2016年春季学期研究生课程考核
（读书报告、研究报告）
考核科目:聚合物基复合材料制备与成型新技术学生所在院（系）:
学生类别:
考核结果阅卷人
目录
1 工艺简介 (1)
2 影响热压烧结的因素 (2)
2.1 原始粉末性能 (2)
2.2 烧结温度与保温时间 (3)
2.3 升温速度 (4)
2.4 烧结压力 (4)
2.5 烧结气氛 (5)
3 小结 (6)
锻压烧结工艺
1工艺简介
固相烧结并不依赖化学反应作用，它可以在不发生任何化学反应的情况下，简单的将固体粉料加热，转变为坚实的致密烧结体，这是烧结区别于固相反应的一个重要方面。

因此只要烧结条件控制得当，它可以代替液态成型，在远低于固体物料的焰点温度下，制成接近于理论密度的无机材料，并改善其物理性能固相粉末烧结过程是粉末颗粒之间发生冶金结合、孔隙消除及压坯化学成分和微组织均匀化的过程。

在烧结过程中，随着温度的上升和时间的延长，颗粒不断长大，空隙则不断减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增大，最后成为坚实的烧结体，烧结的结果是颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，密度也提高固相烧结的致密化过程是依靠物质传递和迁移实现的。

因此必须存在某种化学位梯度，才能推动物质的迁移。

由于纳米粉体颗粒尺寸很小，比表面积大，具有较高的表面能和缺陷能，在加压成型体中，颗粒间的接触面积也很小，总表面积很大而处于较高能量状态。

根据最小能量原理，它将自发地向最低能量状态变化，并伴随使系统的表面能减少，所以，粉体的烧结是一个自发的不可逆过程，在烧结过程中由于物质的迁移扩散使颗粒变形并形成界面。

粒子表面积的减少伴随着系统自由能的降低，这也是烧结进行的驱动力。

热压烧结(Hot Pressing Sintering，HPS)是在烧结过程中同时施加一定的外力（根据模具材料所能承受的强度，一般压力在10~40MPa），使材料加速流动、重排和致密化。

热压烧结温度比常压烧结低100℃~150℃左右，但是热压烧结推动力却比常压烧结大20~100倍。

图1为热压烧结设备简图，热压烧结获得的制品密度甚至会达到理论密度的99%，且性能优良，但是仅适合形状简单的制品，很难规模生产。

图1 热压烧结设备简图
热压烧结可以预先把粉末成型或直接把粉末放置在配套的磨具内进行烧结，工艺简单，操作方便，是目前常用的烧结工艺之一。

进行热压烧结时，可以对粉末进行施加单向或多向压力，有效快速的促进烧结时粉末的致密化。

在热压烧结时，由于粉末处在热塑性状态，变形阻力小，易于塑性流动和致密化，因此所需的成型压力仅为冷压法的十分之一。

由于压力始终贯穿烧结的整个过程，在升温时，压力的存在有利于粉末颗粒的接触、扩散和流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，因而抑制了晶粒的长大速度，使晶粒细小。

相比常压烧结，热压烧结更容易获得细晶粒的组织，实现晶体的趋向效应和控制含有高蒸气压成分系统的组成变化，因而容易得到良好机械性能的产品。

2影响热压烧结的因素
同种粉末采用不同的烧结方法以获得性能別的材料，但足对于同种烧结方法，烧结参数的不同也会造成材料不同的性能。

在热压烧结中，粉末的烧结机理和产物性能与粉末性能和烧结参数（如烧结温度、保温时间、烧结压力、模具介质和烧结气氛）等因素密切相关。

2.1原始粉末性能
粉末性能包括：粉末的粒度及粒度组成、颗粒形状与结构等。

当烧结条件一样时，粒度细的粉末比粒度粗的粉末易于烧结，获得的材料晶粒细小、致密度且硬度也高等优点。

这是由于粉末粒度小时，其表面积越大，表面能也就越高，在
烧结温度低时就能进入烧结初期，形核率比较高，另外细小的颗粒填充在大颗粒的缝隙中，粉末的整体粒度分布合理，也有利于烧结的进行但是粉末粒度比较大或者是粉末粒度分布不均匀，会造成致密度下降和晶粒的异常长大，应尽量避免。

2.2烧结温度与保温时间
烧结温度是在热压烧结过程中保温时的温度，在这个温度下，材料内部的原子、晶界等的活性也最大，粒子重排进行的最为剧烈，获得材料的性能也最为优良。

烧结温度与粉末的成分有密切关系。

在固相烧结中，单相的烧结温度要低于其溶点，通常为该粉末溶点的0.7到0.8之间；对于多相混合的粉末，烧结温度一般低于主要成分的溶点。

在烧结过程中，要在烧结温度下进行保温一段时间，使烧结的粉末能够有充分的迁移重排并融合的时间。

保温时间与烧结温度有密切的关系，通常烧结温度高，则保温时间较短，烧结温度低，则保温时间较长。

在烧结低温阶段以表面扩散为主，高温阶段以体积扩散为主。

如果材料在低温烧结时间过长，不仅对致密化不利，反而会使材料性能变坏。

因此，保温时间的选取与烧结温度一样，要选取合适的保温时间。

但是，烧结时应尽快的从低温升到高温，为体积扩散创造条件，同时还必须考虑到材料的热传导系数、再结晶温度，扩散系数等各种因素的共同作用，以制定合理的烧结工艺。

李蔚[2]等采用热压烧结法制备了纳米Y-TZP材料，发现采用不同的烧结温度，材料的致密度有明显变化，在1100℃时材料已经烧成，如表1所示。

李潜[3]等采用热压烧结制备了WC-AI2O3复合材料，得出在烧结温度为1590°C、保温时间为120min时，试样的密度达到最高的99.77%WC-AI2O3复合材料的硬度和断裂朝性表现出明显的规律性，随着烧结温度的上升，先增加到最大值然后下降。

高温烧结时，虽然材料的致密度上升，但是由于晶粒异常长大和内部的封闭气孔等因素，使得各项力学性能急剧下降，因此在制备材料过程中应尽量避免材料晶粒长大。

表1 不同温度下热压Y-TZP材料的致密度
温度/℃1000 1100 1200
致密度/% 85 99 100
图2 烧结温度及保温时间对WC-AI2O3复合材料维氏硬度的影响
2.3升温速度
热压烧结一般升温速度都较低，因此升温速度是烧结工艺中较次要的参数。

升温和降温时间由制品尺寸和性能要求而定。

通常为了提高生产率，希望升温速度和降温速度快一些。

但在实际生产中，如果升温速度太快，可能使还块中的成型剂、水份以及某些杂质剧烈挥发，导致还块产生裂纹，并使氧化物还原不完全。

2.4烧结压力
粉料成型时必须施加一定的压力，除了使其具有一定形状和一定强度外，同时也给烧结创造了颗粒问紧密接触的条件，使其烧结时扩散距岛缩短及r散附力减小。

一般来说烧结压力越大，还体中颗粒接触越紧密，有利于提高气孔和晶界的迁移速度，烧结时阻力越小，提高材料的致密度，烧结出块体的性能越好。

但烧结压力要考虑设备的实际输出情况和模具的承受能力，烧结压力超过模具的承
受能力，会导致烧结过程中模具的损坏，同时也会对试样以及设备有一定的损伤。

因此，烧结压力应在一定的允许范围内。

2.5烧结气氛
不同的烧结制品要用不同的烧结气氛环境，甚至高真空的环境。

真空环境下材料的烧结性能一般比在保护气氛环境下烧结性能要高。

这是因为真空有利于吸收的气体及挥发物质的排出，减少气孔率，能达到气体即时排除即时抽真空。

张鹏飞[4]等探究了机械合金化工艺制备的2Si-B-3C-N 粉末的热压烧结行
为及陶瓷的烧结工艺，2Si-B-3C-N 粉末的烧结致密化比较困难，在80 MPa/8 bar N2条件下的热压烧结过程中，只有当温度高于约1830 ℃时，陶瓷坯体才能发
生显著的体积收缩，伴随着材料致密度的快速提高在热压烧结工艺的主要参数中，温度和压力对陶瓷坯体的烧结致密化、对晶粒生长及对陶瓷力学性能的影响最为显著，而保温时间和气压的适当变化对材料的影响相对较小；在1900 ℃/80 MPa/30 min/8 bar N2条件下热压烧结制备的2Si-B-3C-N 复相陶瓷的体积密度和相对密度，以及室温下的弯曲强度、弹性模量、断裂韧性和维氏硬度分别约为2.52 g/cm3，88.7 %，331 MPa，139 GPa，2.81 MPa·m1/2，和 5.65 GPa。

与该工
艺条件相比，当温度降至1800℃或压力降至50 MPa 时，所制备材料的密度和力学性能急剧下降。

图3 2Si-B-3C-N粉末在不同热压烧结工艺参数条件下的陶瓷端口形貌
a)1800℃/80 MPa/30 min/8 bar N2；b)1900℃/50 MPa/30 min/8 bar N2；c)
1900℃/80 MPa/10 min/8 bar N2；d) 1900℃/80 MPa/30 min/1 bar N2；
e)1900℃/80 MPa/30 min/8 bar N2；
3小结
通过以上讨论，可知热压烧结工艺的优点为：1）减少烧成时间，加热致密化过程；2）降低烧成温度，减小晶粒长大；3）密度高；4）可获得高的机械强度；5）环、片状尺寸精确。

但仍存在只能加工形状单一的工件、垂直与平行热压方向性能不一致等问题。

参考文献
[1]李瑜煜,张仁元. 热电材料热压烧结技术研究[J]. 材料导报,2007,07:126-129.
[2]李蔚,高濂,归林华,郭景坤. 热压烧结制备纳米Y-TZP材料[J]. 无机材料学报,2000,04:607-611.
[3]李潜. 热压烧结WC/Al_2O_3复合材料工艺的研究[D].东华大学,2012.
[4]张鹏飞. 机械合金化2Si-B-3C-N陶瓷的热压烧结行为与高温性能研究[D].哈尔滨工业大学,2013.。