材料化学
r1
r2
材料化学
球形
P 2M ln P dRTr 0
曲面
P M 1 1 ln ( ) P0 dRT r1 r2
颗粒半径为1微米时，表面能按1000尔格/厘米2，球形与平面压强差可
达20个大气压。
微米级颗粒之间约有0.1～1μm直径的毛细管，如其中充满硅酸盐液相
等径圆球
动力学方程如何建立？
材料化学
初期模型建立：根据烧结初期发生的现象，找一个量表征烧 结的进程，哪个量呢？从烧结过程中看出，烧结初期表现 为颈部的长大。 r x r x
颈部等同
颈部长大x/r
x/r与t的方程？
材料化学
6/1
12/2
材料化学
2. 烧结初期特征
x/r<0.3
颈部长大
材料化学
整个过程中的现象。
烧结后期：传质继续进行，颗粒长大，晶界移动，气孔变成 孤立闭气孔。
从烧结过程的现象来看，一般根据特征
变化，烧结可分为初期、中期和后期。
材料化学
这一过程是如何发生的呢？ 气体是如何被赶走的呢？
材料化学
烧结过程是一个致密化的过程，因致密而坚硬 烧结过程是一个物质传递、排除气体的过程
材料化学
2. 烧结的分类
固相烧结
下面看一下烧结的分类？ 按照有无
液相出现
液相烧结
材料化学
无压烧结
按照是否 施加压力
加压烧结
材料化学
常规烧结 按照是否 采用强化 强化烧结
活化烧结
反应烧结 微波烧结
电弧烧结 自蔓延烧结
材料化学
3.烧结的研究对象
过程
粉状固体 研究内容
块状固体
材料化学
材料化学
烧结为什么能够发生？ 驱动力 烧结如何发生？ 本质规律 烧结发生的过程中发生了什么现象呢？ 动力学 烧结的进程如何描述呢？
物质迁移
6.2 烧结机理
材料化学
1 2
烧结过程
烧结推动力
3
பைடு நூலகம்
烧结传质机理
6.2.1
烧结过程
材料化学
烧结初期：颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小 （即大气孔消失），固-气总表面积变化不大。 烧结中期：传质迅速增大，粒界增大，空隙进一步变形、缩 烧结过程指从开始烧结到最后烧结完成 小，但仍然连通，形如隧道。
6.3 烧结动力学
材料化学
1 2
烧结初期
烧结中期和后期
先建立模型，然后推导反应进程和时间的关系式。
6.3.1 烧结初期
材料化学
1. 烧结模型
定量研究
动力学
如何建立烧结模型？
烧结模型
烧结过程如何表征？
材料化学
颗粒体系抽象：烧结模型
●●●●●●● ●●●●●●● ●●●●●●● ●●●●●●● ●●●●●●● ●●●●●●● ●●●●●●● ●●●●●●● ●●●●●●● ●●●●●●● ●●●●●●● ●●●●●●● 紧密堆积
，毛细管压力达1.23～12.3 MPa
6.2.3
烧结机理
材料化学
1.一般烧结过程
颗粒间粘附
质点传递
材料化学
2. 颗粒间的粘附作用
玻璃纤 维的粘 附
材料化学
粘附 键合 靠拢 接触区 颈部结构 重排
3.烧结传质机理
材料化学
在烧结过程中，物质传递的机理多种多样，但都以表 面张力为动力； 主要 有：
移动
物质传递
键合 结晶
推动力
6.2.2
烧结推动力
材料化学
1. 粉末烧结性
高能量
粉末为什么能够变成坚硬的固体呢？ 热力学 谁之功呢？
粉状固体
什么在改变
低能量
块状固体
材料化学
能量状态发生了什么改变？
烧结的推动力是什么
材料化学
2. 烧结的推动力
能量
力
烧结的推动力？
自发收缩
切向的力 蒸汽压差 表面张力 溶解度差 空位浓度
虽然知道是表面张力的推动，实际过程
如何发生？ B：扩散传质 质点移动-成核 -结晶：移动的质点占据了 空隙的位置---致密化。
C：气相传质
D：液相传质
A：流动传质
材料化学
A：流动传质
指颗粒表面质点在表面张力作用下通过变形、流动引 起的物质迁移，可分为粘性流动和塑性流动。
粘性流动传质 ：高温下软化，表面张力作用下，质点盐表面 张力流动，类似液体流动。
材料化学
塑性流动传质：表面张力使晶体产生位错，质点通过整排
原子的运动或晶面的滑移来实现物质传递，称为塑性流动 传质。
F
F
材料化学
B：扩散传质
颗粒接触，颈部形成，相对与正常部分空位浓度C0， 有一个空位浓度差。 质点(或空位)借助于浓度梯度推动而迁移的传质过程。 按照扩散途径划分：
体积扩散 界面扩散
表面扩散
材料化学
C:气相传质
质点从凸处蒸发，然后通过气相传递到凹处凝结。
材料化学
D：溶解沉淀
质点在溶解度大的地方溶解，在溶解度小的 地方析出。 总结： 烧结是如何发生的呢？在表面张力的 作用下，或者小颗粒消失或者颗粒半径变 小，这些消失的小颗粒或变小的半径处的 质点，通过表面张力的各种表现形式，填 充到颈部等曲率为负的空隙处---体积收缩， 但空隙被填充。这就是质点的传递。
什么是烧结呢？
材料化学
烧结与烧成
烧成包括多种物理、化学变化。 烧结指粉料经加热而致密化的物理过程。
烧结与熔融
烧结在远低于熔融温度下进行，不全部转为液相，至少有 一部分为固相。 接下来我们还是要区分几个概念？
烧结与固相反应
固相反应必须发生化学反应，至少生成一种新物质； 烧结不存在化学反应，仅存在物质迁移的物理过程。
3. 动力学关系
x r
n

F (T ) t m r
晶界扩散 表面扩散
粘性流动 蒸发凝聚
体积扩散
m n
1 2
2 3
3 5
2 5
3 7
6.3.2 烧结中期及末期
材料化学
1. 烧结模型
材料化学
材料化学
2. 烧结特征
A：中期
颗粒变形，气孔由不规则形状变成近似圆柱形，气孔 连通；晶界开始移动，晶粒长大；与气孔接触的表面为空 位源，体积扩散和晶界扩散为主。
B: 末期
气孔封闭、孤立，为四个颗粒包围，近似球形。
无机非金属材料学
课程大纲
材料化学
1 绪 论
4 非晶态基础
2 晶体结构基础
5 固相反应
3 缺陷化学基础
6 烧结
第六章 烧结
材料化学
1
烧结的定义与分类 烧结机理 烧结动力学 晶粒生长和二次结晶 烧结的影响因素
2
3 4 5
4.1 烧结的定义及分类
1. 烧结的定义
材料化学
烧结是一种或多种固体粉末，经过成型，加热到一定温度后 开始收缩，在低于熔点的温度下，变成坚硬固体[为什么] 的过程。 显微结构变化：接触面积扩大，中心距缩小，晶界形成；气 孔体积变小，从连通变为孤立。【气固界面—固固界面】