【環(huán)氧板】的動(dòng)力

對(duì)于很多顆粒增強(qiáng)或晶須增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料，，制備過(guò)程都要經(jīng)過(guò)環(huán)氧板。材料制備時(shí),往往會(huì)為促指粉體經(jīng)加熱而致密化的簡(jiǎn)單物理過(guò)程,不涉及化學(xué)變化?？赡軙?huì)存在部分化學(xué)反應(yīng)。本節(jié)進(jìn)燒結(jié)而加人一些添加劑,或者粉體本身中含有些質(zhì).因而可

只討論沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的燒結(jié)過(guò)程。燒結(jié)可根據(jù)是否存在液相而分為液相燒結(jié)和固相燒結(jié)。從熱力學(xué)觀(guān)點(diǎn)看,不論哪種燒結(jié)，燒結(jié)的推動(dòng)力不外平以下三個(gè):粉體表面能與多晶燒結(jié)體的晶界能之差，即能量差;顆粒彎曲表面的壓力差,簡(jiǎn)稱(chēng)為壓力差;顆粒表面的空位濃度和內(nèi)部空位濃度差，即空位差。

從環(huán)氧板動(dòng)力學(xué)來(lái)看，燒結(jié)的過(guò)程主要是質(zhì)量傳遞的過(guò)程。質(zhì)量傳遞的速率直接影響燒結(jié)速率.固相燒結(jié)和液相燒結(jié)的傳質(zhì)機(jī)理不同，前者主要是蒸發(fā)凝聚傳質(zhì)和擴(kuò)散傳質(zhì),后者主要是流動(dòng)傳質(zhì)和溶解沉淀傳質(zhì)，下面分別介紹。

蒸發(fā)凝聚傳質(zhì)主要在高溫下蒸氣壓較大的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，如圖10-17所示?？梢钥闯觯谇蛐晤w粒表面有正的曲率半徑，而在兩個(gè)顆粒連接處有-一個(gè)小的負(fù)曲率半徑。固體顆粒表面曲率不同導(dǎo)致其蒸氣壓不同，其壓差可用 下式表示:

式中,P。，P，分別為曲率半徑為r。和的蒸氣壓;Y為表面張力;M為相對(duì)分子質(zhì)量;p為密度;R為氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度。從上述模型和壓差公式中可以看出，物質(zhì)將從蒸氣壓高的凸形顆粒表面蒸發(fā),通過(guò)氣相傳通面凝聚到燕氣壓低的凹形頸部，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量傳遞。由于該傳質(zhì)方式和顆粒曲率半徑有關(guān)，

可以看出，原料起始粒度和燒結(jié)溫度是燒結(jié)工藝的重要參數(shù):粉末的起始粒徑越小，燒結(jié)速率越快;由于蒸氣壓P,隨溫度而指數(shù)增加，因而提高溫度也可以提高燒結(jié)速率。此外，接觸頸部生長(zhǎng)隨時(shí)間t的1/3次方變化。這在燒結(jié)初期可以觀(guān)察到此規(guī)律。隨著燒結(jié)的進(jìn)行，頸部增長(zhǎng)很快停止。因此,對(duì)于此類(lèi)傳質(zhì)過(guò)程，延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間不能達(dá)到促進(jìn)燒緒的效果。

從蒸發(fā)傳質(zhì)模型中可以看出，在傳質(zhì)機(jī)理下，燒結(jié)過(guò)程中球與球之間的中心距不變。因而,在這種傳質(zhì)過(guò)程中,僅改變氣孔形狀，坯體不發(fā)生收縮，也不影響坯體的密度。若要進(jìn)一步燒結(jié),還需依靠擴(kuò)散傳質(zhì)。對(duì)于碳化物、氮化物等陶瓷基復(fù)合材料,由于高溫下蒸氣壓低，傳質(zhì)更易通過(guò)固態(tài)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行。

根據(jù)擴(kuò)散路徑的不同，擴(kuò)散可分為表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和體積擴(kuò)散。表面擴(kuò)散是指質(zhì)點(diǎn)沿顆粒表面進(jìn)行的擴(kuò)散，晶界擴(kuò)散是指質(zhì)點(diǎn)沿顆粒之間的界面遷移,體積擴(kuò)散主要是指晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散。根據(jù)擴(kuò)散傳質(zhì)燒結(jié)進(jìn)行的程度，可將擴(kuò)散過(guò)程分為燒結(jié)初期、中期和后期。不同階段起主導(dǎo)作用的擴(kuò)散方式有所不同。其中,表面擴(kuò)散起始溫度低,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于體積擴(kuò)散，在燒結(jié)初期作用較為顯著。而晶界擴(kuò)散和體積擴(kuò)散則在燒結(jié)中期和后期起主導(dǎo)作用。

從環(huán)氧板動(dòng)力學(xué)來(lái)看，在燒結(jié)初期,擴(kuò)散傳質(zhì)為主的燒結(jié)過(guò)程中，每種燒結(jié)機(jī)制的饒結(jié)速率有所不同。庫(kù)津斯基綜合了各種燒結(jié)機(jī)制，給出了燒結(jié)初期的典型方程

可以看出，溶解-沉淀傳質(zhì)過(guò)程影響因素較多，因而其研究也更為復(fù)雜。從環(huán)氧板的傳質(zhì)機(jī)理可以看出，燒結(jié)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程。實(shí)際制備復(fù)合材料時(shí)，可能是幾種機(jī)理在相互作用，在不同的階段也可能存在不同的傳質(zhì)機(jī)理，還可能存在化學(xué)反應(yīng)，尤其是增強(qiáng)體和界面的界面反應(yīng)。因此，需要考慮燒結(jié)過(guò)程的各個(gè)方面，如原料粒徑、粒徑分布、雜質(zhì)、燒結(jié)助劑、燒結(jié)氣氛和溫度等,才能真正掌握和控制整個(gè)燒結(jié)過(guò)程。