特种陶瓷烧结工艺课件.ppt

1、第三章第三章 特种陶瓷烧结工艺特种陶瓷烧结工艺内容内容2 2 烧结工艺烧结工艺1 1 烧结理论烧结理论烧结烧结：一种或多种固体粉末经过成型，在加热到一定：一种或多种固体粉末经过成型，在加热到一定温度后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬温度后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体，这种过程称为烧结。的烧结体，这种过程称为烧结。衡量标准衡量标准衡量标准衡量标准烧结收缩烧结收缩强度强度密度密度气孔率气孔率1 1 烧结理论烧结理论1.1 概念概念1 1 烧结理论烧结理论1.1 概念概念烧结温度对气孔率（烧结温度对气孔率（1 1）、）、密度（密度（2 2）、电阻（）、电阻（3 3）、）、

2、强度（强度（4 4）、晶粒尺寸）、晶粒尺寸（5 5）的影响）的影响烧结与烧成烧结与烧成烧成烧成包括多种物理和化学变化，例如脱水、坯体内气包括多种物理和化学变化，例如脱水、坯体内气体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等。体分解、多相反应和熔融、溶解、烧结等。烧成烧成烧结烧结 1 1 烧结理论烧结理论1.1 概念概念烧结与固相反应烧结与固相反应相同相同点点两者都是在低于材料熔点或者两者都是在低于材料熔点或者熔融温度下进行，并且过程中熔融温度下进行，并且过程中始终至少有一相是固态的。始终至少有一相是固态的。不同不同点点固相反应必须至少有两相参加固相反应必须至少有两相参加(A+B)(A+B)，并发生化学

3、反应，最，并发生化学反应，最后生成化合物后生成化合物(AB)(AB)。且。且ABAB的结的结构和性能不同于构和性能不同于A A和和B B。烧结只有单组元或者多组元参烧结只有单组元或者多组元参加，但是组分并不发生化学反加，但是组分并不发生化学反应。应。从结晶化学观点看，烧结体的从结晶化学观点看，烧结体的微观晶相组成都未发生改变。微观晶相组成都未发生改变。1 1 烧结理论烧结理论1.1 概念概念烧结和熔点的关系烧结和熔点的关系烧结温度烧结温度TsTs熔点熔点TmTm 金属：金属：Ts=(0.3 0.4)TmTs=(0.3 0.4)Tm无机盐：无机盐：Ts=0.57 TmTs=0.57 Tm硅酸盐：

4、硅酸盐：Ts=(0.8 0.9)TmTs=(0.8 0.9)Tm1 1 烧结理论烧结理论1.1 概念概念1 1 烧结理论烧结理论1.2 烧结理论烧结理论1.2.1 烧结现象烧结现象1 1 烧结理论烧结理论1.2 烧结理论烧结理论1.2.1 烧结现象烧结现象烧结前烧结前SEMSEM照片照片1.2 烧结理论烧结理论1.2.1 烧结现象烧结现象烧结后烧结后SEMSEM照片照片颗粒尺寸小颗粒尺寸小比表面积大比表面积大表面表面能高能高 能量最低原则能量最低原则 趋向于使系统的表面能减少趋向于使系统的表面能减少1 1 烧结理论烧结理论1.2.2 烧结动力烧结动力1 1 烧结理论烧结理论1.2.3 物质传递

5、物质传递1 1 烧结理论烧结理论1.3 烧结影响因素烧结影响因素1 1 烧结理论烧结理论1.4 烧结阶段烧结阶段烧烧结结的的三三个个阶阶段段烧结初期烧结初期烧结中期烧结中期烧结后期烧结后期颗粒重排，接触颗粒重排，接触处产生键合，空处产生键合，空隙变形缩小，但隙变形缩小，但固固-气总表面积没气总表面积没有变化。有变化。传质开始，粒界传质开始，粒界增大，空隙进一增大，空隙进一步变形缩小，但步变形缩小，但保持连同，形如保持连同，形如隧道。隧道。传质继续进行，传质继续进行，粒子长大，气孔粒子长大，气孔变成孤立闭合气变成孤立闭合气孔，密堆达到孔，密堆达到90%90%以上，强度以上，强度明显提高。明显提高

6、。1 1 烧结理论烧结理论1.4 烧结阶段烧结阶段1.4 烧结阶段烧结阶段初期初期中期中期末期末期颗粒形状球形，粘结成颈十四面体模型十四面体粘附，颈部粗大气孔形状无一定形状圆柱形，并连通球形（封闭在顶点）烧结速度慢快快 组织结构：一般指陶瓷多晶体内的晶相、玻璃相以及气孔的组织结构：一般指陶瓷多晶体内的晶相、玻璃相以及气孔的分布情况（形状、大小、数量），还包括晶粒取向，晶粒均分布情况（形状、大小、数量），还包括晶粒取向，晶粒均匀度，晶界性质，杂质分布等匀度，晶界性质，杂质分布等 。1 1 烧结理论烧结理论1.5 组织结构组织结构 主晶相的性能就是材料的性能，因此在电子陶瓷的组主晶相的性能就是材料

7、的性能，因此在电子陶瓷的组织结构中，主晶相是最基本、最重要的组成。织结构中，主晶相是最基本、最重要的组成。1 1 烧结理论烧结理论1.5 组织结构组织结构1.5.1 晶相晶相1.5 组织结构组织结构1.5.1 晶相晶相1 1 烧结理论烧结理论1.5 组织结构组织结构1.5.2 晶界晶界1.5 组织结构组织结构1.5.2 晶界晶界1 1 烧结理论烧结理论晶界曲率作为驱动晶界曲率作为驱动力力晶界面总是向曲率晶界面总是向曲率中心方向移动中心方向移动1 1 烧结理论烧结理论1.5 组织结构组织结构1.5.2 晶界晶界 晶界是晶界是无序无序的的非晶态非晶态结构，由于缺陷较多，所以晶界内的结构，由于缺陷较

8、多，所以晶界内的扩散扩散要要比晶粒内比晶粒内大大十几万倍。十几万倍。晶界上出现的杂质浓度差以及空位浓度差，在高温的影响下通过晶界上出现的杂质浓度差以及空位浓度差，在高温的影响下通过扩散会很快得到平衡。因而晶界就变成扩散会很快得到平衡。因而晶界就变成物质迁移和空位迁移的重要物质迁移和空位迁移的重要通道通道好比城市交通中街道的作用一样。好比城市交通中街道的作用一样。可以用扩散的方法把加入物中的离子或气氛中的离子取道晶界而可以用扩散的方法把加入物中的离子或气氛中的离子取道晶界而渗进渗进瓷坯中去，以获得新的陶瓷材料或元件，如阻挡层电容器，晶瓷坯中去，以获得新的陶瓷材料或元件，如阻挡层电容器，晶界层电容

9、器等等。界层电容器等等。1 1 烧结理论烧结理论1.5 组织结构组织结构1.5.2 晶界晶界 晶界的存在往往对晶界的存在往往对某些性能的传输或耦合产生阻力某些性能的传输或耦合产生阻力，例如对机电，例如对机电耦合不利，对光波、声波的传播产生反射或散射，从而使材料的耦合不利，对光波、声波的传播产生反射或散射，从而使材料的应用受到限制。如微声技术中用压电陶瓷为基片时，由于严重的应用受到限制。如微声技术中用压电陶瓷为基片时，由于严重的晶界散射，使其应用频率限制到几十兆周而不能再高。晶界散射，使其应用频率限制到几十兆周而不能再高。1 1 烧结理论烧结理论1.5 组织结构组织结构1.5.2 晶界晶界 烧结

10、时，瓷坯中的烧结时，瓷坯中的气孔常扩散至晶界而消失气孔常扩散至晶界而消失，如把气孔看成是，如把气孔看成是空位的空位的“源源”，则晶界就是空位的，则晶界就是空位的“沉没处沉没处”。烧结过程中由于晶体生长和重结晶的作用，而使许多不溶的烧结过程中由于晶体生长和重结晶的作用，而使许多不溶的杂杂质析出并聚集于晶界质析出并聚集于晶界，从这个意义上看，晶界又可理解为排纳，从这个意义上看，晶界又可理解为排纳杂质的垃圾沟。杂质的垃圾沟。气孔的问题是一个重要的问题，它不仅影响材料的机械强度，气孔的问题是一个重要的问题，它不仅影响材料的机械强度，同时还影响材料的一系列性能，如热学性能、光学性能、介同时还影响材料的一

11、系列性能，如热学性能、光学性能、介电性能。电性能。对隔热材料，气孔是越多越好，而对透光材料，则希望气孔对隔热材料，气孔是越多越好，而对透光材料，则希望气孔越少越好，最好没有气孔。越少越好，最好没有气孔。介电性能：气孔影响瓷坯绝缘强度。介电性能：气孔影响瓷坯绝缘强度。1 1 烧结理论烧结理论1.5 组织结构组织结构1.5.3 气孔气孔1 1 烧结理论烧结理论1.5 组织结构组织结构1.5.3 气孔气孔晶间气孔晶间气孔 晶内气孔晶内气孔1 1 烧结理论烧结理论1.5 组织结构组织结构1.5.3 气孔气孔1 1 烧结理论烧结理论1.5 组织结构组织结构1.5.3 气孔气孔2.1 2.1 烧成制度的确

12、定烧成制度的确定 烧成温度过高，容易使瓷坯变形，晶粒粗大，晶界间隙变宽。烧成温度过高，容易使瓷坯变形，晶粒粗大，晶界间隙变宽。烧成温度过低，瓷坯又不够致密，晶粒发育不完整，性能达烧成温度过低，瓷坯又不够致密，晶粒发育不完整，性能达不到要求。不到要求。烧成温度，保温时间以及晶粒大小和机电性能之间是有一定烧成温度，保温时间以及晶粒大小和机电性能之间是有一定关系的。关系的。根据：相图、差热曲线、烧成收缩曲线、体积密度。根据：相图、差热曲线、烧成收缩曲线、体积密度。2 2 烧结工艺烧结工艺2.2 2.2 烧成过程中出现的一些现象烧成过程中出现的一些现象（1 1）开裂）开裂 开裂的问题对陶瓷来说，是经常

13、碰到的问题。开裂的问题对陶瓷来说，是经常碰到的问题。如果开裂发生在低温的话，可能是水分、有机粘结剂的排除过快，如果开裂发生在低温的话，可能是水分、有机粘结剂的排除过快，只要低温时升温慢些即可解决。引起开裂的一个主要方面是多晶只要低温时升温慢些即可解决。引起开裂的一个主要方面是多晶转变，多晶转变的问题。转变，多晶转变的问题。在瓷坯中有玻璃相存在时，对阻止原顽辉石的晶粒长大和多晶转在瓷坯中有玻璃相存在时，对阻止原顽辉石的晶粒长大和多晶转变是有利的。变是有利的。因为玻璃相有抑制品粒生长的作用，小的晶粒对大因为玻璃相有抑制品粒生长的作用，小的晶粒对大晶粒来说由于晶界应力的存在总是较难发生多晶转变的。晶

14、粒来说由于晶界应力的存在总是较难发生多晶转变的。最后，由于滑石瓷烧成时生成的玻璃相数量多，冷却时降温速度最后，由于滑石瓷烧成时生成的玻璃相数量多，冷却时降温速度要慢些，不然玻璃相中的残余应力不易消除，也会导致开裂。要慢些，不然玻璃相中的残余应力不易消除，也会导致开裂。2 2 烧结工艺烧结工艺（2 2）变形）变形 引起变形的因素很多，如瓷坯烧成收缩过大，烧结范围很引起变形的因素很多，如瓷坯烧成收缩过大，烧结范围很狭以及液相数量较多等等。狭以及液相数量较多等等。2 2 烧结工艺烧结工艺2.3 2.3 烧结方法烧结方法1 1）普通烧结）普通烧结2 2 烧结工艺烧结工艺2 2）热压烧结）热压烧结 热压

15、烧结促进致密化的热压烧结促进致密化的机理大概有以下几种：机理大概有以下几种：(1)(1)由于高温下的塑性流动，由于高温下的塑性流动，(2)(2)由于压力使颗粒重排，由于压力使颗粒重排，使颗粒碎裂以及晶界滑移使颗粒碎裂以及晶界滑移而形成空位浓度梯度，而形成空位浓度梯度，(3)(3)由于空位浓度梯度的存在由于空位浓度梯度的存在而加速了空位的扩散。而加速了空位的扩散。2 2 烧结工艺烧结工艺热压的作用热压的作用 热压压力提高烧结温度降低，对控制热压压力提高烧结温度降低，对控制易挥发组分和易重结晶有好处；易挥发组分和易重结晶有好处；能够通过控制热压温度和热压时间控能够通过控制热压温度和热压时间控制晶粒

16、大小；制晶粒大小；提高瓷坯的强度。提高瓷坯的强度。2 2 烧结工艺烧结工艺3 3）高温等静压烧结）高温等静压烧结2 2 烧结工艺烧结工艺2 2 烧结工艺烧结工艺4 4）电场烧结）电场烧结2 2 烧结工艺烧结工艺5 5）放电等离子体烧结（）放电等离子体烧结（SPSSPS）2 2 烧结工艺烧结工艺2 2 烧结工艺烧结工艺2 2 烧结工艺烧结工艺6 6）微波烧结）微波烧结2 2 烧结工艺烧结工艺2 2 烧结工艺烧结工艺CONVENTIONAL HEATINGMICROWAVE HEATING0140012001000800600400200TEMPERATURE,C TIME,MIN.100 200 300 400 500 6002 2 烧结工艺烧结工艺2 2 烧结工艺烧结工艺 无添加剂无添加剂 17001700o oC,10 min in HC,10 min in H2 2添加氧化铬添加氧化铬17001700o oC,10 min in HC,10 min in H2 2 添加氧化钒添加氧化钒 17001700o oC,10 min in HC,10 min in H2 22 2 烧结工艺烧结工艺