第三章烧结机构Sinteringmechanisms参考模板范本.doc

1、第三章 烧结机构 Sintering mechanisms 1 烧结机构的内涵及分类1 内涵：物质迁移方式（mass transport path）迁移速率 烧结动力学2 烧结机构的分类描述物质迁移通道和过程进行速度烧结机构示意图.表面迁移：SS表面扩散(surface diffusion)：球表面层原子向颈部扩散。蒸发-凝聚(evaporation-condensation)：表面层原子向空间蒸发，借蒸汽压差通过气相向颈部空间扩散，沉积在颈部。.宏观迁移：VV体积扩散(volume or lattice diffusion)：借助于空位运动，原子等向颈部迁移。粘性流动(viscous flo

2、w)：非晶材料，在剪切应力作用下，产生粘性流动，物质向颈部迁移。塑性流动(plastic flow)：烧结温度接近物质熔点，当颈部的拉伸应力大于物质的屈服强度时，发生塑性变形，导致物质向颈部迁移。晶界扩散(grain boundary diffusion)：晶界为快速扩散通道。原子沿晶界向颈部迁移。位错管道扩散(dislocation pipe diffusion）：位错为非完整区域，原子易于沿此通道向颈部扩散，导致物质迁移。.建立简单的几何模型，如烧结球模型.选定表征烧结过程的可测的几何参数，如烧结颈尺寸，中心距；.假定某一物质迁移方式，建立物质流的微分方程；.根据具体边界条件求解微分方程解

3、析式（可测参数与时间关系）；.模拟烧结实验，由实验数据验证所得涵数关系确定该物质迁移机构是具体烧结体系的烧结机构.2 烧结机构的研究方法与步骤双球体几何模型相切模型两球中心距不变两球相切 几何关系： (a+)2=(x+)2+a2=x2/2a（近似）3 烧结几何模型：相切模型贯穿模型中心距缩短烧结初期发生大量物质迁移几何关系 (a-2)2+x2=a2=x2/4a （近似）4 烧结动力学方程粘性流动 由Frenkle、Kuczynski分别提出Frenkle两个假设.烧结体是不可压缩的牛顿粘性流体.流体流动的驱动力是表面能对它做功，并以摩擦功形式散失单位时间内，单位体积内散失的能量为，表面降低对粘

4、性流动做的体积功为.d A/d t则 V=.d A/d t经一系列几何和微分处理后，得烧结特征方程x2/a=(3/2)/.t或(x/a)2=(3/2)/(a).t2ln(x/a)=A+l n t简单处理过程：实验验证以l n(x/a)作纵坐标、时间作横坐标绘制实验测定值直线其斜率为1/2则粘性流动为烧结的物质迁移机构Kuczynski处理：=d/d t且与成正比，d/d t与d x/(x.d t)成正比/=K.d x/(x.d t)考虑到=x2/2ax2/a=K/.t由粘性流动造成球形孔隙收缩为d r/d t=-3/(4) （均匀收缩）孔隙消除所需时间为t=4/(3).Ro （Ro为孔隙初始半

5、径）在时刻t孔隙尺寸R为Ro-R=2/.t烧结特征方程：x m/an =F(T).t烧结颈对平面的蒸汽压差P=-P o /(KT)当球径比烧结颈半径大很多时，球表面的蒸汽压差P=Pa-P o可以忽略不计。2 蒸发-凝聚P o可由Pa代替P=- P a /(KT)单位时间内凝聚在烧结颈表面的物质量由Langmuir公式计算m=P(M/2RT)1/2 M为原子量颈长大速度d V/d t=A(m/d)A=颈表面积；d=物质密度经几何计算、变换和积分后x3/a=3M(M/2RT)1/2Pa/(d2RT).t注意：M=N d 及k=KN.烧结动力学方程烧结颈长大是颈表面附近的空位向球体内扩散 球内部原子

6、向颈部迁移的结果 颈长大的连续方程 d v/d t=J v.A.3 体积扩散 volume diffusionJ v=单位时间内通过颈的单位面积空位个数即空位流速率由Fick第一定律 J v=D v.C v= D v.C v/D v=空位扩散系数（个数）若用体积表示原子扩散系数， 即D v=D vC v o=D v o.e x p(-Q/RT)d v/d t=A D v.C v/其中A=(2X).(2) V=X2.2 =X2/2ax5/a2=20Dv/KT.tKingery-Berge方程：=X2/4ax5/a2=80Dv/KT.t.孔隙收缩动力学方程孔隙表面的过剩空位浓度C v=C v o

7、/（k T r）若孔隙表面至晶界的平均距离与孔径处于同一数量级，则空位浓度梯度C v=C v o /（kTr2）由Fick第一定律d r/d t=-D vC v =-D v /（kTr2）分离变量并积分ro3-r3=3/（k T）.D v t.线收缩率动力学方程：由第二烧结几何模型a/a=1-Cos =2Sin2(/2) =2(/2)2 =x/a很小 =x2/2a2 =L/L 与Kingery-Berge烧结动力学方程联立L/L o =(20Dv/21/2kT)2/5t2/5L/L o可用膨胀法测定实验验证： lnL/Lolnt作曲线 其斜率为2/5基本观点：.低温时，表面扩散起主导作用 而在

8、高温下，让位于体积扩散.细粉末的表面扩散作用大4 表面扩散烧结早期孔隙连通，表面扩散的结果导致小孔隙的缩小与消失，大孔隙长大.烧结后期表面扩散导致孔隙球化.金属粉末表面氧化物的还原，提高表面扩散活性两者的扩散激活能差别不大， 但D v oD so，故D vDs烧结动力学方程Kuczynski: x7/a3=(56Ds4/k T).tRocland: x7/a3=(34Ds4/k T).t为表面层厚度，采用强烈机械活化可提高有效表面活性的厚度，从而加快烧结速度。5 晶界扩散晶界是空位的“阱”（Sink），对烧结的贡献体现在：.晶界与孔隙连接，易使孔隙消失.晶界的扩散激活能仅体积扩散的一半，Dg

9、bD v细粉烧结时，在低温起主导作用，并引起体积收缩.烧结动力学方程x6/a2=(960Dgb4/k T).t （=晶界宽度）通式：Xm/an=F(T).tMechanismTransport path：sourcesinkGeometric assumptions m nViscous flowinterior of the sphere to neck =x2/2a 2 1Surface diffusionSphere surface near the neck to neck =x2/2a 5 2Evaporation-condensationSphere surface to neck

10、 =x2/2a 3 1Volume diffusion.GB to neck.near neck sphere surface to neck =x2/4a =x2/2a 5 2Grain boundary diffusionGrain boundary(GB) to neck =x2/4a 6 25 烧结机构的动力学特征方程.在某一烧结期间，很可能有几种机构同时起作用.具体的主导烧结机构取决于粉末材质，粉末粒度，粉末颗粒的致密程度，表面状态，活化与否，烧结温度和烧结气氛 烧结机构的判断方法1）指数法实际结果不是整数，而是小数6 烧结机构对烧结过程的贡献具有模糊性难以提供准确的评价信息2）烧结图描述粉末的烧结行为的十分有效的工具.以烧结颈尺寸为纵坐标烧结时间作横坐标研究两者间的对应关系和烧结阶段各分界线表示相邻两烧结机构对烧结的贡献各为50%5 / 5