材料科學基礎第十章答案

4/6第十章答案10-1名詞解釋：燒結燒結溫度泰曼溫度液相燒結固相燒結初次再結晶晶粒長大二次再結晶（1）燒結：粉末或壓坯在低于主要組分熔點的溫度下的熱處理，目的在于通過顆粒間的冶金結合以提高其強度。（2）燒結溫度：坯體在高溫作用下，發(fā)生一系列物理化學反應，最后顯氣孔率接近于零，達到致密程度最大值時，工藝上稱此種狀態(tài)為"燒結"，達到燒結時相應的溫度，稱為"燒結溫度"。（3）泰曼溫度：固體晶格開始明顯流動的溫度，一般在固體熔點（絕對溫度）的2/3處的溫度。在煅燒時，固體粒子在塔曼溫度之前主要是離子或分子沿晶體表面遷移，在晶格內部空間擴散（容積擴散）和再結晶。而在塔曼溫度以上，主要為燒結，結晶黏結長大。（4）液相燒結：燒結溫度高于被燒結體中熔點低的組分從而有液相出現(xiàn)的燒結。（5）固相燒結：在固態(tài)狀態(tài)下進行的燒結。（6）初次再結晶：初次再結晶是在已發(fā)生塑性變形的基質中出現(xiàn)新生的無應變晶粒的成核和長大過程。（7）晶粒長大：是指多晶體材料在高溫保溫過程中系統(tǒng)平均晶粒尺寸逐步上升的現(xiàn)象.（8）二次再結晶：再結晶結束后正常長大被抑制而發(fā)生的少數(shù)晶粒異常長大的現(xiàn)象。10-2燒結推動力是什么？它可憑哪些方式推動物質的遷移，各適用于何種燒結機理?解：推動力有：（1）粉狀物料的表面能與多晶燒結體的晶界能的差值，燒結推動力與相變和化學反應的能量相比很小，因而不能自發(fā)進行，必須加熱!!（2）顆粒堆積后，有很多細小氣孔彎曲表面由于表面張力而產生壓力差，（3）表面能與顆粒之間形成的毛細管力。傳質方式：（1）擴散（表面擴散、界面擴散、體積擴散）；（2）蒸發(fā)與凝聚；（3）溶解與沉淀；（4）黏滯流動和塑性流動等，一般燒結過程中各不同階段有不同的傳質機理，即燒結過程中往往有幾種傳質機理在起作用。10-3下列過程中，哪一個能使燒結體強度增大，而不產生坯體宏觀上的收縮?試說明理由。（1）蒸發(fā)－冷凝；（2）體積擴散；（3）粘性流動；（4）晶界擴散；（5）表面擴散；（6）溶解－沉淀解：蒸發(fā)－凝聚機理（凝聚速率＝頸部體積增加）燒結時頸部擴大，氣孔形狀改變，但雙球之間中心距不變，因此坯體不發(fā)生收縮，密度不變。10-4什么是燒結過程？燒結過程分為哪三個階段？各有何特點？解：燒結過程：粉末或壓坯在低于主要組分熔點的溫度下的熱處理，目的在于通過顆粒間的粘結結合以提高其強度。燒結過程大致可以分為三個界線不十分明顯的階段。（1）液相流動與顆粒重排階段：溫度升高，出現(xiàn)足夠量液相，固相顆粒在DP作用下重新排列，顆粒堆積更緊密；（2）固相溶解與再析出：接觸點處高的局部應力?塑性變形和蠕變?顆粒進一步重排；（3）固相的的燒結：小顆粒接觸點處被溶解較大顆?；蜃杂杀砻娉练e晶粒長大形狀變化不斷重排而致密化。10-5燒結的模型有哪幾種？各適用于哪些典型傳質過程？解：粉體壓塊：蒸發(fā)－凝聚雙球模型：有液相參與的粘性蠕變擴散Kingery和LSW：溶解-沉淀10-6某氧化物粉末的表面能是1000erg/cm2，燒結后晶界能是550erg/cm2，若用粒徑為1μm的粉料（假定為方體）壓成1cm3的壓塊進行燒結，試計算燒結時的推動力。解：2x（1000/1x10-4-550/1x10-2）=1.99x107erg/cm310-7有粉粒粒度為5μm，若經2h燒結后，x/r＝0.1。如果不考慮晶粒生長，若燒結至x/r＝0.2。并分別通過蒸發(fā)－凝聚、體積擴散、粘性流動、溶解－沉淀傳質，各需多少時間？若燒結8h，各個傳質過程的頸部增長x/r又是多少？解：根據(jù)查得各傳質方式公式可得：時間分別為16h，64h，8h，128h，若只燒結8h，則X/R分別為0.1×41/3，0.1×41/5，0.2，0.1×41/6。10-8如上題粉料粒度改為16μm，燒結至x/r＝0.2，各個傳質需多少時間？若燒結時間為8h，各個過程的x/r又是多少？從兩題計算結果，討論粒度與燒結時間對四種傳質過程的影響程度？解：蒸發(fā)－凝聚：顆粒粒度愈小燒結速率愈大。初期x/r增大很快，但時間延長，很快停止；體積擴散：燒結時間延長，推動力減小。在擴散傳質燒結過程中，控制起始粒度很重要；粘性流動：粒度小為達到致密燒結所需時間短，燒結時間延長，流變性增強；溶解－沉淀：粒度小，傳質推動力大。燒結時間延長，晶粒致密程度增加。10-9試就（1）推動力來源；（2）推動力大小；（3）在陶瓷系統(tǒng)的重要性來區(qū)別初次再結晶、晶粒長大和二次再結晶。解：晶粒生長——材料熱處理時，平均晶粒連續(xù)增大的過程。推動力：基質塑性變形所增加的能量提供了使晶界移動和晶粒長大的足夠能量。晶粒生長取決于晶界移動的速率。二次再結晶——（晶粒異常生長或晶粒不連續(xù)生長）少數(shù)巨大晶體在細晶消耗時成核-長大過程。推動力：大、小晶粒表面能的不同。二次再結晶晶粒長大不均勻生長均勻生長不符合Dl=d/f符合Dl=d/f氣孔被晶粒包裹氣孔排除界面上有應力界面無應力10-10有人試圖用延長燒結時間來提高產品致密度，你以為此法是否可行，為什么？解：不可行。蒸發(fā)－凝聚機理（凝聚速率＝頸部體積增加）此類傳質不能靠延長時間達到燒結。高溫短時間燒結是制造致密陶瓷材料的好方法。10-11假如直徑為5μm的氣孔封閉在表而張力為280dayn/cm2的玻璃內，氣孔內氮氣壓力是0.8atm，當氣體壓力與表面張力產生的負壓平衡時，氣孔尺寸是多少?解：2x280x0.001/r=0.8x101325r=6.9μm10-19試分析二次再結晶過程對材料性能有何種效應?解：二次再結晶發(fā)生后,由于個別晶粒異常長大,氣孔進入晶粒內部,成為孤立閉氣孔,不易排除,使燒結速率降低甚至停止,肧體不再致密；加之大晶粒的晶界上有應力存在,使其內部易出現(xiàn)隱裂紋,繼續(xù)燒結時肧體易膨脹而開裂,使燒結體的機械,電學性能下降。10-20特種燒結和常規(guī)燒結有什么區(qū)別？試舉例說明。解：常規(guī)燒結過程主要是基于顆粒間的接觸與鍵合,以及在表面張力推動下物質的傳遞過程。其總體的推動力由系統(tǒng)表面能提供。這就決定了其致密化是有一定限度的。常規(guī)條件下坯體密度很難達到理論密度值。對于特種燒結,它是為了適應特種材料對性能的要求而產生的。這些燒結過程除了常規(guī)燒結中由系統(tǒng)表面能提供的驅動力之外,還由特殊工藝條件增加了系統(tǒng)燒結的驅動力,因此提高了坯體的燒結速率,大大增加了坯體的致密化程度。例如熱壓燒結,它是加壓成型與加壓燒結同時進行的一種燒結工藝。由于同時加溫加壓,有利于粉末顆粒的接觸、擴散和流動等傳質過程,降低了燒結溫度和燒結時間,抑制了晶粒的長大。其容易獲得接近理論密度、氣孔率接近零的燒結體。10-21（1）燒結MgO時加入少量FeO，在氫氣氛和氧分壓低時都不能促進燒結，只有在氧分壓高的氣氛下才促進燒結；（2）燒結Al2O3時，氫氣易促進致密化而氮氣妨礙致密化。試分析其原因。解：（1）對FeO,易形成負離子過剩型非化學計量化合物,其缺陷反應式為：

另外,在MgO的燒結中是正離子起擴散起控制作用的燒結過程,因而氧氣氛和氧分壓較高是有利的。（2）燒結氧化鋁Al2O3時,由于氫原子半徑很小,擴散系數(shù)較大,易于擴散而有利于閉氣孔的清除；而原子半徑大的氮則由于其擴散系數(shù)較小難于擴散而阻礙燒結。10-22磁性氧化物材料被認為是遵循正常晶粒長大方程。當顆粒尺寸增大超出1μm的平均尺寸時，則磁性和強度等性質就變壞，未燒結前的原始顆粒大小為0.1μm。燒結30min使晶粒尺寸長大為原來的3倍。因大坯件翹曲，生產車間主任打算增加燒結時間。你想推薦的最長時間是多少?解：由D0=0.1μm和t=30min,D=3D0=0.3μm可得：

D2-D02=ktK=0.08/30μm2/min

D=1μm,12-（0.1）2=kt=0.08/30t

∴t=371.25min10-23分析添加物是如何影響燒結的。解：（1）外加劑與燒結主體形成固溶體兩者離子產生的晶格畸變程度越大，越有利于燒結。例：Al2O3中加入3％Cr2O3可在1860℃燒結；當加入1～2％TiO2只需在約1600℃就能致密化。（2）外加劑與燒結主體形成液相在液相中擴散傳質阻力小，流動傳質速度快，降低了燒結溫度和提高了坯體的致密度。例：制95％Al2O3材料，加入CaO、SiO2，當CaO:SiO2=1時，產生液相在1540℃即可燒結。（3）外加劑與燒結主體形成化合物抑制晶界移動。例：燒結透明Al2O3時，加入MgO或MgF2,形成MgAl2O4（4）外加劑阻止多晶轉變例：ZrO2中加入5％CaO。（5）外加劑（適量）起擴大燒結范圍的作用例：在鋯鈦酸鉛材料中加入適量La2O3和Nb2O5，可使燒結范圍由20～40℃增加到80℃。10-24為了減少燒結收縮，可把直徑1μm的細顆粒（約30％）和直徑50μm的粗顆粒進行充分混合，試問此壓塊的收縮速率如何？如將1μm和50μm以及兩種粒徑混合料制成的燒結體log（△L/L）的logt和的曲線分別繪入適當位置，將得出什么結果？解：燒結收縮有：………………（1）…………（2）比較式（1）和式（2）是可見，在初期的重排階段，相對收縮近似地和時間的次方成比例，說明致密化速度減慢了，若將式（1）和式（2）以對作圖，則曲線斜率分別接近于和1。各曲線可明顯的分為三段，初期斜率接近于1,中期粗略的接近于，至于后期，曲線十分的平坦，說明在后期致密化速度減慢了。10-25影響燒結的因素有哪些？最易控制的因素是哪幾個？解：（1）粉末的粒度。細顆粒增加了燒結推動力，縮短原子擴散距離，提高顆粒在液相中的溶解度，從而導致燒結過程的加速。（2）外加劑的作用。在固相燒結中，有少量外加劑可與主晶相形成固溶體，促進缺陷增加，在液相燒結中，外加劑改變液相的性質（如粘度，組成等），促進燒結。（3）燒結溫度：晶體中晶格能越大，離子結合也越牢固，離子擴散也越困難，燒結溫度越高。保溫時間：高溫段以體積擴散為主，以短時間為好，低溫段為表面擴散為主，低溫時間越長，不僅不引起致密化，反而會因表面擴散，改變了氣孔的形狀而給制品性能帶來損害，要盡可能快地從低溫升到高溫，以創(chuàng)造體