陶瓷工艺学复习提纲.doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上陶瓷工艺学复习提纲一、基本内容： 每一章各有重点，表现在基本概念、工艺原理上。 二、复习要点 0 章 基本概念 陶瓷:狭义陶瓷的定义(通过“制粉成型烧结”工艺路线制备的无机非金属材料) 根据气孔率（材料中的气孔体积分数）的大小，狭义陶瓷可以分为陶与瓷。广义的陶瓷(无机非金属材料) ,通常按照制造制品的主要工艺，广义的陶瓷分为三块：玻璃、水泥、陶瓷（狭义的陶瓷）；陶瓷工艺:制粉成型烧结粉末冶金:通过“制粉成型烧结”路线制备金属材料的技术；水泥: 无机水硬性胶凝材料，即与适量的水拌和后形成塑性浆体，既能在水中硬化也能在空气中硬化，并能把砂、石或纤维等材料牢固地胶结在一起的

2、无机粉状物的总称。； 固化原理：水泥中的各种矿物首先溶解于水，与水反应生成的水化产物；水化产物由于浓度超过了其溶解度，沉淀结晶出来；反应物继续溶解，水化产物不断沉淀。如此溶解-沉淀不断进行，伴随结晶沉淀物的相互交联而凝结硬化玻璃: 具有玻璃转变点的无机非晶材料；先进陶瓷: 采用高度精选或合成的原料生产的、具有能精确控制化学成分的、采用便于控制的制造技术加工的、便于进行结构设计的、并且具有优异特性的陶瓷。先进陶瓷按特性和用途分为两大类：结构陶瓷指能作为工程结构材料使用的陶瓷。它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震等特性。功能陶瓷指具有电、磁、光、声、超导、化学、

3、生物等特性，且具有相互转化功能的陶瓷。普通陶瓷: 传统陶瓷主要采用一些天然的矿物原料制造，陶瓷的化学成分比较杂，但大体上属于硅酸盐系列；陶: 指烧结程度不太高的陶瓷制品，其中通常含有15%左右的气孔率，且多为开孔。陶有一定的吸水性,陶又分为粗陶器与精陶器炻：密度较陶器高的陶，接近瓷，但仍有3%以下的吸水率。如日用炻器、卫生陶瓷、化工陶瓷、低压电瓷、地砖、锦砖、青瓷等。瓷：指烧结程度比较高的陶瓷制品，其中的气孔率在5%以下，孔隙多为闭孔，基本不吸水。 1 章 1.1基本概念 粉：细小固体颗粒的集合，其中细小颗粒的含义通常是指直径小于100微米的颗粒，粉体可以直接作为材料使用，还可以通过“成型、烧

4、结”的工艺路线制成块状材料使用。粉体是陶瓷的基础。颗粒：粉体的组成单位单颗粒，构成粉体的最小颗粒（或称基本颗粒或一次颗粒）。团聚颗粒，由若干单颗粒搭接而成的较大颗粒（也称二次颗粒）。团聚颗粒可以分解为单颗粒。团聚：热力学原因-颗粒表面上原子能量较高，因而具有较高的表面能；一旦形成团聚颗粒后，系统总表面能下降。动力学原因-颗粒间存在某种结合力：如带相反电荷颗粒间有静电力、有磁性颗粒间的磁力、不同颗粒的分子间力（即范德华力）、机械咬合力，如果颗粒间有润湿液体而出现毛细管力等；软、硬团聚：颗粒间的结合力如果很强，团聚颗粒不易分拆，这种团聚称之为硬团聚；如果结合力很弱，这种团聚称之为软团聚；基本制粉思

5、路：一是由大颗粒破碎成小颗粒，称之为破碎法；二是由更小的颗粒聚成大颗粒，称之为合成法。破碎法制粉流程：一个块状固体破碎成粉体的基本工艺路线为：极限尺寸：球磨早期，颗粒尺寸较大，破碎的趋势占主导，平均粒径不断变小；随着颗粒尺寸不断变小，颗粒的强度越来越大，越不容易破碎，使破碎的趋势减弱；与此同时，由于表面能不断增加，颗粒长大的趋势增强，使平均粒径变小的速率不断减慢；此消彼长，最后破碎的趋势与长大的趋势一样强，颗粒平均粒径处于动态平衡，不再随时间而变，形成所谓极限尺寸合成法制粉：由更小的颗粒聚成大颗粒的制粉方法。颗粒的前躯体不同，合成制粉法可分成以下三类：1. 固相合成法：将现有颗粒，通过固相反应

6、（固溶、相变、化学反应）合成新成分或新结构的颗粒。通常在高温下进行。2. 液相法制粉：将制粉原料变成液体，再从液体中析出固体颗粒。制备粉体的前躯体是均一的溶液。颗粒由离子聚合而成，原则上可以得到极细的颗粒3. 气相法：在气体中生长颗粒。具体工艺大致为：原料 气体 粉体以加热方法使原料变成气体，当物质在气体中的含量过饱和了，就以形核、长大方式形成固相颗粒。其间若无化学反应，称作物理气相沉积法(PVD)；若有化学反应,则称为化学气相沉积（CVD)。沉淀法：工艺路线大致为：原料溶液沉淀分离出沉淀物煅烧粉体 其中关键是沉淀，某些种类的离子，过饱和以后，以适当的物质为目标，采取形核、长大的方式从溶液中析

7、出，形成颗粒物（沉淀物）。共沉淀法：在溶液中加入沉淀剂，使多种阳离子发生同时沉淀。单相共沉淀：沉淀物为单一化合物或单相固溶体。亦称化合物沉淀法。混合物共沉淀：使两种以上的阳离子同时沉淀出来，但他们形成各自化学成分的沉淀物，从而形成混合物的沉淀产物。混合物组成共同的颗粒，各个颗粒的成分相同。球磨：利用下落的研磨体的冲击作用以及研磨体与球磨内壁的研磨作用而将物料粉碎并混合。陶瓷工业中的粗粹设备一般采用颚式破碎机，中碎采用轮碾机，细碎则采用球磨机或环辊磨机。机械合金化：通过球磨粉碎的方式，使不同成分颗粒组成的混合粉末变为相同成分的颗粒组成的粉末。在颗粒内部实现了不同成分在分子级别的混合、固溶及相变。

8、当量径：球形颗粒的尺寸即为其直径。不规则颗粒的尺寸常用等当量径表示。把颗粒看成是一个球体，用球体的直径表示颗粒的大小，即所谓球当量径 ：体积直径-与颗粒同体积的球的直径 ：表面积直径-与颗粒同表面积的球的直径粒径分布表示方法： 频度分布曲线（微分法）：每个粒径间隔中的颗粒数或质量与全部颗粒数或质量的百分比 累计分布（积分法）：小于某粒径的颗粒数或质量占整个颗粒数或质量的百分比 粒径分布函数：a.正态分布 b.对数正态分布 c.Rosin-Rammler分布中位径：根据积分法（累计分布）做图，可以找出50%的颗粒的粒径，即中位径，是颗粒平均直径的近似值标准筛：按照孔径大小进行分号，如50目、10

9、0目、200目、300目筛等。“目” 即单位英寸长度范围出现的孔个数。“目” 数越大，孔径越小。筛分：将粉体置于标准筛筛面上进行振动，使粉体分离成颗粒尺寸范围不同部分的作业。颗粒级配：将粒度大小不同的粉体混合后使用，称之为级配；桥架现象：微细颗粒间相互作用比较大，容易形成团聚体。由于团聚，颗粒堆积体中易于形成“桥架”现象，即颗粒聚结起来，形成一个拱桥，在桥下形成一个远大于颗粒本身尺寸的空洞。该现象又称“拱桥”现象。振实密度：在粉体填充过程对容器进行振动得到的容器密度；松装密度：在粉体填充过程不对容器进行振动得到的容器密度。振实密度大于松装密度！休止角：在静平衡状态下，粉体在一个平面上堆积成一个

10、圆锥体，其自由表面母线与水平面所能呈的最大夹角。又称安息角；粉体介于块状固体和液体之间，休止角为090。粉体的休止角越小 ，其流动性越好内摩擦角：内摩擦：粉体内部的摩擦，也即颗粒之间的摩擦 定义为i=arctgi= arctg(/) = arctg(F/W)粉体的内摩擦角越大，流动性越小外摩擦角：粉体与所接触的固体壁面之间的摩擦，称为外摩擦。外摩擦特性用壁摩擦系数与壁摩擦角w表示。定义为：w=arctg w PM2.5：大气中粒径小于2.5m的颗粒物粘性粉料：初抗剪切强度不为0，流动性不好的粉料分散性：粉体在空气中分散的难易程度1.2 基本原理球磨原理：将待粉碎的粉体装入一个圆柱形的筒体中，同

11、时还装入一些硬质的、称作为研磨体的块体，然后使罐体绕其轴心转动。由于粉、研磨体与筒体间的摩擦力，带动粉、研磨体也随着一起运动。但由于受到重力作用，粉、研磨体又相对于罐体向下滑动。此时粉体内部、粉体与罐体之间、粉体与研磨体之间的摩擦对粉体有磨削作用。如果转速适当，有些研磨体被带至一定高度后，会离开粉体，向下抛掷，对落地的粉体产生锤击，磨削和锤击造成粉体颗粒破碎变细。磨削使颗粒失去棱角，锤击使颗粒一分为几。显然锤击是一种更为有效的粉碎机制。主要工艺参数：1)研磨体与粉体的重量比例（简称球料比）该比例越大，效率越高。2)研磨体与粉体的总体积与罐体内腔的比例一般以2/3为佳。锤击机理要求研磨体抛落时有

12、一定的空间距离。3)罐体的转速：n临界=42.4/D n理想=0.70.75n临界（锤击效果最好）或0.6n临界（磨削效果最好）4)球磨时间：球磨时间越长，颗粒越细，但时间过长则无意义5)研磨体的种类：包括研磨体的硬度、密度、尺寸大小和形状。一般采用密度和硬度都较大的材料，如刚玉、玛瑙、氧化锆、硬质合金等6)采用特殊介质-在球磨罐中加入除待磨粉体、研磨体之外的第三种物质（气态的、固态的或液态的） 基本目的有：保护粉体（惰性气体或保护性液体）或助磨（表面活性介质）。行星磨原理：让罐体绕其型心作转动的同时，其型心又绕另一中心转动，犹如地球的自转加绕太阳的公转。研磨体作三维振动，强化了锤击效果，极限

13、尺寸较小（据称可以达到10纳米）。；气流粉碎：高速气流（压缩空气或过热蒸汽）喷入粉碎室内，带动粉体高速运动，使颗粒相互碰撞、摩擦和剪切而达到粉碎之目的。分级原理：被粉碎的物料在分级区受离心力作用，按颗粒粗细自行分级，粗颗粒靠管道外壁，细颗粒靠内侧。达到一定细度的颗粒，经惯性分离器在出口处被收集。粗颗粒则下降，回到粉碎区继续粉碎。如此循环。 一般物料在管内要循环2000-2500圈。机械合金化原理：金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末与研磨体之间长时间激烈冲击、碰撞，是粉末颗粒不断出现冷焊、断裂，导致粉末颗粒中原子扩散，从而获得合金化粉末。固相合成粉末原理：将现有颗粒，通过固相反应（固溶、相变、

14、化学反应）合成新成分或新结构的颗粒。通常在高温下进行。还原铁粉制取工艺:金属氧化物的还原可用下面的一般化学反应式表示MeO+X=Me+XO； 固体碳还原法：FeO+CFe+CO 气固联合还原法：FeO+CFe+CO FeO+H2Fe+H2O FeO+COFe+CO2 气体还原法：FeO+H2Fe+H2O FeO+COFe+CO2沉淀法制粉原理:某些种类的离子，过饱和以后，以适当的物质为目标，采取形核、长大的方式从溶液中析出，形成颗粒物（沉淀物）。溶剂蒸发法制粉原理: 将溶液中的溶剂蒸发，使溶质的浓度达到过饱和，沉淀出溶质颗粒。基本工艺流程为：原料溶液雾化液滴蒸发溶剂 煅烧颗粒蒸发溶剂既可以采用

15、高温，如将雾滴直接喷入高温炉膛；也可采用冷冻干燥，即将雾滴喷入温度很低的有机液体中，冻成冰粒，再将冰粒过滤出来，采用低温升华方法使溶剂蒸发。水热法:在高温、高压下通过水溶液合成粉料的方法；水热反应原理: 水的性质在高温、高压下会发生较大的变化如蒸汽压变高、密度变低、表面张力变低、离子积变高, 对在水溶液中发生的物理化学反应,产生奇特的影响: 作为化学组分，促进化学反应 反应和重排的促进剂 起压传递介质的作用 起低熔点的作用 提高物质的溶解度 有选择性地使某些离子间的反应加速 水解反应加剧 氧化还原电势明显变化利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的的物质溶解，或不能进行的反应得以反应

16、,生成物的种类、生成模式、生成形态发生变化水热反应类型：水热氧化：mM+nH2OMmOn+H2 水热沉淀：KF+MnCl2KMnF2 水热合成：FeTiO2+KOHK2OFeTiO2 水热还原：MxOy+yH2 xM+yH2O 水热水解：ZrSiO4+NaOHZrO2+Na2SiO3 水热结晶：Al(OH)3Al2O3H2O其中水热结晶用得最多。在高温、高压下,一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的氧化物在水中的溶解度，于是氢氧化物溶入水中同时析出氧化物拜耳法:大规模制备氧化铝粉的经典工艺, 拜耳法的两个主要过程(1)采用晶种,从过饱和的铝酸钠溶液中的析出氧化铝;(2)用铝酸钠溶液从铝土矿中溶出

17、氧化铝 拜尔循环：在不同条件下的交替进行下述反应Al2O3.(1或3)H2O+2NaOH+aq 2NaAl(OH)4+aq交替使用上述两个过程,就能够一批批地从铝土矿中得出纯的氢氧化铝产品熔体雾化法制粉原理: 将原料加热至熔融状态，雾化后冷却，得到粉粒。金属粉体常用此法制备。颗粒的构造及表征：颗粒通常为结晶体，单晶体或多晶体。也有非晶体颗粒。晶态颗粒通常含有较多的晶体缺陷，空位、位错、弹性应变、界面等。相对于块体，颗粒处于较高能量状态，不太稳定；用颗粒形状、颗粒尺寸、颗粒分布表征粉体粒度测试的常见方法：1） 显微观察 用显微镜观察粉体，可以区分单颗粒与团聚颗粒2) 筛分 将粉体置于标准筛筛面上

18、进行振动，使粉体分离成颗粒尺寸范围不同部分的作业。3）沉降法 颗粒在液体中的沉降速率U与颗粒的直径D成正比。把颗粒分散到液体中 ，通过颗粒沉降速率测得颗粒的尺寸。它不能区分单颗粒与团聚颗粒。4）比表面积(BET)法 使颗粒表面饱和吸附一层截面积已知气体（通常为氮气），根据气体用量可以计算出粉体的总表面积 ,除以粉体的重量可得比表面积S（m2/g）。5）X射线小角度散射法 X射线衍射在倒易点阵原点附近出现相干散射，散射角与颗粒尺寸d有关：d=/ 式中为X射线的波长。测量范围为1nm100nm。6） X射线衍射线宽法 X射线衍射峰的宽度B与晶粒尺寸D有关： B=0.89/Dcos 式中为X射线的波

19、长，为衍射角。7）激光粒度仪 通过粉体对激光束的散射光的空间分布（散射谱）来分析颗粒大小的仪器。 粉末粒度分布的表征方法：所谓粒径分布，将颗粒从小到大排序，按大小分成若干个粒径段，统计每段颗粒个数（或重量或体积）占总颗粒数（或总重量）的分数，用简单的图或表或公式表示出来。频度分布曲线（微分法） 每个粒径间隔中的颗粒数或质量与全部颗粒数或质量的百分数。累积分布（积分法） 小于某粒径的颗粒数（或质量）占整个颗粒数（或重量）的百分数。粒径分布函数：a.正态分布 b.对数正态分布 c.Rosin-Rammler分布级配原理：在颗粒间的相互作用力可以忽略时，小颗粒填充大颗粒的间隙，可以提高堆积密度2 章

20、 2.1常见矿物的成份粘土：粘土主要化学成分是SiO2、Al2O3、H2O等，简单记为:xSiO2yAl2O3zH2O,其中x、y、z随具体矿物而定，粘土是多种矿物的混合物。主要分高岭石类、蒙脱石类、伊利石类。；高岭石类：化学式为:Al2O32SiO22H2O，是一种常见的粘土矿物，为制瓷的优质粘土蒙脱石类：化学式为: Al2O34SiO2nH2O(n常大于4)伊利石类：又称水云母类矿，包括白云母（化学式为:K2O3Al2O36SiO22H2O）、水云母（白云母中的K+离子被（H3O)+离子部分取代）及绢云母（细小鳞片状白云母）矿。它们的特点是K2O含量较多。石英：主要成分为SiO2。有多种晶

21、体结构。长石：钠长石：Na2OAl2O36SiO2或NaAlSi3O8 ，熔点为1100；钾长石：K2OAl2O36SiO2或KAlSi3O8 ，熔点1150；钙长石：CaOAl2O32SiO2或CaAl2Si2O8，熔点1550；钡长石：BaOAl2O32SiO2或BaAl2Si2O8，熔点1715 。从化学组成上为碱金属或碱土金属的硅酸盐；滑石：天然的含水硅酸镁矿物。化学通式为：3MgO4SiO2H2O；MgO31.9%、SiO263.4%、H2O4.7%硅灰石：为偏硅酸钙矿物。化学通式为：CaOSiO2，其理论组成为SiO251.7%、Ca O48.3%。骨灰：属于钙的磷酸盐，脊椎动物如

22、牛、羊、猪等的骨骼经一定温度煅烧后的产物。其基本成分是羟基磷灰石，其结构式为：Ca10(PO4)6(OH)2；白云母：碳酸镁和碳酸钙的固溶体，其化学通式为CaCO3MgCO3。2.2 坯料表示方法坯料用陶瓷粉末制备的、用于成型的物料。将各种原料（各种粉末、成型剂等）按照一定的比例（配方）下料，经过加工后，得到的多组分的混合物。按照其中液体的含量多少，坯料可以是粉料、泥料、浆料。1）原料百分比法列出各种原料的质量百分数，原料的名称和产地2）化学组成法根据化学全分析结果，将各种化学物质用质量百分数反映出来。3)坯式表示法（化学式法）用分子式表示各种物质的组成。用化学式表示配方.例如：某厂压电陶瓷配

23、方有Pb(Zr0.53Ti0.47)O3。用坯式表示配方：表示坯的成分（坯式）xR2OyRO R2O3zSiO2以中性氧化物R2O3为基准，令其摩尔数为1表示釉的成分（釉式）以R2O及RO的摩尔数为基准，令其摩尔数为1。则坯式可写成： R2O RO mR2O3nSiO2 4）矿物组成表示法 把天然原料中所含的同类矿物含量合并在一起，以纯理论的粘土、长石及石英三种矿物来表示坯料配方组成。2.3普通陶瓷的坯料基本成份及长石的作用陶瓷制品随烧结程度分为瓷、炻和陶三大类。坯料随用于制作制品的类型而分成瓷质、炻质和陶质三大类。普通陶瓷坯料的主要成分为：SiO2、Al2O3、K2O、Na2O。SiO2、A

24、l2O3为主要成分，决定坯料在加工过程的工艺性能与烧成制品的力学性能，有粘土提供K2O、Na2O作为熔剂，在烧结时形成液相，形成液相烧结，帮助降低烧结温度或提高烧结密度，由长石类原料（如钠长石：Na2OAl2O36SiO2；钾长石： K2OAl2O36SiO2 ）提供。2.4 基本概念硬质瓷：玻璃相含量低、硬度较高的一类细瓷。坯料中熔剂成分少，烧成温度高（13201450），从而瓷体中玻璃相含量少、硬度高。软质瓷：玻璃相含量高、硬度较低的一类细瓷。坯料中熔剂成分少，烧成温度低（1200左右），从而瓷体中玻璃相含量高、硬度低。绢云母瓷：以绢云母为熔剂的“绢云母石英高岭土”系陶瓷。烧成温度在125

25、01450。化学成分：SiO2 6070% Al2O3 2230% (R2O+RO) 4.57%一般情况下，高岭土多，则烧成温度较高，趋近于硬质瓷；骨灰瓷：以磷酸钙为主要成分的瓷。以磷酸钙为熔剂,属于“磷酸盐高岭土石英长石”系统；紫砂陶：紫砂陶源于宜兴丁山镇附近的山丘中出产一种(因铁含量较高) 的粘土-紫砂泥。该粘土不同于一般的粘土，不能直接被水润湿。紫砂需经过粉碎、过筛（4060目）、加水搅拌和并经真空练泥、陈腐，获得可塑性的泥料，然后经可塑法成型，在11001200氧化焰烧成。属于炻器。2.5 配方计算 1）由坯料的坯式计算各原料的质量百分数已知某陶瓷的化学组成，算出所需原料在坯料中的质量

26、百分数。其计算过程如下：由坯料的坯式求出各种原料的摩尔数Xi；求各种原料的摩尔量Mi ；坯料的坯式计算各种纯原料的质量mi=MiXi；计算各种实际原料的质量mi=mi/P(P为原料的纯度)；将各种原料的质量换算成质量百分数Ai：2）按坯料预定的化学组成计算各原料的质量百分数 若已知坯料的化学组成及所有原料的化学组成，可按照逐项满足的方法，求出各原料的引入质量,然后求出配用原料的质量分数。2.6 配料方法 按瓷料的组成，将所需要的各种原料进行称量。坯料应符合以下条件： 坯料组成与配方吻合，计量准确，且加工过程不混入杂质；各种组分（如原料、水分及塑化剂）应混和均匀，颗粒达到要求的细度及级配，以减少

27、各加工过程及干燥过程的废品及缺陷损失。3章基本概念 干压：干压成型是将粉料在模具内压缩成型。或称为模压成型；干压成型的工艺流程为：粉末 造粒 压制 脱模 型坯 冷等静压：在密闭容器内被压缩的液体或气体的任意点处静压应力相等（即等静压）；冷等静压技术为在室温下用冷等静压机、以水乳液或油为压力介质、以橡胶和塑料为包套材料进行等静压成型的技术塑化剂：陶瓷粉体若不能很好地满足成型对可塑性要求，需要添进一些称作塑化剂的物质。塑化剂一般由三种物质组成：粘结剂（能够粘合颗粒的物质）增塑剂（改善或提高粘结剂的功能的物质）溶剂（能够溶解粘结剂、增塑剂的物质）泥料：天然陶瓷矿物（如粘土）原料粉末与适量的水混合之后

28、，都可形成具有一定可塑性的泥料。颗粒表面与水作用，形成包覆颗粒的液体膜，颗粒通过液体膜的毛细管力相互粘结；浆料：塑化剂加得很多，成型坯料已成为浆料；塑法成型：利用泥料成型；流法成型：利用浆料成型；注浆成型：将粉体制备成一种以水为溶剂的浆料，注入能够吸水的石膏模腔中成型。一种最原始的流法成型。将粉末分散在水中制成悬浮液，将此悬浮液注入石膏模具中，通过石膏模具的吸水作用使悬浮液固化，制得具有一定形状的生坯。流延成型：将具有一定流动性的陶瓷料浆，在基材上漫流、铺展，形成表面光滑、厚度均匀的薄层，待其干燥、固化后从基材上揭下。 注射成型：将陶瓷粉料与热塑性的有机物混合均匀（其产物称为喂料），在一定压力

29、下将熔融喂料注入型腔中，喂料冷凝后即成为有一定形状的坯体4章 4.1基本概念 真密度：理论密度（或真密度），完全致密材料的密度，g/cm3。假定材料中完全不含气孔时的密度。真密度密度相对密度：烧结体密度与其真密度的比值（%）：=D/ D0 100 %；烧结：颗粒集合体变成致密块体(多晶体)的现象或工艺. 一般烧结现象：1）宏观现象重量发生变化（增重，如金属元素发生氧化；失重，如脱水、脱脂等）；体积发生变化（烧结后，烧结体相对于烧结以前最直观、最明显的变化就是尺寸上的收缩，这是烧结体密度提高的必然结果。如果出现过烧，如产生很多气泡，烧结体的也可能膨胀）密度发生变化；气孔的变化；热效应（在烧结的升

30、温过程中，随着温度的变化，坯体中产生一系列的物理、化学反应，如水份的挥发、气体的解吸、不同颗粒间的化合反应、分解反应、氧化还原反应、固溶反应、相变等，伴随着相关的热的吸收和放出。）强度提高（颗粒间生出了较强的化学键，必然使颗粒的结合增强，坯体的强度提高。）2）微观变化两球模型（考虑两个球形颗粒间的烧结，在粉体中或粉体型坯中，颗粒间接触是点接触。接触区域上能够达到原子引力作用范围的原子数目有限。但是在高温下，由于原子振动的振幅增大，发生扩散，有更多的原子进入原子作用力范围，通过原子向接触点的迁移，使颗粒间接触区域逐渐扩大，形成颗粒间的面接触。并且随着接触面的扩大，烧结体的强度也增加。用两球烧结模

31、型可以形象地表示为：两个颗粒的联结处以前是点，现在变成面。）四球模型（四个球形颗粒间的烧结。起始，四个颗粒相互点接触；初期，形成烧结颈；中期，烧结颈增粗，孔隙缩小、球化；晶粒长大，孔隙进入晶粒内部。随着烧结颈的长大，总孔隙体积减少，颗粒距离缩短，烧结的致密化过程开始。）气孔率：孔隙的体积（V孔）占材料体积(V样品)的分数（ 用百分数表示）：P孔=V孔/V样品100%可以证明孔隙率与相对密度之间存在以下关系：P孔100% 如果孔隙率越大，则相对密度就越小。开孔：与外界连通的孔隙，称为开孔隙；闭孔：不与外界连通的孔隙，称为闭孔隙。开孔隙可提高材料的过滤或吸水能力，闭孔隙可用于提高材料的保温和绝隔热

32、能力。烧结颈：用两球烧结模型可以形象地表示为：两个颗粒的联结处以前是点，现在变成面。联结处犹如一个脖子，连接动物的头与躯干，故名烧结颈。烧结的过程，就是烧结颈不断粗壮的过程。烧结颈的形成，通常不会导致烧结体的收缩，只是使烧结体的强度增大。要使得烧结体体积收缩，必须使烧结体中气孔率减少。晶界沟：在多晶材料中，露出晶体表面的晶界形成所谓晶界沟，它是晶界张力和表面张力相互作用达到平衡的结果。烧结驱动力：为（Gv + Gs ）。一般情况下，Gv 的绝对值相对于 Gs的绝对值小得很多；驱动力可近似看作 Gs ，即烧结前后表面能变化。又由于烧结后表面能远小于烧结前的表面能，故通常又称烧结的驱动力为粉体的表

33、面能。实际上，任何在烧结阶段降低的能量（相变能、畸变能）都可成为烧结的驱动力。烧结势垒：粉体态自由能与传质态自由能之差定义为烧结的势垒；粉末活性：包括颗粒的表面活性与晶格活性两方面，前者取决于粉末的粒度、粒形（即比表面积），后者由晶粒大小、晶格缺陷、内应力等决定。在其他条件相同时，粒度越细，两种活性同时增加；液相烧结：在烧结阶段出现液相，且液相对致密化进程的影响不可忽略的烧结工艺。固相烧结:没有液相出现的烧结过程。热压: 在有外界压力条件下进行的烧结热等静压: 等静压烧结是等静压成型和高温烧结相结合的工艺。；熔浸: 将粉末坯块与液体金属接触或浸没在液体金属内，使液体金属填充坯块中的孔隙，冷却后

34、得到致密材料或零件；假合金：组元间不互溶且无反应的合金 4.2基本原理 五大传质机制1） 气相传质-蒸发/凝聚机制对于具有任意非平面表面的固体，表面张力也会产生附加压应力：P= (1/r1+1/r2) 式中r1和r2分别表示表面的主曲率半径。；VsP=RTln（p/ p0) 将P=2 /r及Vs=M/代入上式中著名的凯尔文（kelvin）方程。ln(p/p0)= (2 M / RT)1/r 烧结体自发与周边气氛达成平衡.烧结颈处的表面为凹面，其曲率半径 r 0 ，在相邻气相的饱和蒸气压为 p r ( p0)；烧结体其余固体表面为凸面，设曲率半径 r 0，相邻气相的饱和蒸气压p r ( p0)。

35、如果各处已达成固/气间的平衡，在烧结固体周围的气相中必然存在烧结体物质的蒸气压梯度（pr pr）,在该浓度梯度的驱使下，烧结体物质由蒸气压大的地方（凸面处）向蒸气压小的地方（烧结颈处）气相传质。气相传质产生两种结果:在烧结颈处,烧结体物质在气相中的蒸气压上升，会打破该处原有的固/气间的平衡，为了建立固/气间的平衡，烧结体物质会自发由气相析出，凝聚到烧结颈处，使烧结颈生长；在凸面处,烧结体物质在气相中的蒸气压下降，也会打破该处原有的固/气间的平衡，为了建立固/气间的平衡，烧结体物质会自发由固相蒸发，进入气相，使凸面退缩。固/气间的平衡建立之后，又会导致气相传质，又会造成（凸面处）蒸发和（烧结颈处

36、）凝聚，这样，物质不断经由气相传至烧结颈处，使烧结颈不断壮大2) 液相传质-溶解/析出机制 液相中的浓度c与饱和蒸气压p之间的关系，可以由拉乌尔定律给出：p=p0c p0=p0c0 代入凯尔文方程中,消去p0与p，整理后得： ln(c/c0)= (2 M / RT)1/r 假定烧结坯浸泡在可以与之润湿的液体中。烧结颈处的固/液界面为凹面，其曲率半径 r 0 ，固相物质在相邻液相中的溶解度为 cr ( c0)；其余固/液界面为凸面，曲率半径 r 0，固相物质在相邻液相中的溶解度为 cr ( c0)。如果各固/液界面处均已达成固/液平衡，在烧结固体周围的液相中必然存在固体物质的浓度梯度（cr cr

37、）。在该浓度梯度的驱使下，在液相中,固体物质由浓度大的地方（凸面处）向浓度小的地方（烧结颈处）传质。液相传质产生两种结果:在烧结颈附近处,固体物质在液相中的浓度上升，高于既有的溶解度,打破该处原有的固/液平衡，为了维持固/液平衡，固体物质会自发由液相析出，凝聚到固态的烧结颈处，使烧结颈生长；在烧结固体的凸面附近处, 液相中的固体物质的浓度下降，低于既有的溶解度,也会打破该处原有的固/液平衡，为了维持固/液平衡，烧结体物质会自发由固相进入液相，即产生溶解，使凸面退缩。固/液平衡的再次建立，又会导致液相传质，再次造成（凸面处）溶解和（烧结颈处）析出，这样，凸面上的物质不断溶解，经由液相传质至烧结颈

38、处，在烧结颈处析出，使烧结颈不断壮大3) 固相传质-固相扩散机制 c= c0 exp(-2 V/RT r)烧结颈处的表面为凹面，其曲率半径 r 0 ，其内侧的固相中的空位浓度为cr （ c0） ；其余固体表面为凸面，曲率半径 r 0，其内侧的固相中的空位浓度为c r （ c0）。在固相存在空位浓度梯度（cr cr）,在该浓度梯度的驱使下，空位由浓度大的地方（烧结颈处）向浓度小的地方（凸面处）经由固相扩散。这种空位的定向迁移，等价于原子由凸面处向烧结颈处的定向迁移。这种迁移的结果，必然使烧结颈壮大，直至烧结颈处的表面曲率与其它处一致。4) 粘性流动传质机制当固体承受应力时，固体可以类似液体的方式

39、,顺着应力产生变形，从而导致物质的传质在以双球模型的烧结体系中，由于表面张力的作用，固体颗粒在烧结颈处受拉应力，其余地方受压应力。在烧结颈处，表面张力所产生的拉应力使烧结颈在拉应力方向产生变形，使烧结颈长大。5) 塑性流动机制固体顺着力的方向变形,既可以粘性流动的方式,也以塑性流动方式进行。以塑性变形（即滑移与孪生）为微观机制的固体流动，称之为塑性流动。 估计材料烧结温度的基本方法: 存在经验公式：Ts=kTm 式中Ts为烧结温度(K)，Tm为物质的熔点（K）, k为与物质种类有关的常数： 0.3-0.4 金属 k= 0.7-0.9 陶瓷 0.7-1.0 有机物温度对烧结密度的影响: 根据烧结

40、体密度的变化,烧结温度可以分为三个区域 ；a)烧结温度很低时相对密度不随温度而变，保持很低的水平。烧结速度太慢，没有发生明显烧结现象。可能有烧结颈形成。b)中等烧结温度相对密度随烧结温度增加而快速增加。有明显的烧结现象。温度越高，传质机制的种类及效率越高，烧结速度越快，故烧结体的密度越高。如果烧结温度不够高,致使烧结体的相对密度太低,称为欠烧。c)烧结温度过高 相对密度随烧结温度增加而下降，称之为过烧。气孔在烧结过程中演变规律： 气孔、晶界、第二相对晶粒大小的影响： 气孔：孔隙是阻止晶界移动和晶粒长大的主要障碍（钉扎作用） 晶界沟：当晶界沟上的晶界移动时，晶界面将增加，使系统界面自由能增高，因

41、此晶界沟是阻止晶界移动或晶粒长大的。 第二相：第二相对晶界有钉扎作用，阻碍晶粒长大促进烧结的基本措施: 通常陶瓷制品追求尽可能高的密度。1）延长保温时间2）提高成型坯体的密度,可以提高颗粒间的接触面积；3）活化烧结 ,降低烧结势垒的烧结工艺。l 采用高活性的粉体l 采用烧结助剂l 采用特殊烧结气氛 l 施加外应力液相烧结原理与条件:液相的作用主要来自三方面：1)液相传质2)粘性流动3)毛细管压 4)填充空隙；液相烧结能否顺利完成（致密化进行彻底），取决于与液相性质有关的三个基本条件：1) 液相对固相颗粒润湿2) 固相在液相中有一定的溶解度3) 液相数量4) 液相的最终去处液相烧结助剂的选择:为

42、了促进A的烧结，在A粉末中加入可与A形成低共熔点的B物质的粉末；在高于该低共熔点的温度下烧结。在选择B物质时，考虑以下两种经典相图：1）固相完全不互溶型A与B之间有低共熔点Te，但在固态下，A与B几乎不互溶2）有限固溶型在固态下，B在A中有一定的固溶度。A与B之间有低共熔点Te。热压烧结原理: 增加烧结的驱动力 a）在整个烧结过程中，通过外力引发粉体塑性流动、粘性流动，促进致密化进程； b)由于塑性变形，颗粒内部产生高密度的位错和空位，促进固相扩散； c)促进闭孔中气体的溶解与扩散气氛烧结原理:采用真空或原子半径小的气体作气氛或在氧化物陶瓷采用氧气氛，均有助于烧结体密度的提高。采用特殊气氛的目

43、的有四： 1）有利于气孔的排除2）改变材料中的点缺陷种类或浓度，从而改变材料的性能3）易挥发成分的控制4）防止或促使烧结体与气氛间的化学反应传统陶瓷在烧结过程中的结构变化：1.升温阶段l 低温阶段（室温300）坯体在此阶段主要是排除水分。 随着水分及有机物的排除，颗粒紧密靠拢，将使坯体产生少量收缩，但这种收缩并不能完全弥补水分蒸发所造成的孔隙经过此阶段后，粘土质坯体的强度与孔隙率均有所增大 l 中温阶段（300950） 对传统陶瓷而言，又称氧化分解阶段。 碳素及有机物的氧化 硫化铁的氧化 结构水的排除 碳酸盐的分解 晶形转变及液相形成 长石开始与石英、分解后的粘土颗粒反应,形成K2O-Al2O

44、3-SiO2三元低共熔液相 l 高温阶段（950最高烧成温度）1.在1050以前,继续上述尚未完成的的氧化分解反应2.硫酸盐的分解和高价铁的还原与分解3.形成大量的液相和莫来石晶体2.保温阶段 在最高温度下，陶瓷颗粒的组成原子、离子或分子进行传质，使颗粒由点接触变为面接触，并且接触面不断扩大。其后果就是坯体中的气孔体积越来越少，原来相互连通的气孔逐渐变得不连通，直至获得完全致密的坯体3.降温阶段 降温过程中伴随有液相凝固（如果在保温阶段后期仍有液相存在）和析晶、固态相变及与温度变化伴随的体积变化孔隙在烧结过程中的变化趋势:变化趋势孔隙网络隔离的闭孔孔隙球化收缩少数闭孔长大连通孔隙的不断消失与隔

45、离闭孔的收缩是贯穿烧结全过程的组织变化特征。前者主要靠体扩散（晶界扩散+晶内扩散）和塑性流动，表面扩散和蒸发凝聚也起一定作用；闭孔生成后，表面扩散和蒸发凝聚只对孔隙球化有作用，但不影响收缩，塑性流动和体扩散才对对孔隙收缩期作用。互不溶系固相烧结原理: 粉末由具有不同成份的颗粒组成。这些颗粒间不互溶且无反应。 其烧结，能够制造出熔铸法所不能得到的假合金。设A、B颗粒能够烧结，形成界面。 从界面变化来看，烧结后使、的表面积减少了，A界面积增加了。 皮涅斯认为，互不溶系的烧结应服从不等式：ABA+B 即A/B的界面张力小于A、B的表面张力之和。 如果还满足: ABA-B 在两组元的颗粒形成烧结颈的同时，它们可互相靠拢至某一临界值。 不可能实现致密烧结。 如果还满足: ABA-B 烧结早期，通过表面扩散，使表面张力低的组元覆盖表面张力高的另一组元的颗粒表面；然后表面张力低的组元之间进行烧结。其过程同单元系烧结一样。只要烧结时间足够长，充分烧结是可能的。常用烧结窑炉的工作原理:1)倒焰窑生产时，窑内火焰的流动是先向上至窑顶，然后再向下倒流，经过静止不动的制品料堆剁间隙而至窑底，再经火孔流入窑底的烟道排走，故称为倒焰窑。这里采用烧煤加热，也可以电