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添加劑促進陶瓷致密化的機理

燒結是使陶瓷坯體致密化,并使之成為具有某種顯微結構的一個關鍵步驟。當然燒結以前的各工序對最后的結構同樣有著重要的影響,但是為了獲得更為滿意的顯微結構,以便提高某種
    燒結是使陶瓷坯體致密化,并使之成為具有某種顯微結構的一個關鍵步驟。當然燒結以前的各工序對最后的結構同樣有著重要的影響,但是為了獲得更為滿意的顯微結構,以便提高某種性能,了解燒結致密化問題是有益的。
    以燒結對顯微結構的影響來說,主要因素有:(1)粉末顆粒尺寸和活性;(2)添加劑;(3)溫度;(4)保溫時間;(5)壓力;(6)氣氛。
    為了得到需要的顯微結構和性能的材料,人們力圖調整和控制這些參數,若控制得當,可以得到接近完全致密的材料。正如前面已經指出的,氣孔作為陶瓷顯微結構的重要組成部分,如完全排除它,對材料的許多性能是大有好處的。完全排除氣孔,意味著某些過程得到了加速。氣孔得到更快地充填,燒結得以加速進行。另一方面,氣孔幾乎被完全排除,表明在燒結時,氣孔沒有被包進晶粒內部,這就意味著Vb -直沒有明顯地超過Vp,大多數氣孔始終處于晶界上,從而可以得到有效地排除。
    為了使一些陶瓷材料燒結到高度致密化,總需要選用一種或幾種添加劑來促進燒結和致密化。但是要了解清楚添加劑對不同泵統的燒結機理,了解氣孔為什么會被更好地排除,往往需要進行大量的工作,才能逐步搞清楚。對添加劑的選擇多少帶有一定的經驗性,其主要原因:(1)可以同時存在的致密化機理太多,不容易知道哪種在起主導作用。就以簡單的A12 03而論,在致密化過程中,兩種離子都需要遷移,每種離子至少有兩種途徑,所以有四種可能的遷移途徑,每種都可能起控制作用。如選用添加劑來促進燒結,只有能夠促進那個控制過程的添加劑,才能有效。如圖1-3-19。(2)在改變時,控制機理也可能發生改變。(3)添加劑雖然是促進燒結致密化的一種有效辦法.但 添加劑的作用并不容易確定,因為添加劑對燒結所起的作用,有以下幾個方面:
    1)改變點缺陷濃度,從而改變某種離子的擴散系數;
    2)在晶界附近富集,影響晶界的遷移速率,從而減少晶粒長大的干擾作用;
    3)提高表面能與界面能的比值,直接提高致密化的動力;
    4)在晶界形成連續第二相,為原子擴散提供快速途徑;
    5)第二相在晶界的釘扎作用,阻礙晶界遷移。
    蓋戈要搞清楚一種添加劑所起的作用,常常要做大量反復的工作,現代測試方法對此是必7i夕約。 --51年R.L.Coble采用添加Mg0的辦法,把A12 03陶瓷燒結到接近理論密度,即很少寫三孔被包裹到晶粒內去,絕大部分被排除掉,去掉了對可見光的大量散射中心,使A12 03陶曼至為半透明狀態。人們開始研究Mg0為什么能促進A120。的致密化、幫助排除氣孔,對其:王硯理,有許多學者從不同角度采用不同方法進行大量研究,對這個問題得到比較滿意的回;:Coble在1961年首先認為是Mg0溶解于A1:Oj中,提高了控制擴散過程的離子缺陷濃主.’I、而促進燒結致密化。此后R_ Jorgensen等人從為、Ig0固溶在Al-O÷中,并在晶界富姜.抵制晶粒長大。1973年A.Mocellin等人又提出、Ig0對晶垃長大的抑制作用,來源于二奢質在晶界的釘扎效應。W.C.Johnson等,‘、添加了大量、Ig0.也認為第二相的釘孑L效應三礙了晶粒長大。直至J.G.J.Peele才比較好地把這個問題說清楚,他的結果表明:不論添加量或較多量Mg0,都可促進Al:O。的致密化,但機理不一樣。在固溶極限以下(1630℃約了;。0 ppm)主要是由于提高了點缺陷濃度,加速A13+的晶格擴散。而當Mg0的添加量增.超過固溶極限以上,則第二相在晶界的釘扎就發生了作用。這說明過去的兩種解釋都是正甍的。只是條件不同,機理也相應發生變化。M.Harmer等用高溫快速燒成方法,對比了純Al20。與添加200 ppm Mg0或200 ppm_ i02的燒結性能,發現后二者都可促進A12 03的燒結,經1850℃保溫5 min,添加Mg0的樣晶已接近理論密度。同時兩者都有正常的晶粒長大,尺寸均勻,氣孔保持在晶界。而純A120。劉有一些不正常晶粒長大,氣孔被包人品粒內。
    作者認為Mg0或Ti02固溶于A1。O。中同時促進烷結和晶粒長大,說明兩者是有關聯的。由于致密化速率加快,使在相同晶粒尺寸的情況下,氣孔尺寸更小一些。這樣氣孑L對晶界遷移的抑制作用比正常情況要小,所以晶粒長大速度反而比純Al:O。為快。這一事實也表明固溶雜質對晶界移動的牽制作用并不是很大的。晶界運動受氣孔控制。
    Mg0與Ti02的作用都是由于提高A13+離子的缺陷濃度所致:對TiO:來講,比較簡單,Ti4+離子的加入,提高了A13+離子的缺陷濃度,因而加快了A13+離子的晶格擴散。對Mg0來講,情況要復雜一些,可能由于Mg2+占據了A13+的位置,促進了間隙AI3+離子增加。因此添加Mg0的作用,可能由于間隙機理,促進了A13+離子的擴散。
    可見,添加劑對促進燒結機理是復雜的,對顯微結構的影響也很大。


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本文“添加劑促進陶瓷致密化的機理”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時間:2014-12-18 10:44:38
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