單一陶瓷粉體的燒結(jié)常常屬于典型的固相燒結(jié),即在燒結(jié)過(guò)程中沒(méi)有液相的形成,陶瓷坯體致密化主要是通過(guò)蒸發(fā)和凝聚、擴(kuò)散傳質(zhì)等傳質(zhì)方式實(shí)現(xiàn)的。
蒸發(fā)一凝聚的傳質(zhì)方式一般僅僅在高溫下蒸氣壓較大的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行,如氧化鋯、氧化鈹和氧化鐵的燒結(jié),燒結(jié)體中顆粒的頸部增長(zhǎng)只在開(kāi)始時(shí)比較顯著,隨著燒結(jié)的進(jìn)行,頸部增長(zhǎng)很快就停止了。因此對(duì)這類(lèi)傳質(zhì)過(guò)程用延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間不能達(dá)到促進(jìn)燒結(jié)的效果。從工藝控制角度考慮,兩個(gè)重要的變量是原始粉料起始粒度和燒結(jié)溫度。粉末的起始粒度愈小,燒結(jié)速率愈大。由于飽和蒸氣壓隨溫度而呈指數(shù)地增加,因而提高溫度對(duì)燒結(jié)有利。蒸發(fā)一凝聚的傳質(zhì)方式需要產(chǎn)生足夠高的蒸氣壓,一般陶瓷材料在燒結(jié)溫度附近往往滿足不了這一要求,因此單純通過(guò)蒸發(fā)一凝聚的傳質(zhì)方式實(shí)現(xiàn)陶瓷制品的燒結(jié)并不多見(jiàn)。
對(duì)于進(jìn)行固相燒結(jié)的陶瓷材料,由于高溫下蒸氣壓低,此時(shí)往往固體內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)的方式更為重要。擴(kuò)散傳質(zhì)的推動(dòng)力是作用在陶瓷顆粒頸部的張應(yīng)力。由于顆粒頸部及接觸區(qū)域作用力的不同(頸部為張應(yīng)力,接觸區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力.導(dǎo)致顆粒中空位的濃度在不同的區(qū)域產(chǎn)生差異,一般是頸部的空位濃度最大,顆粒內(nèi)部次之,顆粒接觸部位則最小。這樣空位便從頸部向接觸部位傳輸。固體質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散方向與空位的擴(kuò)散是相反的,從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)向頷部擴(kuò)散、逐步排除氣孔的致密化過(guò)程。對(duì)以擴(kuò)散傳質(zhì)為主的固相燒結(jié),從工藝角度考慮需要控制的主要變量如下。
①燒結(jié)時(shí)間。擴(kuò)散傳質(zhì)的致密化速率隨時(shí)間增長(zhǎng)而穩(wěn)定下降,并產(chǎn)生一個(gè)明顯的終點(diǎn)密度。從擴(kuò)散傳質(zhì)機(jī)理可知,隨頸部擴(kuò)大,曲率半徑增大,傳質(zhì)的推動(dòng)力——空位濃度差逐漸減小。因此以擴(kuò)散傳質(zhì)為主要傳質(zhì)手段的燒結(jié),用延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間來(lái)達(dá)到坯體致密化的目的是不妥當(dāng)?shù)?,?duì)這一類(lèi)燒結(jié)宜采用較短的保溫時(shí)間。
②原料的起始粒度。大顆粒原料在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)也不能充分燒結(jié),而小顆粒原料在同樣時(shí)間內(nèi)致密化速率很高。
③溫度對(duì)燒結(jié)過(guò)程有決定性的作用。升高溫度,固相擴(kuò)散系數(shù)明顯增大,將會(huì)加快燒結(jié)。
固相燒結(jié)雖然可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)陶瓷成型坯體的燒結(jié),但是如上所述,燒結(jié)體中總是存在一定的孔隙率,無(wú)法獲得完全致密或接近完全致密的燒結(jié)體,因此固相燒結(jié)的方式在陶瓷燒結(jié)中并不常見(jiàn)。事實(shí)上,由于實(shí)際陶瓷粉體中含有少量雜質(zhì),或者高溫下出現(xiàn)的“接觸”熔融現(xiàn)象,大多數(shù)陶瓷坯體在燒結(jié)過(guò)程中都會(huì)或多或少地出現(xiàn)液相。因此,純粹的固相燒結(jié)不易實(shí)現(xiàn),取而代之的是液相燒結(jié)在先進(jìn)陶瓷材料的制造過(guò)程中應(yīng)用廣泛。
蒸發(fā)一凝聚的傳質(zhì)方式一般僅僅在高溫下蒸氣壓較大的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行,如氧化鋯、氧化鈹和氧化鐵的燒結(jié),燒結(jié)體中顆粒的頸部增長(zhǎng)只在開(kāi)始時(shí)比較顯著,隨著燒結(jié)的進(jìn)行,頸部增長(zhǎng)很快就停止了。因此對(duì)這類(lèi)傳質(zhì)過(guò)程用延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間不能達(dá)到促進(jìn)燒結(jié)的效果。從工藝控制角度考慮,兩個(gè)重要的變量是原始粉料起始粒度和燒結(jié)溫度。粉末的起始粒度愈小,燒結(jié)速率愈大。由于飽和蒸氣壓隨溫度而呈指數(shù)地增加,因而提高溫度對(duì)燒結(jié)有利。蒸發(fā)一凝聚的傳質(zhì)方式需要產(chǎn)生足夠高的蒸氣壓,一般陶瓷材料在燒結(jié)溫度附近往往滿足不了這一要求,因此單純通過(guò)蒸發(fā)一凝聚的傳質(zhì)方式實(shí)現(xiàn)陶瓷制品的燒結(jié)并不多見(jiàn)。
對(duì)于進(jìn)行固相燒結(jié)的陶瓷材料,由于高溫下蒸氣壓低,此時(shí)往往固體內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)的方式更為重要。擴(kuò)散傳質(zhì)的推動(dòng)力是作用在陶瓷顆粒頸部的張應(yīng)力。由于顆粒頸部及接觸區(qū)域作用力的不同(頸部為張應(yīng)力,接觸區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力.導(dǎo)致顆粒中空位的濃度在不同的區(qū)域產(chǎn)生差異,一般是頸部的空位濃度最大,顆粒內(nèi)部次之,顆粒接觸部位則最小。這樣空位便從頸部向接觸部位傳輸。固體質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散方向與空位的擴(kuò)散是相反的,從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)向頷部擴(kuò)散、逐步排除氣孔的致密化過(guò)程。對(duì)以擴(kuò)散傳質(zhì)為主的固相燒結(jié),從工藝角度考慮需要控制的主要變量如下。
①燒結(jié)時(shí)間。擴(kuò)散傳質(zhì)的致密化速率隨時(shí)間增長(zhǎng)而穩(wěn)定下降,并產(chǎn)生一個(gè)明顯的終點(diǎn)密度。從擴(kuò)散傳質(zhì)機(jī)理可知,隨頸部擴(kuò)大,曲率半徑增大,傳質(zhì)的推動(dòng)力——空位濃度差逐漸減小。因此以擴(kuò)散傳質(zhì)為主要傳質(zhì)手段的燒結(jié),用延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間來(lái)達(dá)到坯體致密化的目的是不妥當(dāng)?shù)?,?duì)這一類(lèi)燒結(jié)宜采用較短的保溫時(shí)間。
②原料的起始粒度。大顆粒原料在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)也不能充分燒結(jié),而小顆粒原料在同樣時(shí)間內(nèi)致密化速率很高。
③溫度對(duì)燒結(jié)過(guò)程有決定性的作用。升高溫度,固相擴(kuò)散系數(shù)明顯增大,將會(huì)加快燒結(jié)。
固相燒結(jié)雖然可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)陶瓷成型坯體的燒結(jié),但是如上所述,燒結(jié)體中總是存在一定的孔隙率,無(wú)法獲得完全致密或接近完全致密的燒結(jié)體,因此固相燒結(jié)的方式在陶瓷燒結(jié)中并不常見(jiàn)。事實(shí)上,由于實(shí)際陶瓷粉體中含有少量雜質(zhì),或者高溫下出現(xiàn)的“接觸”熔融現(xiàn)象,大多數(shù)陶瓷坯體在燒結(jié)過(guò)程中都會(huì)或多或少地出現(xiàn)液相。因此,純粹的固相燒結(jié)不易實(shí)現(xiàn),取而代之的是液相燒結(jié)在先進(jìn)陶瓷材料的制造過(guò)程中應(yīng)用廣泛。
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本文“陶瓷固相燒結(jié)介紹”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時(shí)間:2015-03-21 23:27:48
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