2020-06-23 00:11:16

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陶瓷原料成形体在一定温度下通过固相、液相和气相相互间发生化学反应,同时进行致密化和规定组分的合成,得到预定的烧结体的过程。制品在烧成前后几乎没有尺寸收缩。采用各种陶瓷成型工艺,能制得各种形状复杂的陶瓷制品。反应烧结的温度低于其他烧结方法的烧结温度。制成的制品气孔率较高,机械性能较差。反应烧结得到的制品不需要昂贵的机械加工,可以制成形状复杂的制品,在工业上得到广泛应用。

基本信息

  • 中文名

    反应烧结

  • 外文名

    reactive sintering

  • 别名

    活化烧结

  • 作用

    制成有一定强度和尺寸精度的成品

  • 影响因素

    升温速度、温度、粉末粒度等

折叠 编辑本段 简介

反应烧结或反应成型是通过多孔坯件同气相或液相发生化学反应,使坯件质量增加,孔隙减小,并烧结成具有一定强度和尺寸精度的成品的工艺。同其他烧结工艺比较,反应烧结有如下几个特点:

①反应烧结时,质量增加,普通烧结过程也可能发生化学反应,但质量不增加。

②烧结坯件不收缩,尺寸不变,因此,可以制造尺寸精确的制品。普通烧结坯件一般发生体积收缩。

③普通烧结物质迁移发生在颗粒之间,在颗粒尺度范围内,而反应烧结的物质迁移过程发生在长距离范围内,反应速度取决于传质和传热过程。

④液相反应烧结工艺,在形式上,同粉末冶金中的熔浸法相似.但是,熔浸法中的液相和固相不发生化学反应,也不发生相互溶解,或只允许有轻微的溶解度。

通过气相反应烧结的陶瓷有反应烧结氮化硅(RBSN)和氮氧化硅Si2ON2。通过液相的反应烧结陶瓷有反应烧结碳化硅SiC。

反应烧结氮化硅是硅粉多孔坯件在1400℃左右和氮气反应形成的。在反应过程中,随着连通气孔的减少,氮气扩散困难,反应很难进行彻底。因此,反应烧结氮化硅坯件厚度受到限制,相对密度也难达到90%。影响反应过程的因素有坯件原始密度、硅粉粒度和坯件厚度等。对于粗颗粒硅粉,氮气的扩散通道少,扩散到硅颗粒中心需要时间长,因此反应增重少,反应的厚度薄,坯件原始密度大也不利于反应。

反应烧结氮氧化硅的坯件由Si、SiO2和CaF2(或CaO、MgO等)组成,同氮反应生成Si2ON2。在反应烧结时,CaO、MgO等同SiO2形成玻璃相。氮溶解于熔融玻璃中,Si2ON2晶体从被氮饱和的玻璃相中析出,反应烧结氮氧化硅的密度可以大于90%。氮氧化硅对氯化物和氧气的抗腐蚀性好,已用作电解池内衬,用于AICI3电解制铝、ZnCl2电解制锌。反应烧结碳化硅是SiC-C多孔坯由液相硅浸渍而制成。

折叠 编辑本段 主要特点

此法与普通烧结法比较,有如下两个主要特点:

①提高制品质量,烧成的制品不收缩,尺寸不变化;

反应速度快,传质和传热过程贯穿在烧结全过程。

普通烧结法物质迁移过程发生在坯体颗粒与颗粒的局部,反应烧结法物质迁移过程发生在长距离范围内。

分为液相反应烧结和气相反应烧结两类。采用前一类的居多。

例如,烧结氧氮化硅坯件时添加硅、二氧化硅氟化钙(或氧化钙、氧化镁等,玻璃相形成剂)同氮反应生成二氮氧化二硅(Si2ON2),氧化钙、氧化镁等同二氧化硅形成玻璃相,氮溶解在焙融体(玻璃相)中;Si2ON2,晶体从被氮饱和的玻璃相中析出。这样制出的氧氮化硅的密度可相当于理论密度90%以上。

折叠 编辑本段 反应烧结过程

反应烧结,集合了合成以及致密化过程,能够通过高纯度粉体以热力学自发的原位步骤制备致密陶瓷。与常规烧结方法相比,反应烧结过程和反应烧结陶瓷的优点如下:

1)反应烧结能够在较低温度(≤1800℃)制备致密的超高温陶瓷。反应烧结过程中的化学反应高放热、且热力学自发进行,能够在相对较低温度下,产生足够能量和驱动力以达到最终产品的致密化。另外,原位形成的相之间的化学兼容性和分散的均匀性也能够被保证。热力学计算表明,在反应烧结过

程中,大部分的反应满足自持续燃烧的条件(T绝热≥1800K,ΔH°298/CP298>2000K)。因此,在没有点火自持续燃烧情况下,低的加热速率(约1℃/min)

在选定的温度(600℃)延长保温时间(360min),会促进原料之间的反应。然而在有限的情况下,燃烧反应有利于致密化并促使最终产品获得独特的微观结构。

2)反应烧结能够制备微观结构呈现各向异性的二硼化物基陶瓷,原位形成的相尺寸小、表面积大,具有很高活性。另外,可形成瞬态液相,促进质量输运和晶粒的各向异性生长。最终获得的各向异性MeB2晶粒呈现棒状或片状,因为MeB2陶瓷为简单六方晶体,棒状或者是片状的晶粒生长都有可能:优先沿着c轴生长(棒状)或者是a和b轴优先生长(片状)。对于超高温陶瓷,仅仅有少数报道描述了这种现象。各向异性晶粒生长机制仍处于研究中。虽然如此,这种现象可以为超高温陶瓷的结构裁剪和性能提高提供参考。

过渡金属元素或者过渡金属氢化物,通常用作过渡金属源,以降低MeO2污染。硼源采用元素B或者是一些含B的化合物,如B4C和BN。另外,MeB2基陶瓷还可能包括其他相,例如,SiC,ZrC和MoSi2,含B化合物也会成为最终产物的C或N源。使用MeO2作为起始粉还原合成MeB2的方法无法用于反应烧结。一个原因是,大部分还原反应是高吸热的,在促进致密化的温度(>1500℃)下,吉布斯自由能变成负值。还原反应也造成明显的气体释放,

尤其是B2O3,干扰致密化。另外,使用MeO2作为起始粉,通常会导致最终陶瓷中有未参加反应的MeO2或其他的氧化物杂质的残留。因此,大部分反应烧结过程使用元素或者是非氧化物作为起始原料,这可将氧杂质降至最低。

折叠 编辑本段 反应烧结影响因素

反应烧结过程受诸多因素的影响,如粉末粒度、压坯密度、温度、升温速度等。烧结过程希望发生收缩,以获得高致密度的制品,但在有些情况下样品发生膨胀。反应放热使温度升高,促使液相生成和收缩、致密化。收缩与液相量的多少、分布及持续时间相关。膨胀的原因可能是合金化时物质的非平衡扩散,也可能是液相沿固相晶界穿透造成的。反应烧结过程有化合物的形成,并带有放热特征,使过程变得更为复杂。下面讨论这些因素对过程的影响。

折叠 升温速度

升温速度是反应烧结过程重要的参数。升温速度慢,粉末间有足够的时间通过固相扩散反应形成一些中间相,这些中间相的形成阻碍了粉末间进一步反应,减少反应放热及形成的液相量,对相组成及致密化都产生不利作用。但是,过快的升温速度,反应剧烈,过程难以控制,常导致样品变形,甚至坍塌。

折叠 温度

合适的烧结温度可获得良好的制品性能。温度偏低时,不发生反应;温度过高会导致反致密化,性能下降等现象。

折叠 粉末粒度

细粉末的比表面积大,储存的表面能高,反应中释放的能量大。同时,细粉末彼此之间接触程度高,也有利于反应的发生。但细粉末方面是,细粉发达的比表面,吸附的气体多,氧含量高;此外高的活性,容易通过固相扩散形成中间化合物,影响进一步烧结收缩。研究表明,两种元素粉末存在一个最佳的粒度搭配。

折叠 压坯密度

松散粉末在固结过程中,最大的致密化阶段发生在压制成形阶段,即冷固结。一般增大压制压力,提高压坯密度,相应地烧结后也得到高的制品密度,如Fe-Al系。Ti-Al系有烧结膨胀的现象。但当起始孔隙度低时,烧结产物的孔隙度也低。

折叠 烧结气氛

为了防止样品的氧化,在反应烧结金属间化合物时需要采用保护气氛(真空或保护性气体)。保护性气体有氩气、氮气等惰性气体和还原性气体氢气。气氛的作用表现在热传导和脱气的效果上。真空有较好的隔热效果和脱气效果,溶解的氢气在随后的烧结过程中可以通过扩散去除.而氩气则不能去除。因此,真空效果最好,氢气次之,氩气较差。真空脱气处理还可以降低氧含量。氩气、氦气和氮气的效果相比,氦气的冷却作用最强,但产物密度在氦气中居中,在氮气中最低,这说明气体的冷却作用并不是影响密度的主要原因。从反应起始温度来看,氮气保护的最高,可能是粉末与氮气之间发生了反应,如铝与氮气,从而对反应有所抑制。

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