烧结 sintering 通过加热使粉体产生颗粒粘结，经过物质的迁移使粉体产生强度并导致致密化和再结晶的过程。烧结是粉末冶金、陶瓷、耐火材料等的一种重要的工艺过程。目的是把粉状物料转变成产品致密体，起显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成。烧结过程直接影响显微结构中晶粒尺寸和分布、气孔尺寸和分布以及晶体体积分数等参数。目前常用晶界能γ_GB和表面能γ_s之比值来衡量烧结的难易程度，其值越小越容易烧结。例如氧化铝的表面能约为1J/m²，而晶界能为0.4J/m²，两者相差较大，比较容易烧结。一些共价材料如Si₃N₄、SiC、AlN等，它们的比值较高，烧结驱动力小而不易烧结。由于烧结过程中出现体积收缩，致密度提高和强度增加，因此烧结程度可以用坯体收缩率、气孔率、吸水率或烧结体密度与理论密度之比（相对密度）等指标来衡量。

烧结动力学 kinetics of sintering 主要研究烧结过程中各种量之间的动力学关系。由于烧结机理的复杂性，迄今没有一个普遍适用的动力学关系。现仅从各种烧结机理出发提出模型，分别建立动力学方程。将粉体颗粒简化为等径球体，这些球体在成型体中趋于紧密排列。随着烧结的进行，等径球体的接触点处开始形成颈部并逐渐扩大。通常采用两个等径球或球与平面作为模型，从一个接触点的颈部生长速度来近似描述整个成型体的烧结动力学关系，可用收缩率或密度值来度量烧结程度。对于双球模型而言，烧结收缩是随着颈部长大、双球间距离缩短引起的，这时的物质迁移等于颈部的体积增长，据此可以分别推导出各种传质机理的动力学方程。但以上模型对于烧结初期一般是适用的，随着烧结的继续，球形颗粒将会变形，因此在烧结中后期应采取其它形式的模型。

烧结驱动力 driving force of sintering 烧结过程中推动物质传递和迁移从而实现致密化过程的动力，主要由颗粒的表面能提供。在成型体中，粉末颗粒尺寸很小，具有较高的表面能，颗粒间接触面积也很小，伴随有大量的气－固表面，总表面积很大且处于较高的能量状态，在烧结过程中将自发的向{zd1}能量状态变化，原来的气－固界面逐渐生成能量较低的固－固界面。系统表面能的降低是推动烧结进行的基本动力。具体表现为表面张力通过流动、扩散和液相或气相传递等方式推动物质迁移，过程中自有能下降以表面能下降的形式来表现。烧结驱动力的大小由表面张力和颗粒大小、凹凸等因素决定。例如，一定温度下表面张力对不同曲率半径的弯曲表面上蒸气压的影响可由ln P/P₀ = Mν/Drt[(1/γ₁)+( (1/γ₂)]来计算，其中γ₁、γ₂为曲面的二曲率半径，P₀为平面处的蒸气压，P为所计算曲面的蒸气压，ν为表面张力，M、d、T、R分别为分子量、密度、{jd1}温度和气体常数。

固相烧结理论 silid state sintering 没有液相存在的固态物质间的烧结。对于不同的烧结机理，具有不同的动力学规律，但烧结过程中的扩散传质是最重要的。在烧结初期，颗粒与颈部形状未发生明显的变化，线收缩率小于6％，质点从颗粒间界扩散到颈部表面，空位反向扩散到界面上消失，收缩率（Δl/l₀）q正比于rst，其中Δl和l₀分别为长度变化和原始长度，r和t为初始颗粒尺寸和长度，q、s是常数，取决于不同的扩散机制和烧结机理。实际情况中经常是几种机制同时起作用，但往往有一种机理起主导作用。在高温下有较大蒸气压的物料则可能受蒸发－冷凝机制控制，有不同的动力学关系。而在烧结中期颗粒接触处形成一定尺寸的颈部，使球形颗粒变成了多面体，空隙形式也随之变化。根据Coble提出的有空隙的多面体简化模型得到，在体积扩散机制下P_c正比于（t_f-t），P_c为空隙率，t_f为空隙xx消失所需的时间；对于界面扩散有P_c正比于t^2/3，而烧结后期，由于多数空隙已变成孤立的闭气孔，当温度和颗粒尺寸不变时，气孔率随烧结温度线性减少。

液相烧结理论 liquid state sintering 液相烧结时坯体致密化是在液体参与下完成的。若液相粘度不太大，并能润湿和溶解固相，可以通过溶解－沉淀机理导致致密化和晶粒长大；若液相是高粘度的玻璃溶体，则易通过粘性流动而达到烧结。这二种机制的动力学关系是不同的，但又难于截然分开。Kingery推导了有液相存在时烧结的致密化方程，认为液相的表面能是导致致密化的推动力。首先是重排过程，在液相存在的条件下毛细管压力使固体粒子表面趋向于最密堆积。这个过程类似于粘滞流动的过程，有Δl/l₀～t^1+y，Δl和l₀分别为长度变化和原始长度，t为时间，y为小于1的常数。一旦重排完成，密堆积的固体粒子由液体薄膜分隔开来，在颗粒接触处的溶解度是大于固体其它表面的溶解度的，这样物质从接触点迁移出来，从而使颗粒间中心－中心距离缩短发生致密化，致密化速率取决于物质从接触面扩散出来的速率，烧结收缩Δl/l₀～r^-4/3t^1/3，其中r、t分别为原始颗粒半径和时间。而对于粘性流动机理，在烧结初期，烧结收缩Δl/l₀～t，在烧结中后期，由于闭气孔的出现，动力学条件改变，但机理不变。

反应烧结 reactive sintering 起始原料的成型体在一定温度下通过固相、液相和气相相互间发生化学反应，同时进行致密化和规定组分的合成，得到所需要的烧结体的过程。特点是：（1）制品在烧结前后几乎没有尺寸收缩。采用各种陶瓷成型工艺，能制得各种形状复杂的烧结体；（2）反应烧结的温度比其它烧结方法要低；（3）反应烧结能够制得与素坯形状、尺寸相同的烧结体；（4）按照工艺要求加入的添加剂不进入晶界，由各个结晶体以原子级直接结合，所以不存在烧结体随温度升高晶界软化使高温性能降低的现象。

气氛加压烧结 atmosphere-pressure sintering 在加压氮气或惰性气氛下，经高温烧结获取致密、形状复杂的烧结体的方法。目前主要用于氮化硅的烧结。反应烧结难以得到致密材料，而热压烧结又不能制出形状复杂的烧结体，无压烧结法虽可制取致密且形状复杂的氮化硅烧结体，但在0.1MPa氮气氛和1650oC的烧结温度下，氮化硅会分解为硅和氮气，所以必须加大量的添加剂。气氛加压烧结时，先将氮化硅粉末与少量烧结添加剂（3～10％的MgO、Y₂O₃、稀土金属氧化物）均匀混合，成型后置于1800～2100oC的加压气氛中烧结。高压可抑制氮化硅粉体的分解反应，促进扩散，从而可制取形状复杂的致密烧结体。可制造陶瓷活塞顶、用于无水冷陶瓷发动机，以代替金属材料。

重烧结法 resintering method 以反应烧结材料为前驱材料，经高温烧结制成致密、复杂形状烧结体的方法。分二步进行：（1）先制成形状复杂、还有烧结助剂的反应烧结制品作为重烧结的前驱材料；（2）重烧结。例如，将理论密度80％的反应烧结氮化硅埋入以氮化硅为主要成分的埋粉中，然后在常压或气氛加压条件下，于1800～2100oC高温重烧结。烧结过程中，烧结助剂生成液相，使经过反应烧结的坯体进一步致密化。陶瓷重烧结工艺兼有反应烧结和热压烧结两种方法的优点，可达到较高的致密度，克服了无压烧结的不足，有较低的线收缩（约为6％左右），能制备高精度，形状复杂的制品。已制成了形状复杂的发动机用陶瓷部件，如燃汽轮机的定子和径向转子，柴油机涡流室镶块、陶瓷活塞顶等，代替金属部件。

高温等静压烧结 hot isostatic pressing sintering 陶瓷粉末、素坯或烧结体在加热过程中经受各向均衡的气体压力，在高温和高压的共同作用下使其烧结的工艺方法，简称HIP，或称Hipping，Hipped。又称热等静压烧结。与传统的无压烧结和热压烧结相比，采用高温等静压工艺不仅可降低烧结温度、缩短烧结时间而且可在无烧结添加剂条件下制备出显微结构均匀且不含气孔的xx致密材料。由高温等静压工艺烧结的材料，具有强度高、韧性好和韦伯模数大的优点。高温等静压烧结有两种方式：（1）由粉体或素坯直接制取致密的、复杂形状的烧结体。这种方式的关键是根据不同的材料选用不同的包套。对于氧化物陶瓷，可采用低碳钢或不锈钢作为包套材料；对于非氧化物陶瓷，因烧结温度高，通常采用高熔点钨、钼或石英玻璃作为包套材料，石英玻璃易于成形，适于直接制备成复杂形状、焊缝不易开裂以及冷却过程中又易与制品分离，所以是最合适的包套材料。（2）先将素坯烧结，成为基本不含开口气孔的烧结体（密度大于理论密度的92％），然后进行高温等静压后处理，进一步提高材料的密度、强度、断裂韧性和韦伯尔模数。高温等静压烧结过程，最常用的压力介质是氩气、氮气、氧气以及他们的混合气。如Si­₃N₄、SiC等非氧化物陶瓷，可以用氩气、氮气或氩气与氮气的混合气体作为压力介质；对于Al₂O₃、ZrO₂等氧化物陶瓷，则可用氩气、氧气或氩气与氧气的混合气体作为压力介质。

参考文献：师昌绪. 材料大辞典.北京：化学工业出版社，1994

这篇文章发布于 2010年07月12日，星期一，11:20，归类于 。 您可以留下评论，或者从您的站点