CaO-Al2O3质耐火材料固相反应烧结影响因素,由耐火材料厂家搜索整理分享。
科瑞厂部的烧结成型车间
烧结是指坯体在一定的高温条件下,内部通过一系列的物理化学过程,使材料获得一定密度、显微结构、强度和其他性能的一个过程。
烧结是材料制备过程中最重要的一个环节。烧结过程一般包括三个阶段,即烧结初期、烧结中期和烧结后期。烧结初期,颗粒黏结,颗粒间接触点通过成核、结晶长大等过程形成烧结颈。
在这个阶段,颗粒内的晶粒不发生变化,颗粒的外形基本保持不变,整个烧结体没有收缩,密度增加极小。烧结初期对致密化的贡献很小。烧结中期烧结颈长大,原子向颗粒结合面迁移使烧结颈扩大,颗粒间间距缩短,形成连续的孔隙网络。
随着颗粒长大,晶界和孔隙的移动或越过孔隙使之残留于晶粒内部。该阶段烧结体的密度和强度增加。烧结后期孔隙球化或缩小,烧结体密度达到理论密度的90%。此时,大多数孔隙被分割,晶界上的物质继续上气孔扩散填充,致密度化继续进行,晶粒也继续长大。
这个阶段烧结体主要通过小孔隙的消失和孔隙数量的减少来实现收缩,收缩比较缓慢。高度分散的粉末颗粒具有很大的表面能,烧结后则由结晶代替。表面的自由焓大于晶界自由焓就成为烧结的驱动力。在这样的驱动力下必然伴随物质的迁移。
但是同样的表面张力下,物质的迁移却各不相同。无机材料的固相烧结主要通过扩散传质和液相传质两种传质方式。
粉末坯体在高温烧结时会出现热缺陷,颗粒各个部位的缺陷浓度有一定差异。颗粒表面或颗粒界面上的原子和离子排列不规则,活性较强,导致表面与界面上的空位浓度较晶粒内部大。而颗粒相互接触的颈部,可以看作是空位的发源地。
因此,在颈部、晶界、表面及晶粒内部之间存在空位浓度梯度。空位浓度梯度的存在使结构基元定向迁移。
一般结构基元由晶粒内部通过表面和晶界向颈部迁移,而空位则进行反方向迁移。扩散传质从传质模型上分析,主要包括表面物质的表面扩散和晶格扩散、晶界物质的晶界扩散和晶格扩散以及位错位置的晶格扩散。基于扩散传质分析,扩散传质的推动力就是由于表面张力的不均匀分布。
液相传质是无机材料的固相反应烧结过程中不可避免要出现的。在具有活泼液相的烧结系统中,液相所起到的作用不仅仅是利用表面张力将两个固相颗粒拉近和拉紧,而且在烧结过程中固相在液相中的溶解和及在液相中析出过程具有意义。
液相传质过程中的“溶解一沉淀”的要条件是有一定数量的液相,同时固相在液相中显著的溶解度,液相能够润湿固相。烧结的致密化驱动力来自于固相颗粒间液相的毛细管压力。
液相烧结过程中在毛细管压力的推动下,颗粒相对移动和重排;颗粒间的接触点具有较高的局部应力,导致塑性变形和蠕变,促使颗粒进一步重排;颗粒间存在的液相使颗粒互相压紧,提高了固相在液相中的溶解度,较小的颗粒溶解,而在较大的颗粒上沉淀在晶粒长大和形变的过程中,颗粒也不断地进行重排,颗粒中心互相靠近而产生收缩。
从以上传质机理分析看来,对于无机材料合成,尤其是耐火原料合成过程中基本都包含以上传质过程。当烧结处于较低温度时,发生了没有液相参与的扩散传质。
而烧结达到一定温度后,由于杂质及添加剂的加入使固相颗粒的晶界处出现部分液相削弱了扩散传质的程度。传质方式有扩散传质逐渐演变成了液相传质,以溶解沉淀传质为主。