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陶瓷燒結(jié)過程與機(jī)理

陶瓷燒結(jié)過程與機(jī)理

 

陶瓷燒結(jié)過程與機(jī)理

1.燒結(jié)的定義

在高溫下,陶瓷生坯中固體顆粒相互鍵聯(lián),晶粒長大 ,氣孔和晶界漸趨減少,通過物質(zhì)的傳遞,其總體積收縮,密度增加,最后變成具有某種顯微結(jié)構(gòu)的致密多晶燒結(jié)體,這種現(xiàn)象稱為燒結(jié)。

2.燒結(jié)的過程

燒結(jié)過程伴隨體積變化、質(zhì)量變化、固相熔融、機(jī)械強(qiáng)度增加等物理變化,以及氧化、分解、舊晶相消失和新晶相形成、晶型轉(zhuǎn)變等化學(xué)變化。

在燒結(jié)初期,粉體顆粒間頸部形成并快速生長,素坯幾乎不收縮;燒結(jié)中期,顆粒間頸部進(jìn)一步長大,形成近圓柱形的開口氣孔,素坯快速收縮,密度能達(dá)理論密度90-95%;燒結(jié)后期,近似球狀的封閉氣孔逐漸形成,素坯進(jìn)一步收縮,可達(dá)理論密度的95%以上。

陶瓷燒結(jié)過程與機(jī)理

3.固相燒結(jié)傳質(zhì)

固相燒結(jié)是一種沒有液相參與的固態(tài)物質(zhì)間的燒結(jié)過程,這個(gè)過程涉及多種機(jī)理,但在大多數(shù)陶瓷材料,如氧化鋁固相燒結(jié)中,傳質(zhì)主要通過擴(kuò)散來進(jìn)行。

擴(kuò)散

擴(kuò)散產(chǎn)生的原因在于顆粒不同部位空位濃度差的存在,根據(jù)熱力學(xué)定律的推導(dǎo)可知,在一定溫度下,空位濃度差與表面張力成正比。因此,由擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行的燒結(jié)過程,其推動(dòng)力也是表面張力。

陶瓷燒結(jié)過程與機(jī)理

擴(kuò)散主要分為表面擴(kuò)散、體積擴(kuò)散及晶界擴(kuò)散。表面擴(kuò)散活化能低,多發(fā)生在燒結(jié)初期,幾乎沒有體積收縮;體積擴(kuò)散及晶界擴(kuò)散則主要發(fā)生在燒結(jié)中后期,晶界擴(kuò)散快(跟晶粒大小有關(guān)),氣孔易消失,致密度能到90%以上。

影響擴(kuò)散傳質(zhì)的因素包括材料組成、粒度、晶格缺陷等材料本身影響因素以及溫度、壓力、氣氛等外界因素。

4.液相燒結(jié)傳質(zhì)

凡有液相參與的燒結(jié)過程稱為液相燒結(jié),根據(jù)液相的性質(zhì)和數(shù)量可以分為粘性流動(dòng)傳質(zhì)、塑性流動(dòng)傳質(zhì)和溶解-析出傳質(zhì)。

粘性流動(dòng)傳質(zhì)

高溫下,粘性液體(熔融體)流動(dòng)而產(chǎn)生的傳質(zhì)稱為粘性流動(dòng)傳質(zhì),粘性流動(dòng)傳質(zhì)是大多數(shù)硅酸鹽材料燒結(jié)的主要傳質(zhì)過程。與擴(kuò)散傳質(zhì)僅是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的遷移不同,粘性流動(dòng)是在應(yīng)力作用下,整排原子沿著應(yīng)力方向移動(dòng),因此傳質(zhì)速率更快,可使坯體在比固態(tài)燒結(jié)溫度低得多的情況下獲得致密的燒結(jié)體。

塑性流動(dòng)傳質(zhì)

當(dāng)坯體中液相含量很少時(shí),流體受到外力作用并不立即開始流動(dòng),只有在外加力大到某一程度時(shí)才開始流動(dòng),此類流體屬于非牛頓型的塑性流體。由以下熱力學(xué)推導(dǎo)可知,塑性流動(dòng)傳質(zhì)中,只有作用力超過屈服值f時(shí),流動(dòng)速率才與作用的剪切力成正比,當(dāng)屈服值f較大時(shí),燒結(jié)更難進(jìn)行,而f=0則為粘性流動(dòng)。

陶瓷燒結(jié)過程與機(jī)理

溶解-析出

當(dāng)液相含量較高時(shí),固相分散于液相,并通過液相的毛細(xì)管作用在頸部重新排列,成為更致密的堆積物,溶解度高的細(xì)小顆粒以及一般顆粒的表面凸起部分溶解進(jìn)入液相,并通過液相遷移到粗顆粒表面而沉淀下來,推動(dòng)力為液相對細(xì)小顆粒的毛細(xì)管力。

陶瓷燒結(jié)過程與機(jī)理

5.固相/液相燒結(jié)對比

相同點(diǎn)

燒結(jié)推動(dòng)力都是表面能的減小,燒結(jié)過程都包括顆粒接觸、聚集、重排、氣孔填充和排出、晶粒生長等階段。

不同點(diǎn)

液相燒結(jié)傳質(zhì)速率高,致密化速率快,可在更低溫度下使坯體燒結(jié)成致密體;液相燒結(jié)機(jī)理更為復(fù)雜,其燒結(jié)速率與液相種類和數(shù)量、粘度、表面張力、液相對固相的浸潤程度以及固相在液相中的溶解度等諸多因素有關(guān)。

6.陶瓷助燒機(jī)理

產(chǎn)生液相

液相能夠大大促進(jìn)傳質(zhì)和顆粒重排,能在較低溫度下實(shí)現(xiàn)致密化;可以是加入本身熔點(diǎn)較低的燒結(jié)助劑如V2O5、CuO等,也可以加入與燒結(jié)物形成多元低共熔物的燒結(jié)助劑,如95瓷中加入少量CaO和SiO2,形成CaO-Al2O3-SiO2玻璃相。

與燒結(jié)物形成固溶物

當(dāng)燒結(jié)助劑與燒結(jié)物形成固溶體時(shí),晶格畸變得到活化,使擴(kuò)散和燒結(jié)速率加快,可以降低燒結(jié)溫度。對于缺位型固溶體如用Al3+置換尖晶石中的Mg2+形成的固溶體,以及填隙型固溶體如Li2OTiO2形成的固溶體尤為強(qiáng)烈,這些固溶體往往會形成空位等缺陷,從而加快擴(kuò)散速率和燒結(jié)速率。

抑制晶粒長大

由于二次再結(jié)晶或晶粒長大過快會導(dǎo)致晶界變寬,進(jìn)而出現(xiàn)反致密化現(xiàn)象,因此可以通過加入抑制晶粒異常長大的燒結(jié)助劑來促進(jìn)致密化過程,如Al2O3中加入少量MgO所形成的鎂鋁尖晶石可以阻礙晶界移動(dòng),抑制晶粒的生長。

抑制晶型轉(zhuǎn)變

部分陶瓷材料在燒結(jié)時(shí)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變并伴隨較大體積效應(yīng),導(dǎo)致致密化困難,甚至造成坯體開裂,如ZrO2在1200℃時(shí)會發(fā)生單斜ZrO2到四方ZrO2的轉(zhuǎn)變,并伴有約10%的體積收縮,使制品穩(wěn)定性變差,適量氧化釔的摻雜可以抑制這種相變,從而提高材料的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能。

備注:

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原文始發(fā)于微信公眾號(矽瓷科技):陶瓷燒結(jié)過程與機(jī)理

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作者 gan, lanjie

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