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1、第一篇第一篇 结构与性质结构与性质第一章第一章 晶体学基础晶体学基础第二章第二章 晶体结构晶体结构第三章第三章 晶体结构缺陷晶体结构缺陷第四章第四章 非晶态结构非晶态结构第二篇第二篇热力学平衡热力学平衡第五章第五章 相平衡和相图相平衡和相图第三篇第三篇动力学过程动力学过程第六章第六章 固体中的扩散固体中的扩散第七章第七章 材料中的相变材料中的相变第八章第八章 材料制备中的固态反应材料制备中的固态反应第九章第九章 材料的烧结材料的烧结Fundamentals of Materials Science为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图
2、书室育人功能 烧结过程是一门古老的工艺，现在已在许多工业部烧结过程是一门古老的工艺，现在已在许多工业部门得到广泛应用，如陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高门得到广泛应用，如陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料等生产过程中都含有烧结过程，其温材料等生产过程中都含有烧结过程，其目的是把粉状目的是把粉状材料转变为致密体材料转变为致密体。烧结科学是研究物质在烧结过程中的各种物理化学烧结科学是研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化，对指导生产、控制产品质量、研制新型材料都有变化，对指导生产、控制产品质量、研制新型材料都有着特别重要的意义。着特别重要的意义。9.1 9.1 概述概述9.2 9.2 烧结过程及其
3、机理烧结过程及其机理9.3 9.3 晶粒生长与二次再结晶晶粒生长与二次再结晶9.4 9.4 影响烧结的因素影响烧结的因素第九章第九章 烧结烧结为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能9.1 9.1 概概 述述 一、烧结的定义一、烧结的定义二、烧结的分类二、烧结的分类三、烧结温度和熔点的关系三、烧结温度和熔点的关系 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 一、烧结的定义一、烧结的定义 压制成型后的粉状物料在低于熔点的高温作用压制成型后的粉状物料在低于熔点的
4、高温作用下、通过坯体间颗粒相互下、通过坯体间颗粒相互粘结粘结和和物质传递物质传递，气，气孔排除，体积收缩，强度提高，变成具有一定孔排除，体积收缩，强度提高，变成具有一定的几何形状和坚固整体的过程。的几何形状和坚固整体的过程。通常用烧结收缩、强度、气孔率等物通常用烧结收缩、强度、气孔率等物理指标来衡量物料烧结质量的好坏理指标来衡量物料烧结质量的好坏。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、烧结分类二、烧结分类 按照按照烧结时是否出现液相烧结时是否出现液相，可将烧结分为两类：，可将烧结分为两类：固相烧结固相烧结液相烧结液相烧
5、结烧结温度下基本上无液相烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化出现的烧结，如高纯氧化物的烧结过程。物的烧结过程。有液相参与下的烧结，如有液相参与下的烧结，如多组分物系在烧结温度下多组分物系在烧结温度下常有液相出现。常有液相出现。近年来，在研制特种结构材料和功能材料的同时，产近年来，在研制特种结构材料和功能材料的同时，产生了一些新型烧结方法。如热压烧结，放电等离子体生了一些新型烧结方法。如热压烧结，放电等离子体烧结，微波烧结等。烧结，微波烧结等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图1 热压烧结炉热压烧结炉为深入学
6、习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图2 放电等离子体烧结炉（放电等离子体烧结炉（SPS）为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图3 气压烧结炉（气压烧结炉（GPS）为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图4 微波烧结炉微波烧结炉为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能三、烧结温度和熔点的关系三、烧结温度和熔点的
7、关系 泰泰曼曼指指出出，纯纯物物质质的的烧烧结结温温度度Ts与与其其溶溶点点Tm有有如如下下近近似似关系：关系：金属粉末金属粉末TsTs（0.30.40.30.4）TmTm无机盐类无机盐类Ts0.57TmTs0.57Tm硅酸盐类硅酸盐类TsTs（0.80.90.80.9）TmTm实验表明，物料开始烧结温度常与其质点开始明显迁移的实验表明，物料开始烧结温度常与其质点开始明显迁移的温度一致。温度一致。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能一、烧结过程一、烧结过程二、烧结的分类二、烧结的分类三、烧结机理三、烧结机理 9.2 9.
8、2 烧结过程及机理烧结过程及机理 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 1、烧结温度对烧结体性质的影响、烧结温度对烧结体性质的影响图图5是新鲜的电解铜粉是新鲜的电解铜粉(用氢还原的用氢还原的)，经高压成型后，在氢气，经高压成型后，在氢气气氛中于不同温度下烧结气氛中于不同温度下烧结2小时然后测其宏观性质：小时然后测其宏观性质：密度、比电密度、比电导、抗拉强度导、抗拉强度，并对温度作图，以考察温度对烧结进程的影响。，并对温度作图，以考察温度对烧结进程的影响。通过烧结体宏观性质随温度变化来认识烧结过程。通过烧结体宏观性质随温度
9、变化来认识烧结过程。一、烧结过程一、烧结过程图图5 烧结温度对烧结体性质的影响烧结温度对烧结体性质的影响1一比电导一比电导 2一抗拉强度一抗拉强度 3一密度一密度为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 结果与讨论结果与讨论：1、随烧结温度升高比电导和抗拉强度增加。2、曲线表明，在颗粒空隙被填充之前(即气孔率显著下降以前，约700度)，颗粒接触处就已产生某种键合，使得电子可以沿着键合的地方传递，故比电导和抗拉强度增大。3、温度继续升高，物质开始向空隙传递，密度增大。当密度达到理论密度的9095后，其增加速度显著减小，且常规条
10、件下很难达到完全致密。说明坯体中的空隙(气孔)完全排除是很难的。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图6 粉状成型体的烧结过程示意图粉状成型体的烧结过程示意图 2、烧结过程的模型示意图、烧结过程的模型示意图为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能a)烧结前烧结前 b)烧结后烧结后图图7 铁粉烧结的铁粉烧结的SEM照片照片为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能烧结过程的三个阶段烧结
11、初期烧结中期烧结后期坯体中颗粒重排，接触处坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩产生键合，空隙变形、缩小小(即大气孔消失即大气孔消失)，固，固-气总表面积没有变化。气总表面积没有变化。传质开始，粒界增大，空传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道。仍然连通，形如隧道。传质继续进行，粒子长大，传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密气孔变成孤立闭气孔，密度达到度达到95%以上，制品强以上，制品强度提高。度提高。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、烧结推动力二、烧结
12、推动力 粉粉体体颗颗料料尺尺寸寸很很小小，比比表表面面积积大大，具具有有较较高高的的表表面面能能，即即使使在在加加压压成成型型体体中中，颗颗料料间间接接面面积积也也很很小小，总总表表面面积积很很大大而而处处于于较较高高能能量量状状态态。根根据据最最低低能能量量原原理理，它它将将自自发发地地向向最最低低能能量量状状态态变变化化，使使系系统统的的表面能减少。表面能减少。烧烧结结是是一一个个自自发发的的不不可可逆逆过过程程，系系统统表表面面能降低能降低是推动烧结进行的基本动力。是推动烧结进行的基本动力。烧结推动力：烧结推动力：粉料物体的表面能大于多晶烧结体的晶界能！粉料物体的表面能大于多晶烧结体的晶
13、界能！为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能表面张力表面张力表面张力表面张力能使凹、凸表面处的蒸气压能使凹、凸表面处的蒸气压P分别低于和高于平面表面分别低于和高于平面表面处的蒸气压处的蒸气压P0，用开尔文公式表述为：，用开尔文公式表述为：对于球形表面对于球形表面（1）对于非球形表面对于非球形表面（2）表表面面凹凹凸凸不不平平的的固固体体颗颗粒粒，其其凸凸处处呈呈正正压压，凹凹处处呈负压，故存在着使物质自凸处向凹处迁移。呈负压，故存在着使物质自凸处向凹处迁移。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全
14、国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能可见，作为烧结动力的表面张力可以通过流动、可见，作为烧结动力的表面张力可以通过流动、扩散和液相或气相传递等方式推动物质的迁移。扩散和液相或气相传递等方式推动物质的迁移。如如果果固固体体在在高高温温下下有有较较高高蒸蒸气气压压，则则可可以以通通过过气气相相导导致致物物质质从从凸凸表表面面向向凹凹表表面面处处传传递递。此此外外若若以以固固体体表表面面的的空空位位浓浓度度C或或固固体体溶溶解解度度L分分别别代代替替式式2中中的的蒸蒸气气压压P，则则对对于于空空位位浓浓度度和和溶溶解解度度也也都都有有类似于式类似于式2的关系，并能推动物质的扩散传递。的关系，
15、并能推动物质的扩散传递。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(一一)颗粒的粘附作用颗粒的粘附作用 把把两两根根新新拉拉制制的的玻玻璃璃纤纤维维相相互互叠叠放放在在一一起起，然然后后沿沿纤纤维维长长度度方方向向轻轻轻轻地地相相互互拉拉过过，即即可可发发现现其其运运动动是是粘粘滞滞的的，这这说说明明两两根根玻玻璃璃纤纤维在接触处产生了粘附作用。维在接触处产生了粘附作用。三、烧结机理三、烧结机理 粘附是固体表面的普遍性质，它起因于固体表面力。粘附是固体表面的普遍性质，它起因于固体表面力。当两个表面靠近到表面力场作用范围时，即发
16、生粘当两个表面靠近到表面力场作用范围时，即发生粘附。粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触附。粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触面积，粉状物料间的粘附作用比较显著。面积，粉状物料间的粘附作用比较显著。粘粘附附作作用用是是烧烧结结初初始始阶阶段段，导导致致粉粉体体颗颗粒粒间间产产生生键键合合、靠靠拢拢和和重重排排，并并开开始始形形成成接接触触区区的的一一个个原原因因。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 图图8 被水膜包裹的两固体球的粘附被水膜包裹的两固体球的粘附 (a)(b)为深入学习习近平新时代中国特色社会主义
17、思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(二二)物质的传递物质的传递 烧结过程中物质传递途径是多样的，相应的机理也各不相同。但烧结过程中物质传递途径是多样的，相应的机理也各不相同。但如上所述，它们都是以表面张力作为动力的，有如上所述，它们都是以表面张力作为动力的，有流动传质流动传质、扩散传、扩散传质质、气相传质、气相传质、溶解、溶解沉淀传质。沉淀传质。1 1流动传质流动传质 在表面张力作用下通过变形、流动引起的物质迁移，包括在表面张力作用下通过变形、流动引起的物质迁移，包括粘性流动粘性流动和和塑性流动塑性流动。粘性流动传质粘性流动传质：在外力场（如：在外力场（如
18、表面张力）作用下质点表面张力）作用下质点(或空位或空位)优先沿此作用力的方向移动，优先沿此作用力的方向移动，呈现定向物质流，迁移量与作呈现定向物质流，迁移量与作用力成比例，服从右面关系：用力成比例，服从右面关系：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能塑塑性性流流动动传传质质：如如果果表表面面张张力力足足以以使使晶晶体体产产生生位位错错，这这时时质质点点通通过过整整排排原原子子的的运运动动或或晶晶面面的的滑滑移移来来实实现现物物质质传传递递，这这种种过过程程称称塑塑性性流流动动。可可见见塑塑性性流流动动是是位位错错运运动动的
19、的结结果果。与与粘粘性性流流动动不不同同，塑塑性性流流动动只只有有当当作作用用力力超超过过固固体体屈屈服服点点时时才才能能产产生生，其其流流动动服服从从宾宾汉汉(Bingham)型物体的流动规律，即：型物体的流动规律，即：式中，式中，是极限剪切力。是极限剪切力。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 2 2 扩散传质扩散传质 质点质点质点质点(或空位或空位或空位或空位)借助于浓度梯度推动而迁移的传质过程借助于浓度梯度推动而迁移的传质过程借助于浓度梯度推动而迁移的传质过程借助于浓度梯度推动而迁移的传质过程 烧烧结结初初期期由
20、由于于粘粘附附作作用用使使粒粒子子间间的的接接触触界界面面逐逐渐渐扩扩大大并并形形成成具具有有负曲率的接触区。在颈部由于曲面特性所引起的应力为负曲率的接触区。在颈部由于曲面特性所引起的应力为p/。大多数固体材料中由于高温下蒸气压低，大多数固体材料中由于高温下蒸气压低，传质更易通过固态内质点扩散进行传质更易通过固态内质点扩散进行p是张应力，是张应力，从颈部表面沿从颈部表面沿半径指向外部半径指向外部在扩散传质中要达到颗粒中心距在扩散传质中要达到颗粒中心距离缩短必须有物质向气孔迁移，离缩短必须有物质向气孔迁移，气孔是空位源，空位进行反向迁气孔是空位源，空位进行反向迁移。颗粒点接触处的应力促使物移。颗
21、粒点接触处的应力促使物质定向扩散迁移传质。质定向扩散迁移传质。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能在颈部应力作用下，有：在颈部应力作用下，有：张应力区空位形成功张应力区空位形成功 无应力区空位形成功无应力区空位形成功 无应力区空位浓度无应力区空位浓度 压应力区空位浓度压应力区空位浓度颈部表面与接触中心处之间空位浓度的最大差值颈部表面与接触中心处之间空位浓度的最大差值 颈部表面与颗粒内部之间空位浓度的差值颈部表面与颗粒内部之间空位浓度的差值 n烧烧结结过过程程中中晶晶粒粒中中心心靠靠近近的的机机理理可可通通过过晶晶粒粒内内
22、不不同同部部位位空空位浓度的计算来说明。位浓度的计算来说明。n 对对于于一一个个不不受受应应力力的的晶晶体体，其其空空位位浓浓度度Co是是取取决决于于温温度度T和形成空位所需的能量和形成空位所需的能量Gf浓度差异浓度差异为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能系系统统内内不不同同部部位位空空位位浓浓度度的的差差异异对对扩扩散散时时空空位位的的漂移方向是十分重要的。漂移方向是十分重要的。n空空位位扩扩散散即即原原子子或或离离子子的的反反向向扩扩散散，扩扩散散传传质质时时，原原子子或或离离子子由由颗颗粒粒接接触触点点向向颈颈部部
23、迁迁移移，达到气孔充填的结果。达到气孔充填的结果。n扩扩散散首首先先从从空空位位浓浓度度最最大大的的部部位位(颈颈部部表表面面)向向空空位位浓浓度度最最低低的的部部位位(颗颗粒粒接接触触点点)进进行行，其次是颈部向颗粒内部扩散。其次是颈部向颗粒内部扩散。推推动动力力是是表表面面张张力力（颈颈部部应应力力）为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 由于空位扩散既可以沿颗粒表面或界面进行，也可由于空位扩散既可以沿颗粒表面或界面进行，也可能通过颗粒内部进行，并在颗粒表面或颗粒间界上消能通过颗粒内部进行，并在颗粒表面或颗粒间界上消失
24、。为了区别，通常分别称为失。为了区别，通常分别称为表面扩散，界面扩散和表面扩散，界面扩散和体积扩散体积扩散。有时在晶体内部缺陷处也可能出现空位，。有时在晶体内部缺陷处也可能出现空位，这时则可以通过质点向缺陷处扩散，而该空位迁移到这时则可以通过质点向缺陷处扩散，而该空位迁移到界面上消失，此称为从缺陷开始的扩散。界面上消失，此称为从缺陷开始的扩散。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 3 3气相传质气相传质 颗颗粒粒表表面面各各处处曲曲率率不不同同，由由开开尔尔文文公公式式可可知知各各处处蒸蒸气气压压大大小小也也不不同同。质
25、质点点容容易易从从高高能能阶阶凸凸处处（如如表表面面）蒸蒸发发，通通过过气气相相传传递递到到低低能能阶阶凹凹处处(如如颈颈部部）凝凝结结，使使颗颗粒粒接接触触面面增增大大、颗颗粒粒和和空空隙隙形状改变而实现烧结，形状改变而实现烧结，这一过程也称蒸发这一过程也称蒸发-冷凝冷凝。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 4 4溶解溶解沉淀沉淀 在在有有液液相相参参与与的的烧烧结结中中，若若液液相相能能润润湿湿和和溶溶解解固固相相，由由于于小小颗粒的表面能较大其溶解度也就比大颗粒的大。其间关系式：颗粒的表面能较大其溶解度也就比大颗
26、粒的大。其间关系式：这种通过液相传质的机理称溶解这种通过液相传质的机理称溶解沉淀机理。沉淀机理。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能结果与讨论结果与讨论烧结的机理是复杂和多样的，但都是以表烧结的机理是复杂和多样的，但都是以表面张力为动力。应该指出，对于不同物料面张力为动力。应该指出，对于不同物料和烧结条件，这些过程并不是并重的，往和烧结条件，这些过程并不是并重的，往往是某一种或几种机理起主导作用，当条往是某一种或几种机理起主导作用，当条件改变时可能就取决于另一种机理。件改变时可能就取决于另一种机理。为深入学习习近平新时代
27、中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能一、初次再结晶一、初次再结晶 二、晶粒长大二、晶粒长大 三、二次再结晶三、二次再结晶9.3 9.3 再结晶和晶粒长大再结晶和晶粒长大为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能烧结坯体多数是晶态粉状材料压制而成，随烧结进行烧结坯体多数是晶态粉状材料压制而成，随烧结进行坯体颗粒间发生再结晶和晶粒长大，使坯体强度提高坯体颗粒间发生再结晶和晶粒长大，使坯体强度提高烧结进程中同时进行着两个过程烧结进程中同时进行着两个过程-再结晶和晶粒长再结晶和晶粒长
28、大大尤其是在烧结后期，这两个和烧结并行的高温动力学尤其是在烧结后期，这两个和烧结并行的高温动力学过程是绝不对不容忽视的，它直接影响着烧结体的显过程是绝不对不容忽视的，它直接影响着烧结体的显微结构微结构(如晶粒大小，气孔分布如晶粒大小，气孔分布)和强度等性质。和强度等性质。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 一、初次再结晶一、初次再结晶 初初次次再再结结晶晶常常发发生生在在金金属属中中，无无机机非非金金属属材材料料特特别别是是些些软软性性材材料料NaCl、CaF2等等，由由于于较较易易发发生生塑塑性性变变形形，所所以以也
29、也会会发发生生初初次次再再结结晶晶过过程程。另另外外，由由于于无无机机非非金金属属材材料料烧烧结结前前都都要要破破碎碎研研磨磨成成粉粉料料，这这时时颗颗粒粒内内常常有有残残余余应应变变，烧烧结结时时也也会会出出现现初初次再结晶现象。次再结晶现象。初次再结晶是指从塑性变形的、具初次再结晶是指从塑性变形的、具有应变的基质中，生长出新的无应有应变的基质中，生长出新的无应变晶粒的成核和长大过程。变晶粒的成核和长大过程。概念为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图10 400NaCl晶体，置于晶体，置于470再结晶的情况再结晶的情
30、况 时间时间(分分)晶粒直径晶粒直径(mm)为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能一一般般储储存存在在变变形形基基质质中中的的能能量量约约为为0.51Calg的的数数量量级级，虽虽然然数数值值较较熔熔融融热热小小得得多多(熔熔融融热热是是此此值值的的1000倍倍甚甚至至更更多多倍倍)，但但却却足足够够提提供供晶晶界界移移动动和和晶晶粒粒长长大大所所需的能量。需的能量。推动力推动力初次再结晶过程的推动力是初次再结晶过程的推动力是基质塑性变形所增加的能量。基质塑性变形所增加的能量。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党
31、的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 初初初初次次次次再再再再结结结结晶晶晶晶也也也也包包包包括括括括两两两两个个个个步步步步骤骤骤骤：成成成成核核核核和和和和长长长长大大大大。晶晶粒粒长长大大通通常常需需要要一一个个诱诱导导期期，它它相相当当于于不不稳稳定定的的核核胚胚长长大大成成稳定晶核所需要的时间。稳定晶核所需要的时间。最最最最终终终终晶晶晶晶粒粒粒粒大大大大小小小小取取取取决决决决于于于于成成成成核核核核和和和和晶晶晶晶粒粒粒粒长长长长大大大大相相相相对对对对速速速速率率率率。由由于于这这两两者者都都与与温温度度相相关关，故故总总的的结结晶晶速速率率随随温温
32、度度而而迅迅速速变变化化。如如图图所所示示，提提高高再再结结晶晶温温度度，最最终终的的晶晶粒粒尺尺寸寸增增加加，这这是是由由于于晶晶粒粒长长大大速速率率比比成成核核速速率率增增加加的的更更快。快。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图11 烧结温度对烧结温度对AlN晶粒尺寸的影响晶粒尺寸的影响为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 二、晶粒长大二、晶粒长大 这这一一过过程程并并不不依依赖赖于于初初次次再再结结晶晶过过程程；晶晶粒粒长长大大不不是是小
33、小晶晶粒粒的的相互粘接，而是晶界移动的结果，核心是晶粒平均尺寸增加。相互粘接，而是晶界移动的结果，核心是晶粒平均尺寸增加。概念在烧结中、后期，细小晶粒逐渐在烧结中、后期，细小晶粒逐渐长大，而一些晶粒的长大过程也长大，而一些晶粒的长大过程也是另一部分晶粒的缩小或消失过是另一部分晶粒的缩小或消失过程，其结果是平均晶粒尺寸增加程，其结果是平均晶粒尺寸增加为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能小小晶晶粒粒生生长长为为大大晶晶粒粒使使界界面面面面积积减减小小，界界面面自自由由能能降降低低，晶晶粒粒尺寸由尺寸由1m变化到变化到lcm，
34、相应的能量变化为，相应的能量变化为0.1 -5Cal/g。推动力推动力是晶界过剩的自由能，即晶界是晶界过剩的自由能，即晶界两侧物质的自由焓之差是使界两侧物质的自由焓之差是使界面向曲率中心移动的驱动力。面向曲率中心移动的驱动力。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能图图12晶晶界界结结构构及及原原子子位位能能图图曲率较大的曲率较大的A点自由能高于曲率小的点自由能高于曲率小的B点点结果结果B晶粒长大而晶粒长大而A晶粒缩小晶粒缩小为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书
35、室育人功能图图13 烧结后期晶粒长大示意图烧结后期晶粒长大示意图 50 3 4 10 6大多数晶界都是弯曲的。从晶粒中心往外看，大于六条大多数晶界都是弯曲的。从晶粒中心往外看，大于六条边时边界向内凹。凸面的界面能大于凹面，因此晶界向边时边界向内凹。凸面的界面能大于凹面，因此晶界向凸面曲率中心移动。结果小于六条边的晶粒缩小甚至消凸面曲率中心移动。结果小于六条边的晶粒缩小甚至消失，而大于六条边的晶粒长大。总结果是平均晶粒增长失，而大于六条边的晶粒长大。总结果是平均晶粒增长为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能晶粒长大过程中如果
36、晶界受到第二相杂质的阻碍，晶粒长大过程中如果晶界受到第二相杂质的阻碍，其移动可能出现三种情况：其移动可能出现三种情况：1晶界能量较小，晶界移动被杂质或气孔所阻晶界能量较小，晶界移动被杂质或气孔所阻挡，晶粒正常长大停止。挡，晶粒正常长大停止。2晶界具有一定的能量，晶界带动杂质或气孔晶界具有一定的能量，晶界带动杂质或气孔继续移动，这时气孔利用晶界的快速通道继续移动，这时气孔利用晶界的快速通道排除，坯体不断致密。排除，坯体不断致密。3晶界能量大，晶界越过杂质或气孔，把气孔晶界能量大，晶界越过杂质或气孔，把气孔包裹在晶粒内部。由于气孔脱离晶界，再不能利包裹在晶粒内部。由于气孔脱离晶界，再不能利用晶界这
37、样的快速通道而排除，使烧结停止，致用晶界这样的快速通道而排除，使烧结停止，致密度不再增加。这时将出现二次再结晶现象。密度不再增加。这时将出现二次再结晶现象。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 三、二次再结晶三、二次再结晶二次再结晶是坯体中少数大晶粒尺寸的异二次再结晶是坯体中少数大晶粒尺寸的异常增加，其结果是个别晶粒的尺寸增加，常增加，其结果是个别晶粒的尺寸增加，这是区别于正常的晶粒长大的。这是区别于正常的晶粒长大的。概念当坯体中有少数大晶粒存在时，这些大晶粒往往成为二次再当坯体中有少数大晶粒存在时，这些大晶粒往往成为二
38、次再结晶的晶核，晶粒尺寸以这些大晶粒为核心异常生长。结晶的晶核，晶粒尺寸以这些大晶粒为核心异常生长。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能推动力推动力推动力仍然是晶界过剩推动力仍然是晶界过剩界面能。界面能。二二次次再再结结晶晶发发生生后后，由由于于晶晶界界移移动动太太快快而而将将气气孔孔包包入入晶晶粒粒内内部部，形形成成孤孤立立闭闭气气孔孔。该该类类型型气气孔孔不不易易排排除除，使使烧烧结结速速率率降降低低甚甚至至停停止止。另另外外，二二次次再再结结晶晶形形成成的的大大晶晶粒粒对对材材料料性性能能也有一定的影响。也有一定的
39、影响。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能产生产生原因原因造成二次再结晶的原因主要是原造成二次再结晶的原因主要是原始物料粒度不均匀及烧结温度偏始物料粒度不均匀及烧结温度偏高高其次是成型压力不均匀及局其次是成型压力不均匀及局部有不均匀的液相等部有不均匀的液相等为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能现代新材料的开发中常利用二次再结晶现代新材料的开发中常利用二次再结晶过程来生产一些特种材料。如铁氧体硬过程来生产一些特种材料。如铁氧体硬磁材料磁材料BaFel
40、2O19的烧结中，控制大晶粒的烧结中，控制大晶粒为二次再结晶的晶核，利用二次再结晶为二次再结晶的晶核，利用二次再结晶形成择优取向，使磁磷畴取向一致，从形成择优取向，使磁磷畴取向一致，从而得到高磁导率的硬磁材料。而得到高磁导率的硬磁材料。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能一、一、直接影响因素直接影响因素二、二、间接影响因素间接影响因素9.5 9.5 影响烧结的因素影响烧结的因素为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能影 响烧结 因 素温度、时间、温度、
41、时间、物料粒度物料粒度物料活性、添加物、物料活性、添加物、气氛、压力等气氛、压力等直接因素间接因素为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 提高提高烧结温度烧结温度有利于烧结进行，但存在能源浪费、出现二次再结晶等有利于烧结进行，但存在能源浪费、出现二次再结晶等不良后果。不良后果。延长延长烧结时间烧结时间一般都会不同程度地促使烧结完成，但对粘性流动机理一般都会不同程度地促使烧结完成，但对粘性流动机理的烧结较为明显，而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。但是在烧结的烧结较为明显，而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。但是在烧结后期不
42、合理地延长烧结时间，有时会加剧二次再结晶作用，反而得不到后期不合理地延长烧结时间，有时会加剧二次再结晶作用，反而得不到充分致密制品。充分致密制品。减少减少物料颗粒物料颗粒度总表面能增大因而会有效加速烧结，这对于扩散和蒸度总表面能增大因而会有效加速烧结，这对于扩散和蒸发发-冷凝机理更为突出冷凝机理更为突出一、直接影响因素一、直接影响因素为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1、物料活性的影响发展了化学方法来提高物料活性和发展了化学方法来提高物料活性和加速烧结的工艺，即活性烧结。加速烧结的工艺，即活性烧结。单纯依靠机械粉碎来提
43、物料分散度单纯依靠机械粉碎来提物料分散度是有限度的，并且能量消耗也多。是有限度的，并且能量消耗也多。烧结是基于在表面张力作用下的物烧结是基于在表面张力作用下的物质迁移而实现的。因此可以通过降质迁移而实现的。因此可以通过降低物料粒度来提高活性。低物料粒度来提高活性。二、间接影响因素二、间接影响因素为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能活性氧化物通常是用相应活性氧化物通常是用相应盐类热分解制备的盐类热分解制备的。实践表明，采用不同形式的母盐以及热分解条实践表明，采用不同形式的母盐以及热分解条件，对所得氧化物活性有着重影响。件，
44、对所得氧化物活性有着重影响。因此，合理选择分解温度很重要，一般说来对于给定因此，合理选择分解温度很重要，一般说来对于给定的物料有着一个最适宜的热分解温度。的物料有着一个最适宜的热分解温度。温度过高温度过高会使会使结晶度增高、粒径变大、比表面活性下降；结晶度增高、粒径变大、比表面活性下降；温度过低温度过低则可能因残留有未分解的母盐而妨碍颗粒的紧密充填则可能因残留有未分解的母盐而妨碍颗粒的紧密充填和烧结。和烧结。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 2、添加物的影响 实实践践证证明明，少少量量添添加加物物常常会会明明显显地地
45、改改变变烧烧结结速速度度，但但对对其其作作用用机机理理的的了了解解还还是是不不充充分分的的。许许多多试试验验表表明明，以以下下的的作用是可能的。作用是可能的。(1)与烧结物形成固溶体与烧结物形成固溶体当当添添加加物物能能与与烧烧结结物物形形成成固固溶溶体体时时，将将使使晶晶格格畸畸变变而而得得到到活活化化。故故可可降降低低烧烧结结温温度度，使使扩扩散散和和烧烧结结速速度度增增大大，这这对对于形成缺位型或间隙型固溶体尤为强烈。于形成缺位型或间隙型固溶体尤为强烈。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 例例如如在在Al2O3烧
46、烧结结中中，通通常常加加入入少少量量Cr2O3或或TiO2促促进进烧烧结结，就就是是因因为为Cr2O3与与Al2O3中中正正离离子子半半径径相相近近，能能形形成成连连续续固固溶溶体体之之故故。当当加加入入TiO2时时促促进进烧烧结结温温度度可可以以更更低低，因因为为除除了了Ti4+离离子子与与Cr3+大大小小相相同同，能能与与Al2O3固固溶溶外外，还还由由于于Ti4+离离子子与与Al3+电电价价不不同同，置置换换后后将将伴伴随随有有正正离离子子空空位位产产生生，而而且且在在高高温温下下Ti4+可可能能转转变变成成半半径径较较大大的的Ti3+从从而而加加剧剧晶晶格格畸畸变变，使使活活性性更更高
47、高；故故能能更更有有效地促进烧结。效地促进烧结。实例实例为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(2)阻止晶型转变阻止晶型转变 有些氧化物在烧结时发生晶型转变并伴有较大体积效应，这就有些氧化物在烧结时发生晶型转变并伴有较大体积效应，这就会使烧结致密化发生困难，并容易引起坯体开裂；这时若能选用适会使烧结致密化发生困难，并容易引起坯体开裂；这时若能选用适宜的添加物加以抑制，即可促进烧结。例如氧化锆烧结时添加宜的添加物加以抑制，即可促进烧结。例如氧化锆烧结时添加CaO、Y2O3等。等。n(3)产生液相产生液相n 烧结时若有适当的液
48、相，往往会大大促进颗粒重排和传质烧结时若有适当的液相，往往会大大促进颗粒重排和传质过程。添加物的另一作用机理，就在于能在较低温度下产生过程。添加物的另一作用机理，就在于能在较低温度下产生液相以促进烧结。液相的出现，可能是添加物本身熔点较低；液相以促进烧结。液相的出现，可能是添加物本身熔点较低；也可能与烧结物形成多元低共熔物。考虑到液相对制品显微也可能与烧结物形成多元低共熔物。考虑到液相对制品显微结构及性能影响，应合理选择。结构及性能影响，应合理选择。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能(4)抑制晶粒长大抑制晶粒长大 烧结
49、后期晶粒长大对烧结致密化有重要作用，但若二次烧结后期晶粒长大对烧结致密化有重要作用，但若二次再结晶或间断性晶粒长大过快，又会因晶粒变粗、晶界变宽再结晶或间断性晶粒长大过快，又会因晶粒变粗、晶界变宽而出现反致密化现象并影响制品的显微结构。这时，可通过而出现反致密化现象并影响制品的显微结构。这时，可通过加入能抑制晶粒异常长大的添加物来促进致密化进程。加入能抑制晶粒异常长大的添加物来促进致密化进程。但应指出，由于晶粒成长与烧结的关系较为复杂，正常但应指出，由于晶粒成长与烧结的关系较为复杂，正常的晶粒长大是有益的，要抑制的只是二次再结晶引起的异常的晶粒长大是有益的，要抑制的只是二次再结晶引起的异常晶粒
50、长大；因此并不是能抑制晶粒长大的添加物都会有助于晶粒长大；因此并不是能抑制晶粒长大的添加物都会有助于烧结。烧结。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3、气氛的影响 实际生产有些物料的烧结过程对气体介质十分敏感。气氛不仅影实际生产有些物料的烧结过程对气体介质十分敏感。气氛不仅影响物料本身的烧结响物料本身的烧结,也会影响各添加物的效果。因此常需进行相应的也会影响各添加物的效果。因此常需进行相应的气氛控制。气氛控制。气氛对烧结的影响是复杂的。同一种气体介质对于不同物料的烧气氛对烧结的影响是复杂的。同一种气体介质对于不同物料的烧