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1、烧结的目的是把粉状材料 转变为块状材料 ，并赋予材料特有的性能 。烧结过程是一个粉状物料在高温作用下排除气孔、体积收缩而逐渐变成坚硬固体的过程。烧结得到的块状材料是一种多晶材料，其 显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成 。烧结直接影响显微结构中晶粒尺寸和分布、气孔大小形状和分布及晶界的体积分数等。从材料动力学角度看，烧结过程的进行，依赖于基本动力学过程 扩散，因为所有传质过程都依赖于质点的迁移。烧结中粉状物料间的种种变化，还会涉及到相变、固相反应等动力学过程，尽管烧结的进行在某些情况下并不依赖于相变和固相反应的进行。由此可见，烧结是材料高温动力学中最复杂的动力学过程。第 10章烧结当配方、原料粒度
2、、成形等工序完成以后，烧结是使材料获得预期的显微结构以使材料性能充分发挥的关键工序。研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化，掌握粉末成形体烧结过程的现象和机理，了解烧结动力学及影响烧结因素，对指导生产、控制产品质量、改进材料性能、研制新型材料有着十分重要的实际意义。目前，对绕结的基本原理和各种传质机理的高温动力力学的研究已经比较成熟，但烧结是一个复杂的物理过程，完全定量的描述复杂多变的烧结还有一定的不足，烧结理论的继续完善有待于科学的发展，研究的深入。烧结主要内容第一节 烧结概述第二节 烧结过程及机理第三节 固态烧结第四节 液态烧结第五节 晶粒长大和二次再结晶第六节 强化烧结第七节 影响烧结的
3、因素第八节 烧结过程的计算机模拟第一节 烧结概述一、烧结的定义二、烧结理论的研究与发展三、烧结分类四、与烧结相关的概念五、烧结模型一、烧结的定义英文中烧结用 “sintering”一词；国际标准组织 (ISO) 定义：加热至粉体主成分的熔点以下温度，通过粉体颗粒间粘结使粉体或其压坯产生强度的热处理过程；理化学词典 (日本 )定义：将粉体加热到熔点以下或生成部分液相的温度时，成为具有烧紧程度固体的现象；材料大词典定义：通过加热使粉体产生颗粒粘结，经过物质的迁移使粉体产生强度并导致致密化的再结晶过程。 根据烧结体宏观和微观的性质的变化进行定义： 宏观定义 ，粉体原料经过成型，加热到低于熔点的温度，
4、发生固结，气孔率下降，收缩加大，致密度提高，晶粒增大，变成坚硬的烧结体，这个现象称为烧结。 微观定义 ，固态分子或原子间存在相互吸引，通过加热使质点获得足够的能量进行迁移，使粉末体产生颗粒黏结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。 烧结过程两个共性的基本特征：一是需要高温加热 ；二是烧结的目的是为了使粉体致密，产生相当的机械强度。 通常用烧结收缩、强度、容重、气孔率等物理指标来衡量物料烧结质量的好坏 。二、烧结理论的研究与发展 1910年，Coolidge 成功地实现了钨的粉末冶金工作，代表了近代烧结技术的开始，此后陆续开展了单元体系( 如Al2O3，MgO ，单元金属等) 的烧结研究
5、。20世纪二三十年代以Sauerward 和 Trzebiatowski等人的研究代表了烧结理论研究的开始，奠定了粉末烧结理论的基础性研究工作。1922 年 Sauerward对粉末多孔体的研究发现烧结开始温度明显高于再结晶温度，并定义了金属粉末有效烧结的起始温度（Sauerward 温度原理）；1931 年Trzebiatowski对金属粉末的烧结进行了较为详细的研究，并提出了烧结的定义。 1938年，Price 等人第一次研究了液相烧结的溶解析出现象，并提出了解释大颗粒长大的理论模型。 这个时期发展起来的烧结理论模型大多建立在对烧结过程中颗粒长大现象的唯象解释上，因此可以称是最初期和原始的
6、烧结理论。烧结理论研究经历的三次大飞跃 第二次世界大战结束后不久出现了烧结理论研究的第一次飞跃。 苏联学者Frenkel 在1945 年发表的两篇具有里程碑意义的论文，揭开了现代烧结理论的新阶段 ：论文 “The Viscous Flow in Crystal Bodies” 第一次建立了基于两个圆球粘结简化模型，考虑了与空位流动相关的晶体物质的黏性流动烧结机制，导出了烧结颈长大速率的动力学方程。第二篇论文“On the Surface Creep of Particles in Crystal and Natural Roughness of the Crystal Faces” 考虑了颗粒
7、表面微粒子的迁移对烧结传质过程的重要作用，强调了物质向颗粒接触区迁移和靠近接触颈的体积变形在烧结过程中同时起重要作用的观点。以上两篇论文第一次将烧结理论的研究深入到了原子水平，代表了烧结理论的第一次突破。这两篇文章标志着对烧结过程进入了认真的理论研究的新时代，是烧结理论的经典之作。 Kuczynski于1949 年发表了“Self-diffusion in Sintering of Metallic Particles” ，基于各种扩散与蒸发- 凝聚机制，在板- 球模型上建立了烧结初期的较为系统的物质传质与迁移理论。 烧结理论的第二个飞跃始于1971 年左右。 以量子力学等为代表的新兴物理学理
8、论以及计算机科学技术在烧结理论的研究中得到广泛应用，烧结理论也进入到了新的阶段。一大批烧结动力学理论出现了，这大大丰富了对致密化过程的描述和对显微组织发展的评估。典型的代表是Samsonov用他的价电子稳定组态模型解释活化烧结现象;Lenel 提出塑性流动物质迁移机制的新概念；Rhines 提出了烧结的拓扑理论，Kuczynski 等人给出烧结的统计理论，Munir 和German 对活化烧结和液相烧结进行了深入研究，Ashby 提出了热压、热等静压等加压烧结条件下的蠕变模型。 一大批金属、陶瓷的复合材料和现代工程材料的开发，需要运用粉末冶金及粉末工艺为手段，这是促进粉末冶金烧结理论发展的主要
9、原因。这些理论建立在新兴物理学和现代烧结技术发展的基础上，反过来又极大地促进了烧结理论在金属、陶瓷及复合材料等先进材料的研究和开发。 烧结理论的第三个飞跃是 计算机模拟技术的运用和发展 。计算机模拟技术的出现给发展预测烧结全过程和烧结材料显微组织及性能提供了有力的工具。计算机模拟技术研究烧结最早可追溯到 1965年， Nichols和Mullins就尝试过用数字计算机模拟技术对烧结颈演化过程 进行了模拟研究。此后， 1974年 Ashby将计算机模拟用于压力-烧结图的预报 。20世纪 80年代后期，计算机模拟烧结过程的相关研究进入了快速发展的阶段，且计算机模拟烧结过程的对象经历了从简单烧结物理
10、模型到接近实际过程的复杂烧结物理模型的变化。如 1990年， Ku等人对反应烧结制备氮化硅陶瓷过程建立了计算机模拟的晶粒模型和尖锐界面模型。模型不仅描述了化学反应和烧结同时进行下的组织发展，而且还预报了包括压制阶段的系统的致密化特征。 计算机模拟技术在烧结理论和技术中的应用是一个前沿研究领域，期望可实现对多因素、多过程和机理制约的复杂烧结过程的认识、预测和性能控制等目的。三、烧结分类 根据烧结过程是否施加压力分为：不施加外部压力的无压烧结(pressureless sintering) 和施加额外的外部压力的加压烧结(applied pressure or pressure-assisted
11、sintering) 两大类。 根据烧结过程中主要传质媒介的物相种类分为：固相烧结(solid state sintering)和液相烧结(liquid phase sintering) 两大类。也有学者将通过蒸发凝聚机理进行传质的烧结称为气相烧结。反应烧结法制备碳化硅(RBSC)和氮化硅(RBSN)，以及物理气相沉积等都是气相烧结的例子。 根据烧结体系的组元多少分为 ：单组元系统烧结、二组元系统烧结和多组元系统烧结。 根据烧结是否采用强化手段分为：常规烧结和强化烧结两大类。强化烧结包括：activated sintering 、 hot pressing sintering、 hot iso
12、static pressing sintering、 reaction sintering 、microwave sintering 、 spark plasma sintering、 selfpropagating hightemperature sintering等。四、与烧结相关的概念1、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。烧结一般仅指粉料在加热条件下，经历一系列较为简单的物理变化、最终达到粉末( 坯体) 致密化的过程，准确地说，它仅是烧成过程的一个重要组成部分。而烧成的含义及包括的范围更广，如普通陶瓷制备过程中从坯体进入隧道窑到
13、制品离开隧道窑的整个过程可称为陶瓷的烧成。2、烧结与熔融熔融过程和烧结过程都是由于原子热振动引起的，即由晶格中原子的振幅在温度升高的影响下增大，使原子间联系减弱而引起。熔融要在熔融温度以上的高温条件下进行，而烧结却是在远低于主要固态物质成分的熔融温度下进行。泰曼发现烧结温度 (TS)和熔融温度 (Tm)之间的关系有一定的规律，如对于不同的金属和盐类体系有如下的关系：金属粉末： TS(03 0 5) Tm盐类： TS0 57 Tm硅酸盐： TS(08 0 9) Tm此外，熔融时系统中全部组元都转变为液相，而烧结时则至少有一种组元处于固态。3、烧结与固相反应两者均在低于材料主成分的熔点或体系的熔融
14、温度下进行，且在过程中自始至终都至少有一相处于固态。不同之处是固相反应必须至少有两个组元参加 (如A 与B)并且两者发生化学反应，生成化合物 AB；最终形成的化合物AB 的结构与性能不同于 A与B 。而烧结可以是仅有单组元、或者两组元及多组元参加，但组元之间不发生化学反应，仅仅在毛细管力、表面能等烧结推动力的驱动下由粉状聚集体变为致密烧结体。从结晶化学角度看，烧结体除了出现较大体积收缩、结晶程度变化 (如结晶度更加完善等 )外，其晶相组成并没有产生变化。另外，原有晶相的微观组织排列发生了变化并导致致密化，当然，在烧结过程中也可能伴随有某些化学反应的发生，如在特种烧结中，添加的第二相烧结助剂可能
15、会参与化学反应过程，但烧结过程与化学反应之间并没有直接关系。整个 烧结过程完全可以没有任何化学反应与 ，而仅仅是一个粉末聚集体的致密化过程。固相反应则不同，原有物相的晶体结构被破坏，形成了新物相的晶体结构和新的显微组织结构。在实际的生产过程中，烧结和固相反应往往同时发生，没有明确的时间和空间的分界线。五、烧结模型烧结分烧结初期、中期和后期。中期和后期由于烧结历程不同烧结模型各样，很难用一种模型描述。一般情况下，坯体均是经粉料压制而成，故颗粒形状和大小不同，其接触状况也不相同。为了研究上的方便，通常采用一系列简化模型。1949年，G.C.Kuczynski 提出了由 两个孤立的颗粒或者颗粒与平板
16、组成的简化烧结体系模型，并进行了烧结机理和理论研究。这种简化是有一定前提的，即原料通过工艺处理可以满足或近似满足模型假设，即 认为粉料是等径球体 ，在成形体（坯体）中 接近紧密堆积 （因为是压制成型），在平面上排列方式是每个球分别和 4个或 6个球相接触，在立体堆积中最多和 12个球相接触。 烧结初期因为是从初始颗粒开始烧结，可以看成是圆形颗粒的点接触 ，烧结时各球形颗粒接触点处逐渐形成颈部并随烧结进行而扩大，最后形成一个整体。坯体的烧结可以看作每个接触点颈部生长共同贡献。因为颗粒很小，每个接触点的环境和几何条件基本相同，这样就可以采用一个接触点的颈部生长来描述整个坯体的烧结动力学关系。烧结初期，通常采用的模型有三种：其中一种是球体- 平板模型；另外两种是双球模型，如图10-1 所示。加热烧结时，质点按各种烧结机理的传质方式向接触处迁移而形成颈部，
