陶瓷材料燒結(jié)原理

燒結(jié)原理

燒結(jié)的實(shí)質(zhì)是粉末坯塊在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境或氣氛中受熱，通過(guò)一系列物理、化學(xué)變化，使粉末顆粒間的黏結(jié)發(fā)生質(zhì)的變化，坯塊強(qiáng)度和密度迅速增加，其他物理、力學(xué)性能也得到明顯的改善。陶瓷材料的性能不僅與其化學(xué)組成有關(guān)，而且還與材料的顯微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)配方、混合、成形等工序完成后，燒結(jié)是使材料獲得預(yù)期的顯微結(jié)構(gòu)、賦予材料各種性能的關(guān)鍵工序。

燒結(jié)是減少成形體中氣孔、增加顆粒之間結(jié)合、提高機(jī)械強(qiáng)度的工藝過(guò)程。在燒結(jié)過(guò)程中，隨著溫度升高和熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)氣孔不斷減少，顆粒之間結(jié)合力不斷增加，當(dāng)達(dá)到一定溫度和熱處理時(shí)間，晶粒增大，機(jī)械強(qiáng)度降低。

根據(jù)熱力學(xué)觀點(diǎn)，燒結(jié)是系統(tǒng)總能減少的過(guò)程。和塊狀物料相比，粉末有很大比表面積，表面原子具有比內(nèi)部原子高得多的能量。同時(shí)，粉末粒子在制造過(guò)程中，內(nèi)部也存在各種晶格缺陷。任何體系都有向最低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，這就是燒結(jié)過(guò)程的動(dòng)力，即由壓壞轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)壞是系統(tǒng)由介穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。但燒結(jié)一般不能自動(dòng)進(jìn)行，因?yàn)樗旧砭哂械哪芰侩y以克服能壘必須加熱到一定的溫度才能進(jìn)行。燒結(jié)是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過(guò)程。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究，燒結(jié)機(jī)理可歸納為:1、黏性流動(dòng)；2、蒸發(fā)與凝聚;3、體積擴(kuò)散;4、表面擴(kuò)散;5、晶界擴(kuò)散;6、塑性流動(dòng)等。實(shí)踐證明，用任何一種機(jī)理去解釋所有的燒結(jié)過(guò)程都是困難的，燒結(jié)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，是多種機(jī)理作用的結(jié)果。在燒結(jié)過(guò)程中，主要發(fā)生晶粒和氣孔尺寸及其形狀的變化。

以Al2O3陶瓷的燒結(jié)為例說(shuō)明陶瓷材料的燒結(jié)過(guò)程:在Al2O3 陶瓷生壞中一般含有百分之幾十的氣孔，顆粒之間只有點(diǎn)接觸。在表面能減少的推動(dòng)力下，物質(zhì)通過(guò)不同的擴(kuò)散途徑向顆粒間頸部和氣孔部位填充，使頸部漸漸長(zhǎng)大，并逐步減少氣孔所占的體積，細(xì)小的顆粒之間開始逐漸形成晶界，并不斷擴(kuò)大晶界的面積使坯體變得致密化。在這個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程中，連通的氣孔不斷縮小，兩個(gè)顆粒之間晶界與相鄰的晶界相遇，形成晶界網(wǎng)絡(luò);晶界移動(dòng)，晶粒逐步長(zhǎng)大。其結(jié)果是氣孔縮小，致密化程度提高，直至氣孔相互不再連通，形成孤立的氣孔分布于幾個(gè)晶粒相交的位置。