材料物理化學(xué)第十章燒結(jié)習(xí)題

1、湖南工學(xué)院第十章固態(tài)燒結(jié)1、名詞解釋:（1）熔融溫度，燒結(jié)溫度，泰曼溫度；熔融溫度：全部組元都轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟臏囟?。燒結(jié)溫度：坯體在高溫作用下，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，故后顯氣孔率接 近丁零，達(dá)到致密程度最大值時(shí)，工藝上稱(chēng)此種狀態(tài)為”燒結(jié)”，達(dá)到燒結(jié)時(shí)相應(yīng) 的溫度，稱(chēng)為”燒結(jié)溫度”。泰曼溫度：固體晶格開(kāi)始明顯流動(dòng)的溫度，一般在固體熔點(diǎn)（絕對(duì)溫度）的 2/3處的溫度。在鍛燒時(shí)，固體粒子在塔曼溫度之前主耍是離子或分子沿晶體表 面遷移,在晶格內(nèi)部空間擴(kuò)散（容積擴(kuò)散）和再結(jié)晶。而在泰曼溫度以上,主要 為燒結(jié)，結(jié)晶黏結(jié)長(zhǎng)大。（3）液相燒結(jié)，固相燒結(jié)；周態(tài)燒結(jié)：沒(méi)有液相參與，完全是由固體顆粒之間的高溫固結(jié)過(guò)程

2、：液態(tài)燒結(jié)：有液相參與的燒結(jié)（4）晶粒生長(zhǎng)，二次再結(jié)晶：晶粒長(zhǎng)大：是指多晶體材料在高溫保溫過(guò)程中系統(tǒng)平均晶粒尺寸逐步上升的 現(xiàn)象二次再結(jié)晶：再結(jié)晶結(jié)束后正常長(zhǎng)大被抑制而發(fā)生的少數(shù)晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn) 象。（5）晶粒極限尺寸，晶粒平均尺寸；晶粒極限尺寸：晶粒正常生長(zhǎng)，由丁夾雜物對(duì)晶界移動(dòng)的牽制使晶粒大小不 超過(guò)某極限尺寸，這樣的生長(zhǎng)極限尺寸為晶粒極限尺寸。晶粒平均尺寸：燒結(jié)中、后期，細(xì)帖粒逐漸長(zhǎng)大：一些晶粒生長(zhǎng)伴隨另一些 晶粒縮小、消失，平均晶粒尺寸增長(zhǎng)，晶粒會(huì)有一個(gè)平均尺寸。（6）燒結(jié)，燒成。燒結(jié)：固態(tài)中分子（原子）間存在相互吸引、通過(guò)加熱使質(zhì)點(diǎn)獲得足夠的能 量進(jìn)行遷移，使粉末產(chǎn)生顆粒黏結(jié)，產(chǎn)生強(qiáng)

3、度并導(dǎo)致致密化和再結(jié)晶的過(guò)程燒成：包括多種物理和化學(xué)變化，如脫水、胚體內(nèi)氣體分解、多相反應(yīng)和熔 融、溶解、燒結(jié)等。在一定的溫度范圍內(nèi)燒制成致密體的過(guò)程。2、燒結(jié)的模醴冇哪兒種？各適用丁哪些典型傳質(zhì)過(guò)程？解：燒結(jié)模型有三種：雙球模型：球形顆粒點(diǎn)接觸，燒結(jié)過(guò)程中心距不變模 型：球形顆粒點(diǎn)接觸，燒結(jié)過(guò)程中心距減小模型：球形顆粒與平而的點(diǎn)接觸模型 球形顆粒點(diǎn)接觸，燒結(jié)過(guò)程中心跖不變模型適用r蒸發(fā)凝聚模熨： 球形顆粒點(diǎn)接觸，燒結(jié)過(guò)程中心距減小模型適用r擴(kuò)散傳質(zhì)。3、設(shè)有粉末斥塊，其粉料粒度為5屮】，若燒結(jié)時(shí)間為2h后，x/r=0.1o若燒結(jié) 至x/r =0.2,如果不考慮晶粒生長(zhǎng)，試比較過(guò)蒸發(fā)一凝聚、體

4、積擴(kuò)散、粘性流 動(dòng)、溶解一沉淀傳質(zhì)各需耍多少時(shí)間？若燒結(jié)時(shí)間為8h,各個(gè)過(guò)程的頸部x/r 乂 各是多少？解：根據(jù)査得各傳質(zhì)方式公式可得：時(shí)間分別為16h, 64h, 8h, 12811,若 只燒結(jié) 8h,則 x/i分別為 0.1x4“, 0.1x4“, 0.2, 0.1x4”。4、如將習(xí)題10.4中粉料粒度改為16gm,燒結(jié)至x/r=0.2,各個(gè)傳質(zhì)需多少時(shí)間？ 若燒結(jié)8h,各個(gè)過(guò)程的x/r 乂是多少？從兩題計(jì)算結(jié)果，討論粒度與燒結(jié)時(shí)間對(duì) 四種傳質(zhì)過(guò)程的影響程度。解:蒸發(fā)一凝聚：顆粒粒度愈小燒結(jié)速率愈大。初期x/r增大很快，但時(shí) 間延長(zhǎng)，很快停止；體積擴(kuò)散：燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，推動(dòng)力減小。在擴(kuò)散傳質(zhì)

5、燒結(jié)過(guò) 程中，控制起始粒度很重耍；粘性流動(dòng)：粒度小為達(dá)到致密燒結(jié)所需時(shí)間短，燒 結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，流變性增強(qiáng)；溶解一沉淀：粒度小，傳質(zhì)推動(dòng)力大。燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng), 晶粒致密程度增加。5、下列過(guò)程中，哪些能使燒結(jié)產(chǎn)物強(qiáng)度增大，而不產(chǎn)生致密化過(guò)程？試說(shuō)明理 由°（1）蒸發(fā)一凝聚：（2）體積擴(kuò)散；（3）粘性流動(dòng)；（4）晶界擴(kuò)散；（5）表 而擴(kuò)散：（6）溶解一沉淀解：蒸發(fā)一凝聚機(jī)理（凝聚速率=頸部體積增加）燒結(jié)時(shí)頸部擴(kuò)大，氣孔形 狀改變，但雙球之間中心距不變，大I此坯體不發(fā)生收縮，密度不變。6、在制造透明A1?O3材料時(shí)，原始粉料粒度為2gm,燒結(jié)至最高溫度保溫0.5h, 測(cè)得晶粒尺寸為10gm,試問(wèn)

6、若保溫2h,晶粒尺寸為多大？為抑制晶粒生長(zhǎng)加入 0.1%MgO,此時(shí)若保溫2h,晶粒尺寸乂為多大？解：由 -=疋=192在此條件下保溫2/設(shè)氏徑為刀則有：。二19.7牛即求加入少?gòu)甑腗gO時(shí)：ill= KtD = 7.3/zwg7、di 1500°CA1203正常晶粒生長(zhǎng)期間，觀察到晶體在lh內(nèi)從O.5|U11 ft徑長(zhǎng)大 到10|un0如已知晶界擴(kuò)散活化能為335kJ/mol,試預(yù)測(cè)在1700°C卜"4h后，晶粒 尺寸是多少？試估計(jì)加入0.5%MgO雜質(zhì)對(duì)A1?O3晶粒生長(zhǎng)速度會(huì)有什么影響？ 在與上而相同條件下燒結(jié)，會(huì)有什么結(jié)果，為什么？解:由K' =

7、99.75山 K'= SP（-備）# = 74 X10】在 1700°C時(shí)，"=島=> 丈= 999.7由 D2 -= Kt 有 D - 63.2/?加入0.5%MgO時(shí)，會(huì)抑制AI2O3晶粒生長(zhǎng)，抑制現(xiàn)象會(huì)更加明顯，原因是由丁 帖界移動(dòng)時(shí)遇到的雜質(zhì)（MgO）更多，限制了晶粒的生長(zhǎng)。8、晶界遇到夾雜物時(shí)會(huì)出現(xiàn)哪兒種情況，從實(shí)現(xiàn)致密化的冃的考慮，晶界應(yīng)如 何移動(dòng)？怎樣控制？解：晶粒正常長(zhǎng)大時(shí)，如果晶界受到第二相雜質(zhì)的阻礙，其移動(dòng)可能出現(xiàn)三 種情況。（1）晶界能昴較小，晶界移動(dòng)被雜質(zhì)或氣孔所阻擋，晶粒正常長(zhǎng)大停止。(2) 晶界具有一定的能量，晶界帶動(dòng)雜質(zhì)或氣孔繼續(xù)

8、移動(dòng)，這時(shí)氣孔利用晶界 的快速通道排除，坯體不斷致密。(3) 晶界能量大，晶界越過(guò)雜質(zhì)或氣扎，把氣孔包裹在晶粒內(nèi)部。由丁氣孔脫 離晶界，再不能利用晶界這樣的快速通道排除，使燒結(jié)停止，致密度不再增加， 這將出現(xiàn)二次再結(jié)晶現(xiàn)象。從實(shí)現(xiàn)致密化目的考慮，晶界應(yīng)按第二種情況移動(dòng)，控制晶界的能鼠以增加致密 度。9、在燒結(jié)時(shí)，晶粒生長(zhǎng)能促進(jìn)坯體致密化嗎？晶粒生長(zhǎng)會(huì)影響燒結(jié)速率嗎？試 說(shuō)明之。解：在燒結(jié)時(shí)，晶粒生長(zhǎng)能促進(jìn)坯體的致密化。在燒結(jié)中、后期，細(xì)小晶粒 逐漸長(zhǎng)大，而晶粒的長(zhǎng)大過(guò)程是另一部分晶粒的縮小或消失過(guò)程，其結(jié)果是平均 晶粒尺寸增大。晶粒長(zhǎng)大不是晶粒的相互粘接，而是晶界移動(dòng)的結(jié)果。推動(dòng)晶粒 長(zhǎng)大的是

9、晶界的H由能，隨著晶粒的長(zhǎng)大，使界而而積減小，從而促進(jìn)坯體致密 化。10、為了減小燒結(jié)收縮，可把H徑為lgm的細(xì)顆粒(約30%)和H徑為50pm 的粗顆粒進(jìn)行充分混合，試問(wèn)此壓塊的收縮速率如何？如將lgm和50gm以及 兩種粒徑混介料制成的燒結(jié)體log(AUL)的logt曲線分別繪在適當(dāng)位置，將得 出什么結(jié)果？里竺oc嚴(yán)解：燒結(jié)收縮有：厶彳(1)7 KRT )八(2)2 比較式(1)和式(2)是可見(jiàn)，在初期的重排階段，相對(duì)收縮近似地和時(shí)間的2lg()次方成比例，說(shuō)明致密化速度減慢了，若將式(1)和式(2)以 - 對(duì)1航作圖，則曲線斜率分別接近丁刁和1。各曲線可明顯的分為三段，初期斜率接近1I,

10、 中期粗略的接近T-3,至丁后期，曲線十分的平坦，說(shuō)明在后期致密化速度減 慢了。II、影響燒結(jié)的因索有哪些？垠易控制的因索是哪兒個(gè)？解：（1）粉末的粒度。細(xì)賴(lài)粒增加了燒結(jié)推動(dòng)力，縮短原子擴(kuò)散距離，提 高顆粒在液相中的溶解度，從而導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程的加速。（2）外加劑的作用。在固相燒結(jié)屮，有少暈外加劑可與主晶相形成固溶體，促 進(jìn)缺陷增加，在液相燒結(jié)中，外加劑改變液相的性質(zhì)（如粘度，組成等），促進(jìn) 燒結(jié)。（3）燒結(jié)溫度：晶體中晶格能越大，離子結(jié)介也越牢固，離子擴(kuò)散也越困難， 燒結(jié)溫度越高。保溫時(shí)間：高溫段以體積擴(kuò)散為主，以短時(shí)間為好，低溫段為 表而擴(kuò)散為主，低溫時(shí)間越長(zhǎng)，不僅不引起致密化，反而會(huì)因表面擴(kuò)

11、散，改變了 氣幾的形狀而給制品性能帶來(lái)?yè)p害，耍盡可能快地從低溫升到尚溫，以創(chuàng)造體積 擴(kuò)散條件。（4）鹽類(lèi)的選擇及其鍛燒時(shí)條件的影響：鹽類(lèi)的選擇：用能夠生成粒度小、晶 格常數(shù)較大、微晶較小、結(jié)構(gòu)松弛的MgO的原料鹽來(lái)獲得活性MgO,其燒結(jié)活 性良好。鍛燒時(shí)條件：鍛燒溫度愈高，燒結(jié)活性愈低的原因是由丁"MgO的結(jié)晶 良好，活化能增高所造成的。（5）氣氛的影響：氧化，還原，中性。（6）成形圧力影響：一般說(shuō)成型壓力越大顆粒間接觸越緊密，對(duì)燒結(jié)越有利。 除上述六點(diǎn)以外，還有生坯內(nèi)粉料的堆積程度、加速熱度、保溫時(shí)間、粉料的粒 度分布等。12、I古I相燒結(jié)與液相燒結(jié)有何異同點(diǎn)？液相燒結(jié)有哪些類(lèi)熨，

12、各有何特點(diǎn)？解：固態(tài)燒結(jié)：沒(méi)有液相參與，完全是由固體顆粒么間的高溫固結(jié)過(guò)程； 液相燒結(jié)：凡有液相參加的燒結(jié)過(guò)程。粉末中總含有少量雜質(zhì)，因而大多數(shù)材料 中都會(huì)或多或少出現(xiàn)液相。液相燒結(jié)與固相燒結(jié) 共同點(diǎn)：推動(dòng)力（能最差）、燒結(jié)過(guò)程（顆粒重排、氣孔 填充、晶粒生長(zhǎng)等）：異同點(diǎn)：流動(dòng)傳質(zhì)速率比擴(kuò)散傳質(zhì)快，致密化速率禹，液相燒結(jié)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。液相傳質(zhì)機(jī)理：流動(dòng)傳質(zhì)機(jī)理：流動(dòng)并引起顆粒亜排，致密化速率高溶解一沉淀傳質(zhì)機(jī)理：溶解沉淀，傳質(zhì)同時(shí)乂是晶粒生長(zhǎng)13、試比較各種傳質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生的原因、條件、特點(diǎn)和工藝控制要素。傳質(zhì) 方式蒸發(fā)凝聚擴(kuò)散流動(dòng)溶解-沉淀原因壓力差空位濃度差應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)芙舛葪l件4P>10 1Pa r<10 u