一、燒結概述

燒結是利用熱能使粉末坯體致密化的技術。其具體的定義是指多孔狀態的坯體在高溫條件下，表面積減小、孔隙率降低、力學性能(機械強度等)提高的致密化過程。

坯體在燒結過程中要發生一系列的物理化學變化，如膨脹、收縮氣體的產生、液相的出現、舊晶相的消失、新晶相的形成等。

在不同的溫度、氣氛條件下，所發生變化的內容與程度也不相同從而形成不同的晶相組成和顯微結構，決定了陶瓷制品不同的質量和性能。

坯體表面的釉層在燒結過程中也會發生各種物理化學變化，最終形成玻璃態物質，從而具有各種物理化學性能和裝飾效果。

二、燒結的驅動力

生坯，顆粒間只有點接觸，強度很低，通過燒結，雖然在燒結時既無外力又無化學反應，卻能使點接觸的顆粒緊密結成堅硬而強度很高的瓷體。

燒結的動力是什么?是粉粒表面能。

粉料的比面積在1-10m2/g，粉料表面自由焓很高，粉料與燒結體相比處于能量不穩定狀態，高能量狀態有向低能量發展的趨勢

粉料在制備過程中，粉碎、球磨等機械能或其它能量以表面能的形式儲存在粉體中，造成粉料表面的許多晶格缺陷，使粉體具有較高的活性

粉體的過剩表面能：為燒結的推動力(燒結后總表面積降低3個數量級以上)

陶瓷粉體的表面能約為數百到上千J/mol。

化學反應過程中能量變化可達幾萬或十幾萬J/mol相比， 陶瓷粉體的表面能燒結推動力是很小的。

燒結不能自動進行。必須對粉體加溫，補充能量，才能使之轉變為燒結體。

三、燒結過程中的物質傳遞

除了推動力外，還必須有物質的傳遞過程，使氣孔逐漸得到填充，使坯體由疏松變得致密。

(1)蒸發和凝聚

(2)擴散

(3)粘滯流動與塑性流動

(4)溶解和沉淀

在燒結過程可能有幾種傳質機理在起作用

在一定條件下，某種機理占主導地位，條件改變，起主導作用的機理有可能隨之改變。

四、固相燒結過程及機理

燒結現象示意圖

a-晶粒重排

b1-疏松堆積的顆粒系統中顆粒中心靠近

b2-緊密堆積的顆粒系統中顆粒中心靠近

五、雙球模型

如果燒結粉體的形貌假設都為規則的球形的話，那么整個粉末坯體可以看作兩個顆粒之間的燒結。

(a)為未收縮的模型，顆粒之間的距離不發生變化，但是隨著燒結時間的增加，頸部尺寸會不斷增加，燒結樣品開始收縮，其收縮后的幾何模型如圖(b)，頸部增大主要是顆粒接觸間物質擴散和坯體收縮造成的。

初始階段的雙球模型

六、雙球模型燒結驅動力和機理

燒結的驅動力主要來源于顆粒表面曲率的變化而造成的體積壓力差、空位濃度差和蒸汽壓差，這些均可促使物質擴散；壓力差、空位濃度差、蒸汽壓差與曲率半徑成反比(1/r)

七、固相燒結的主要傳質方式是擴散傳質

存在表面擴散、晶界擴散和體積擴散，不是每種擴散傳質均能導致材料收縮或氣孔率降低。

物質以表面擴散或晶格擴散方式從表面傳遞到頸部，不會引起中心間距的減小，不會導致收縮和氣孔率降低

顆粒傳質從顆粒體積內或從晶界上傳質到頸部，會引起材料的收縮和氣孔消失，真正導致材料致密化。

材料的組成、顆粒大小、顯微結構(氣孔、晶界)、溫度、氣氛及添加劑等都會影響擴散傳質，進而影響材料的燒結。

八、液相燒結過程及機理

有液相參加的燒結稱為液相燒結。粉料中含少量雜質，在燒結中出現液相；或某一組分在高溫下熔融出現液相；

流動傳質比擴散傳質速度要快的多，燒結速率高，導致在更低的溫度下獲得致密的燒結體；

液相燒結具體的條件：

液相對固相顆粒的潤濕；固相在液相中有相當的溶解度；液相具有合適的粘度；具有相當數量的液相

九、顆粒重排

燒結溫度提高，通過粘性流動或因顆粒接觸點處局部應力的作用，分散在足夠數量的液相中的固體顆粒發生重排，得到了比較緊密的堆積。

重排的驅動力來自毛細管力的不平衡。這種不平衡來自顆粒和顆粒尺寸的分布、顆粒的不規則形狀、坯體中局部密度波動以及材料性質的各向異性。

假設兩顆粒間的有一牛頓型液體，形變速率與施加在顆粒上的剪切應力成正比。因此，得到的致密化速率

十、溶解-沉淀

較小的固體顆?；蝾w粒表面凸起部分溶解，在較大顆粒表面沉積晶粒長大和晶粒形狀變化，進一步致密化。

對于多組分系統，在受壓顆粒接觸區的高溶解物，通過液相擴散向晶粒非受壓區遷移，然后在非受壓(自由)固相表面再沉淀。

十一、氣孔排除

在燒結中期，相互連續的氣孔通道開始收縮，形成封閉的氣孔，氣孔封閉后，進入最后階段。

在燒結末期，幾個過程可以同時發生，包括晶粒和氣孔的生長和粗化，液相組分擴散進入固相，固相、液相或氣相間反應產物的形成。

液相燒結在結構陶瓷、電子陶瓷等領域大量應用。

純Si₃N₄難進行固相燒結， 須加入添加劑， 如MgO， Y₂O₃， Al₂O₃。

在高溫時添加劑和α-Si₃N₄顆粒表面的SiO₂， 形成硅酸鹽液相， 并能潤濕和溶解α-Si₃N₄，在燒結溫度下，析出β-Si₃N_4。