发布时间 : 星期四 文章材料科学基础(武汉理工大学-张联盟版)课后习题及答案更新完毕开始阅读
不均匀生长均匀生长
不符合Dl=d/f符合Dl=d/f 气孔被晶粒包裹气孔排除 界面上有应力界面无应力
10-10有人试图用延长烧结时间来提高产品致密度，你以为此法是否可行，为什么？ 解：不可行。
蒸发－凝聚机理（凝聚速率＝颈部体积增加）此类传质不能靠延长时间达到烧结。 高温短时间烧结是制造致密陶瓷材料的好方法。
10-11假如直径为5μm的气孔封闭在表而张力为280dayn/cm的玻璃内，气孔内氮气压力是0.8atm，当气体压力与表面张力产生的负压平衡时，气孔尺寸是多少? 解：2x280x0.001/r=0.8x101325 r=6.9μm
10-12在1500℃，MgO正常的晶粒长大期间，观察到晶体在1h内从直径从1μm长大到10μm，在此条件下，要得到直径20μm的晶粒，需烧结多长时间？如已知晶界扩散活化能为60kcal/mol，试计算在1600℃下4h后晶粒的大小，为抑制晶粒长大，加入少量杂质，在1600℃下保温4h，晶粒大小又是多少?
解：烧结数率常数和温度关系服从阿累尼乌斯方程：
2
即其中：
……………………………………………………（1）
为常数，Q为晶界扩散活化能，在正常的晶粒长大期间，晶粒直径与时间关系为：
……………………（2）其中
为
时晶粒的平均尺寸。
在加入少量杂质时，晶粒直径与时间关系为：
…………………………（3）
在1500℃时，MgO正常生长时，由（2）有再由（1）有
＝5789.5
所需时间为：
99
则在1500℃正常生长条件下，达到
在1600℃时由（2）
＝22.2
＝122.83
加入杂质后由（3）有
＝7.9
精选
10-13假定NiCr2O4的表面能为600erg/cm，由半径0.5μm的NiO和Cr2O3粉末合成尖晶石。
2＋3＋2＋－11
在1200℃和1400℃时Ni和Cr离子的扩散系数分别为：Ni在NiO中D1473＝1×10；D1673
－1023＋－112－92
＝3×10cm/s；Cr在Cr2O3中D1473＝7×10cm/s，D1673＝10cm/s；求在1200℃和1400℃烧结时，开始1h的线收缩率是多少？（假定扩散粒子的半径为0.059nm） 解：线收缩率：
2
1200℃,对NiO和Cr2O3粉末,其
则可求出K1473,同理,可求出K1673,代入上式,即可求出式中g=600erg/cm,ó=0.59? T=1473K,1673K,r=0.5μm
2
10-14在制造透明Al2O3材料时，原始粉料粒度为2μm，烧结至最高温度保温0.5h，测得晶粒尺寸10μm，试问若保温时间为2h，晶粒尺寸多大？为抑制晶粒生长加入0.1％MgO，此时若保温时间为2h，晶粒又有尺寸多大？
解：由在此条件下保温
即求
加入少量的MgO时： 由
,设直径为
则有：
10-15 在1500℃Al2O3正常晶粒生长期间，观察到晶体在1h内从0.5μm直径长大到10μm。如已知晶界扩散活化能为335kJ/mol，试预测在1700℃下保温时间为4h后，晶粒尺寸是多少？你估计加入0.5％MgO杂质对Al2O3晶粒生长速度会有什么影响？在与上面相同条件下烧结，会有什么结果，为什么？
解：由
由
在1700℃时，
精选
由，有
加入0.5％MgO时，会抑制Al2O3晶粒生长，抑制现象会更加明显，原因是由于晶界移动时遇到的杂质（MgO）更多，限制了晶粒的生长。
10-16材料的许多性能如强度、光学性能等要求其晶粒尺寸微小且分布均匀，工艺上应如何控制烧结过程以达到此目的?
解：（1）晶粒的大小取决于起始晶粒的大小,烧结温度和烧结时间。 （2）防止二次再结晶引起的晶粒异常长大。
10-17晶界移动通遇到夹杂物时会出现哪几种情况？从实现致密化目的考虑，晶界应如何移动？怎样控制？
解：晶粒正常长大时，如果晶界受到第二相杂质的阻碍，其移动可能出现三种情况。 （1）晶界能量较小，晶界移动被杂质或气孔所阻挡，晶粒正常长大停止。
（2）晶界具有一定的能量，晶界带动杂质或气孔继续移动，这时气孔利用晶界的快速通道排除，坯体不断致密。
（3）晶界能量大，晶界越过杂质或气孔，把气孔包裹在晶粒内部。由于气孔脱离晶界，再不能利用晶界这样的快速通道排除，使烧结停止，致密度不再增加，这将出现二次再结晶现象。
从实现致密化目的考虑，晶界应按第二种情况移动，控制晶界的能量以增加致密度。 10-18在烧结时，晶粒生长能促进坯体致密化吗？晶粒生长会影响烧结速率吗？试说明之。 解：在烧结时，晶粒生长能促进坯体的致密化。在烧结中、后期，细小晶粒逐渐长大，而晶粒的长大过程是另一部分晶粒的缩小或消失过程，其结果是平均晶粒尺寸增大。晶粒长大不是晶粒的相互粘接，而是晶界移动的结果。推动晶粒长大的是晶界的自由能，随着晶粒的长大，使界面面积减小，从而促进坯体致密化。 10-19试分析二次再结晶过程对材料性能有何种效应?
解：二次再结晶发生后,由于个别晶粒异常长大,气孔进入晶粒内部,成为孤立闭气孔,不易排除,使烧结速率降低甚至停止,肧体不再致密；加之大晶粒的晶界上有应力存在,使其内部易出现隐裂纹,继续烧结时肧体易膨胀而开裂,使烧结体的机械,电学性能下降。 10-20特种烧结和常规烧结有什么区别？试举例说明。
解：常规烧结过程主要是基于颗粒间的接触与键合,以及在表面张力推动下物质的传递过程。其总体的推动力由系统表面能提供。这就决定了其致密化是有一定限度的。常规条件下坯体密度很难达到理论密度值。对于特种烧结,它是为了适应特种材料对性能的要求而产生的。这些烧结过程除了常规烧结中由系统表面能提供的驱动力之外,还由特殊工艺条件增加了系统烧结的驱动力,因此提高了坯体的烧结速率,大大增加了坯体的致密化程度。例如热压烧结,它是加压成型与加压烧结同时进行的一种烧结工艺。由于同时加温加压,有利于粉末颗粒的
精选
接触、扩散和流动等传质过程,降低了烧结温度和烧结时间,抑制了晶粒的长大。其容易获得接近理论密度、气孔率接近零的烧结体。
10-21（1）烧结MgO时加入少量FeO，在氢气氛和氧分压低时都不能促进烧结，只有在氧分压高的气氛下才促进烧结；（2）烧结Al2O3时，氢气易促进致密化而氮气妨碍致密化。试分析其原因。
解：（1）对FeO,易形成负离子过剩型非化学计量化合物,其缺陷反应式为：
另外,在MgO的烧结中是正离子起扩散起控制作用的烧结过程,因而氧气氛和氧分压较高是有利的。
（2）烧结氧化铝Al2O3时,由于氢原子半径很小,扩散系数较大,易于扩散而有利于闭气孔的清除；而原子半径大的氮则由于其扩散系数较小难于扩散而阻碍烧结。
10-22磁性氧化物材料被认为是遵循正常晶粒长大方程。当颗粒尺寸增大超出1μm的平均尺寸时，则磁性和强度等性质就变坏，未烧结前的原始颗粒大小为0.1μm。烧结30min使晶粒尺寸长大为原来的3倍。因大坯件翘曲，生产车间主任打算增加烧结时间。你想推荐的最长时间是多少?
解：由D0=0.1μm和t=30min,D=3D0=0.3μm可得： 222
D-D0=kt K=0.08/30μm/min
22
D=1μm,1-（0.1）=kt=0.08/30t ∴t=371.25min
10-23分析添加物是如何影响烧结的。
解：（1）外加剂与烧结主体形成固溶体
两者离子产生的晶格畸变程度越大，越有利于烧结。 例：Al2O3中加入3％Cr2O3可在1860℃烧结；
当加入1～2％TiO2只需在约1600℃就能致密化。 （2）外加剂与烧结主体形成液相
在液相中扩散传质阻力小，流动传质速度快，降低了烧结温度和提高了坯体的致密度。 例：制95％Al2O3材料，加入CaO、SiO2，
当CaO:SiO2=1时，产生液相在1540℃即可烧结。 （3）外加剂与烧结主体形成化合物抑制晶界移动。 例：烧结透明Al2O3时，加入MgO或MgF2,形成MgAl2O4 （4）外加剂阻止多晶转变 例：ZrO2中加入5％CaO。
（5）外加剂（适量）起扩大烧结范围的作用
例：在锆钛酸铅材料中加入适量La2O3和Nb2O5，可使烧结范围由20～40℃增加到80℃。
精选