,2 烧结工艺,29,特种陶瓷烧结工艺,2.2 烧成过程中出现的一些现象,（1）开裂,开裂的问题对陶瓷来说，是经常碰到的问题。 如果开裂发生在低温的话，可能是水分、有机粘结剂的排除过快，只要低温时升温慢些即可解
9、决。引起开裂的一个主要方面是多晶转变，多晶转变的问题。 在瓷坯中有玻璃相存在时，对阻止原顽辉石的晶粒长大和多晶转变是有利的。 因为玻璃相有抑制品粒生长的作用，小的晶粒对大晶粒来说由于晶界应力的存在总是较难发生多晶转变的。 最后，由于滑石瓷烧成时生成的玻璃相数量多，冷却时降温速度要慢些，不然玻璃相中的残余应力不易消除，也会导致开裂。,2 烧结工艺,30,特种陶瓷烧结工艺,（2）变形,引起变形的因素很多，如瓷坯烧成收缩过大，烧结范围很狭以及液相数量较多等等。,2 烧结工艺,31,特种陶瓷烧结工艺,2.3 烧结方法,1）普通烧结,2 烧结工艺,32,特种陶瓷烧结工艺,2）热压烧结,热压烧结促进致密化
10、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。,2 烧结工艺,33,特种陶瓷烧结工艺,热压的作用 热压压力提高烧结温度降低，对控制易挥发组分和易重结晶有好处； 能够通过控制热压温度和热压时间控制晶粒大小； 提高瓷坯的强度。,2 烧结工艺,34,特种陶瓷烧结工艺,3）高温等静压烧结,2 烧结工艺,35,特种陶瓷烧结工艺,2 烧结工艺,36,特种陶瓷烧结工艺,4）电场烧结,2 烧结工艺,37,特种陶瓷烧结工艺,5）放电等离子体烧结（SPS）,2 烧结工艺,38,特种陶瓷烧结工艺,2 烧结工艺,39,特种陶瓷烧结工艺,2 烧结工艺,40,特种陶瓷烧结工艺,6）微波烧结,2 烧结工艺,41,特种陶瓷烧结工艺,2 烧结工艺,42,特种陶瓷烧结工艺,2 烧结工艺,43,特种陶瓷烧结工艺,2 烧结工艺,44,特种陶瓷烧结工艺,无添加剂 1700oC, 10 min in H2,添加氧化铬 1700oC, 10 min in H2,添加氧化钒 1700oC, 10 min in H2,2 烧结工艺,45,特种陶瓷烧结工艺,