浙江大学：《材料合成与制备》课程教学资源（课件讲稿）第三章 粉末烧结材料合成与制备（打印版）

第三章粉末烧结材料合成与制备 第三章粉末烧结材料合成与制备 烧结过程是将粉体集合体经高温处理后，形成具有 一定强度和形状的块状材料。 高温 粉末集 气孔 致密烧 合体 结体

第三章粉末烧结材料合成与制备金属材料：具有高熔点的金属和金属间化合物硬质合金(WC，TiC，NbC，TaC)具有高硬度、耐磨性和金属粘结性相有足够的力学性能和抗热震性能。·高密度合金(W-Ni-Co)具有密度高、强度高、硬度高、导电和热性好、热膨胀系数小、抗腐蚀和氧化性好、机械加工性和焊接性好。陶瓷材料中：一般陶瓷块(基至薄膜)材料都是有烧结过程的

第三章粉末烧结材料合成与制备烧结类型粉末烧结类型不施加外压力施加外压力固相烧结液相烧结热压热锻热等静压长存液相瞬时液相单相粉末多相粉末超固相线烧结反应烧结活化烧结液相热压强化烧结一反应热压一反应热等静压一典型粉未烧结过程分类小意

第一节烧结过程1.1颗粒的烧结活性烧结过程实际上是在固态下一个物质或原子的迁移或扩散过程(a)扩散性(1)体积扩散系数D：原子在晶体内部或晶格内的扩散能力，亦称为晶格扩散系数；(2)晶界扩散系数Db：原子沿晶界的扩散能力：(3)表面扩散系数D：原子沿各种表面，主要是自由表面的扩散能力

第一节烧结过程其原子自扩散系数可表示为.AGD=D.expRT式中D：对于纯固体为自扩散系数；D：指前因子；△G：自扩散激活能；R：气体常数；T：温度。温度是外界影响最关键因素在给定温度下，粉末的扩散系数值，可以代表粉未本征的烧结活性

第一节烧结过程(b)晶体缺陷对扩散的影响空位：空位存在使原子扩散变得容易。在平衡状态下，原子的自扩散系数就可以与空位扩散系数及空位平衡浓度联系起来：D=D'N,=D'AexpRT式中D：空位扩散系数；N：平衡的空位摩尔浓度；A常数；Q：空位形成能

第一节烧结过程原子的扩散能力受空位浓度的高低所影响。这是粉末烧结活性的一个判据。接近熔点的空位平衡浓度：Cu, N,～10-3SiC, N.~0Cu粉被称为易烧结粉未，烧结活性高，而SiC粉为难烧结粉末，烧结活性几乎等于零，甚至被称为不可烧结的物质

第一节烧结过程1.2颗粒系统的烧结性与本征热力学驱动力(a)本征过剩表面能驱动力(宏观角度来看)以大量颗粒集合体，由于存在大量界面，其系统处于一个高能状态，与同质量的未细分晶体相比具有过剩的表面能。颗粒系统具有的过剩的表面能越高，致密化的势越大，体系的烧结活性也就越大。烧结是一个热力学无可逆过程

第一节烧结过程本征过剩表面能驱动力简单估计。假定烧结前粉未系统的表面能为E，烧结成一个致密的立方体后的表面能为E，忽略形成晶界能量的消耗，则本征驱动力为。AE=E,-E.代入晶体材料的摩尔质量W(g/mol)，固-气表面能sv(J/m-)，粉末比表面S,(cm2/g)，致密固体密度d(g/cm3), 则有2732AE=YWAE~svWmSp粒度越细。比表面越大，本征表面能驱动力就越大细粉比粗粉易于烧结

第一节烧结过程烧结活性：动力学上的单颗粒自扩散性.热力学上颗粒结合体的表面能驱动力。经验公式：在适当的烧结时间内获得烧结体的充分致密化D~1(2a)3式中D：体积扩散系数(cm2/s)；2a：粉末粒度(um)