烧结与烧结推动力

烧结

　　

烧结是镁质耐火原料及其制品生产过程中的一个非常重要的环节。轻烧氧化镁经过重烧变成具有一定显微结构的烧结致密体，镁质材料的性能不仅与材料的组成有关，还与材料的显微结构有密切关系。而烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸和分布，气孔尺寸以及分布等。

　　

烧结推动力

　　

由于烧结的致密化过程是依靠物质质点的迁移来实现的，因此，必然存在一种推动物质迁移的力，即，烧结推动力。

　　

对于粉体来说，由于其半径较小，比表面积很大，因此，其具有较高的吉布斯表面能。这些表面能是粉体在粉碎与研磨过程中将机械能转化为表面能贮存在粉体中的，而且，粉体在粉碎与研磨过程中形成的晶格缺陷，也会使其能量增加。因此，粉体物料是一个高能量系统。据测定，1molMgO经过120分钟振动研磨可以使其能量增加5.02kJ。从热力学上来说，烧结前的粉体与烧结体相比是处于热力学不稳定状态的，它将自发地向能量降低的状态变化，因此，烧结是一个自发的不可逆过程。粉体的表面能大于多晶烧结体的晶界能，二者的差值就是烧结过程的推动力。粉体经烧结后晶界能取代了表面能，这是多晶材料稳定的原因。

　　

粉体成型后，颗粒之间会形成很多弯曲的表面，由于表面张力的作用在这些弯曲表面上将产生附加压力△p，对于球形曲面：

 

　　

式中：σ-粉体表面张力;r-颗粒球面半径。

　　

对于非球形曲面：

 

　　　

式中：r1和r2分别为非球形曲面的两个主曲率半径。

　　

应用热力学方法可以计算出烧结推动力的数值，即，系统的吉布斯自由能变化。

　

△G=V△p (7-54)

　　

需要说明的是，虽然利用上式计算可知粉体的烧结是一个自发的不可逆过程，但是，在低温下由此形成的烧结推动力与颗粒内部结合力相比还是很小的，不足以使物质的质点迁移。因此，在低温下烧结实际上是不能自发进行的，必须在高温作用下才能进行。

　　

例如，对于Cu颗粒，若其半径r=10-4cm，表面张力为1.5N/m2，则由式(7-54)可算得：

　

　△p=2σ/r=3×10⁶N/m²　　

 

由此可引起系统的摩尔吉布斯自由能变化值为：△G=V△p=7.1×10^-6m3/mol×3×106N/m2=21.3J/mol。可见，实际上数值还是很小的。