9.2 The driving forces and models of sintering在线视频

同学们好，

这节课我们学习烧结推动力及模型。

这节课我们学习烧结推动力及模型。

这节课我们学习烧结推动力及模型。

首先我们来了解一下烧结过程。

首先我们来了解一下烧结过程。

首先我们来了解一下烧结过程。

如图所示是粉状成型体的烧结过程示意图，

如图所示是粉状成型体的烧结过程示意图，

可以看出从粉状物料到最终完成烧结要经过三个阶段，

可以看出从粉状物料到最终完成烧结要经过三个阶段，

可以看出从粉状物料到最终完成烧结要经过三个阶段，

烧结初期，烧结中期以及烧结后期。

烧结初期，烧结中期以及烧结后期。

烧结初期，烧结中期以及烧结后期。

在烧结初期，可以看到坯体中，

在烧结初期，可以看到坯体中，

颗粒发生重排，

颗粒发生重排，

颗粒发生重排，

颗粒间接触以点接触为主，

颗粒间接触以点接触为主，

颗粒间接触以点接触为主，

并且接触处发生键合，

并且接触处发生键合，

并且接触处发生键合，

气孔发生变形、缩小，

气孔发生变形、缩小，

气孔发生变形、缩小，

大气孔消失，

大气孔消失，

大气孔消失，

且固体颗粒和气体之间的总表面积变化不大。

且固体颗粒和气体之间的总表面积变化不大。

且固体颗粒和气体之间的总表面积变化不大。

在烧结中期，开始传质，

在烧结中期，开始传质，

在烧结中期，开始传质，

粒界开始增大，

粒界开始增大，

粒界开始增大，

气孔会进一步变形、缩小，

气孔会进一步变形、缩小，

气孔会进一步变形、缩小，

但此时气孔仍处于连通状态，形如隧道。

但此时气孔仍处于连通状态，形如隧道。

但此时气孔仍处于连通状态，形如隧道。

在烧结末期，传质继续进行，

在烧结末期传质继续进行

在烧结末期，传质继续进行，

晶粒长大，

晶粒长大，

晶粒长大，

气孔留在晶粒内部变成孤立的闭气孔，

气孔留在晶粒内部变成孤立的闭气孔，

气孔留在晶粒内部变成孤立的闭气孔，

此时密度可以达到95%以上，

此时密度可以达到95%以上，

此时密度可以达到95%以上，

同时强度等力学性能也会提高。

同时强度等力学性能也会提高。

同时强度等力学性能也会提高。

如图所示是铁粉烧结的扫描电镜照片

如图所示是铁粉烧结的扫描电镜照片，

如图所示是铁粉烧结的扫描电镜照片，

可以看出烧结初期，

可以看出烧结初期，

可以看出烧结初期，

颗粒与颗粒之间是点接触为主，

颗粒与颗粒之间是点接触为主，

到烧结后期呢致密度大幅度提高，

晶粒长大。

晶粒长大。

晶粒长大。

那么烧结过程能够进行的推动力是什么呢？

那么烧结过程能够进行的推动力是什么呢？

那么烧结过程能够进行的推动力是什么呢？

烧结原始粉体颗粒尺寸通常很小，

烧结原始粉体颗粒尺寸通常很小，

烧结原始粉体颗粒尺寸通常很小，

比表面积很大，

比表面积很大，

比表面积很大，

因此具有较高的表面能，

因此具有较高的表面能

因此具有较高的表面能，

即使在压制成型的坯体中，

即使在压制成型的坯体中，

颗粒间的接触面积也非常小，

颗粒间的接触面积也非常小，

颗粒间的接触面积也非常小，

同样处于高能量状态。

同样处于高能量状态。

那么根据最低能量原理，

那么根据最低能量原理，

那么根据最低能量原理，

它将自发地向最低能量状态变化，

它将自发地向最低能量状态变化，

它将自发地向最低能量状态变化，

使系统的表面能减少。

使系统的表面能减少。

使系统的表面能减少。

因此，烧结的第一个推动力可以认为是，

因此，烧结的第一个推动力可以认为是，

粉状物料的表面能和多晶烧结体的晶界能之间的差值，

粉状物料的表面能和多晶烧结体的晶界能之间的差值，

也就是能量差。

也就是能量差。

也就是能量差。

既然粉状物料的表面能大于多晶烧结体的界面能，

既然粉状物料的表面能大于多晶烧结体的界面能，

那么烧结能否自发进行呢？

那么烧结能否自发进行呢？

那么烧结能否自发进行呢？

答案是否定的。

答案是否定的。

因为这个能量差非常小，

因为这个能量差非常小，

因为这个能量差非常小，

不足以推动烧结的进行。

不足以推动烧结的进行。

不足以推动烧结的进行。

比如说1g粒径为1 μm的粉末进行烧结，

比如说1g粒径为1 μm的粉末进行烧结，

比如说1g粒径为1 μm的粉末进行烧结，

那它的能量差大概是一卡，

那它的能量差大概是一卡，

远远低于晶型转变、化学反应等过程产生的自由能差，

远远低于晶型转变、化学反应等过程产生的自由能差，

远远低于晶型转变、化学反应等过程产生的自由能差，

远远低于晶型转变、化学反应等过程产生的自由能差，

远远低于晶型转变、化学反应等过程产生的自由能差，

远远低于晶型转变、化学反应等过程产生的自由能差，

所以说烧结不能自发进行。

所以说烧结不能自发进行。

所以说烧结不能自发进行。

还必须施加以外界条件，比如说进行加热。

还必须施加以外界条件，比如说进行加热。

根据能量差的大小，

根据能量差的大小，

可以判断烧结的难易程度，

可以判断烧结的难易程度，

通常根据（γGB/γSV）值的大小来判断，

通常根据（γGB/γSV）值的大小来判断，

通常根据（γGB/γSV）值的大小来判断，

（γGB/γSV）值越小，

（γGB/γSV）值越小，

（γGB/γSV）值越小，

越容易烧结。

越容易烧结。

越容易烧结。

反之呢，就越难烧结。

反之呢，就越难烧结。

比如，对于氧化铝两个能量之间的差别比较大，

比如，对于氧化铝两个能量之间的差别比较大，

它就容易烧结。

它就容易烧结。

它就容易烧结。

但是对于一些共价化合物，

但是对于一些共价化合物，

但是对于一些共价化合物，

如Si3N4、SiC、AlN等，

如Si3N4、SiC、AlN等，

就比较难烧结。

就比较难烧结。

就比较难烧结。

烧结的第2个推动力我们用压力差来表示。

烧结的第2个推动力我们用压力差来表示。

烧结的第2个推动力我们用压力差来表示。

颗粒紧密堆积之后，

颗粒紧密堆积之后，

由于烧结中产生的液相表面张力的作用，

由于烧结中产生的液相表面张力的作用，

在这些颗粒弯曲的表面上产生压力差。

在这些颗粒弯曲的表面上产生压力差。

在这些颗粒弯曲的表面上产生压力差。

当烧结粉体的颗粒是半径为r的球形时，

当烧结粉体的颗粒是半径为r的球形时，

当烧结粉体的颗粒是半径为r的球形时，

压力差可以用 △P=2γ/r来表示。

压力差可以用 △P=2γ/r来表示。

压力差可以用 △P=2γ/r来表示。

对于非球形颗粒，

对于非球形颗粒，

对于非球形颗粒，

压力差可以表示为 △P=γ（1/r1+1/r2）。

压力差可以表示为 △P=γ（1/r1+1/r2）。

压力差可以表示为 △P=γ（1/r1+1/r2）。

式中r1和r2代表两个主曲率。

式中r1和r2代表两个主曲率。

式中r1和r2代表两个主曲率。

可以看出，粉料越细，

可以看出，粉料越细，

可以看出，粉料越细，

由曲律而引起的压力差越大，

由曲律而引起的压力差越大，

由曲律而引起的压力差越大，

烧结推动力也就越大，

烧结推动力也就越大，

烧结推动力也就越大，

越容易烧结致密。

越容易烧结致密。

越容易烧结致密。

第3个推动力是空位浓度差。

第3个推动力是空位浓度差。

第3个推动力是空位浓度差。

这主要是由于，

这主要是由于，

颗粒表面和颗粒内部空位浓度存在不同。

颗粒表面和颗粒内部空位浓度存在不同。

颗粒表面和颗粒内部空位浓度存在不同。

颗粒表面的空位浓度比较大，

颗粒表面的空位浓度比较大，

颗粒表面的空位浓度比较大，

质点在表面容易传质和烧结。

质点在表面容易传质和烧结。

质点在表面容易传质和烧结。

这是空位浓度差的表达式 △C=（γδ^3/ρKT）C。。

这是空位浓度差的表达式 △C=（γδ^3/ρKT）C。。

可以看出，温度越高，

可以看出，温度越高，

可以看出，温度越高，

空位浓度差值也就越大。

空位浓度差值也就越大。

综上，能量差，压力差以及空位浓度差

综上，能量差，压力差以及空位浓度差

就是烧结的三个推动力，

就是烧结的三个推动力，

就是烧结的三个推动力，

其中，能量差是最主要的。

其中，能量差是最主要的。

推动力如何推动烧结过程？

推动力如何推动烧结过程？

推动力如何推动烧结过程？

烧结机理怎么解释呢？

烧结机理怎么解释呢？

烧结机理怎么解释呢？

我们用到的烧结模型如图所示，

我们用到的烧结模型如图所示，

我们用到的烧结模型如图所示，

1945年以前主要是以粉体压块为主，

1945年以前主要是以粉体压块为主，

1945年以前主要是以粉体压块为主，

1945年之后，以库津斯基提出的双球模型为主。

1945年之后，以库津斯基提出的双球模型为主。

1945年之后，以库津斯基提出的双球模型为主。

我们现在来认识一下双球模型，

我们现在来认识一下双球模型，

我们现在来认识一下双球模型，

及重要的一些参数。

及重要的一些参数。

模型由两个半径为r的球形颗粒组成，

模型由两个半径为r的球形颗粒组成，

模型由两个半径为r的球形颗粒组成，

它们接触颈部的曲率半径是ρ，

它们接触颈部的曲率半径是ρ，

它们接触颈部的曲率半径是ρ，

接触颈部的半径是x，

接触颈部的半径是x，

接触颈部的半径是x，

这三者之间存在这样的一个关系式 ρ=x^2/2r ，

这三者之间存在这样的一个关系式 ρ=x^2/2r ，

这三者之间存在这样的一个关系式 ρ=x^2/2r ，

此时接触颈部的体积为 V=πx^4/2r

此时接触颈部的体积为 V=πx^4/2r

双球模型最大的特点就是，

双球模型最大的特点就是，

双球模型最大的特点就是，

中心距L始终保持不变，

中心距L始终保持不变，

这意味着坯体不发生收缩,

这意味着坯体不发生收缩,

这意味着坯体不发生收缩,

它适用于我们即将要学习的蒸发-凝聚传质过程；

它适用于我们即将要学习的蒸发-凝聚传质过程；

它适用于我们即将要学习的蒸发-凝聚传质过程；

如果双球模型中颗粒中心距缩短，

如果双球模型中颗粒中心距缩短，

如果双球模型中颗粒中心距缩短，

此时变成颈部模型，

同样这些参数间也存在着以下关系， ρ=x^2/4r 、A=π^2x^3/2r、V=πx^4/4r

同样这些参数间也存在着以下关系， ρ=x^2/4r 、A=π^2x^3/2r、V=πx^4/4r

同样这些参数间也存在着以下关系， ρ=x^2/4r 、A=π^2x^3/2r、V=πx^4/4r

它和双球模型相比，

它和双球模型相比，

它和双球模型相比，

随着接触颈部面积的增大，

随着接触颈部面积的增大，

随着接触颈部面积的增大，

中心距L是逐渐缩短的，

中心距L是逐渐缩短的，

中心距L是逐渐缩短的，

此时坯体会发生相应的收缩，

此时坯体会发生相应的收缩，

这个模型主要适用于扩散传质。

这个模型主要适用于扩散传质。

这个模型主要适用于扩散传质。