三氧化鎢陶瓷燒結機理分析

燒結可以分成三個階段:

1:燒結初期。胚體中相互接觸的粉末顆粒之間通過傳質過程形成一定程度的介面,即燒結頸,並通過其生長使胚體產生收縮;

2:燒結中期。始于晶粒生長開始之時,並伴隨顆粒間晶面的廣泛形成。此時,氣孔仍相互連通成連續網路,而顆粒間的晶介面仍相互孤立。大部分緻密化過程和部分顯微結構產生於這一階段;

3:燒結後期。隨著燒結過程中氣孔變成孤立,孤立氣孔擴散到晶界上消除,晶界開始形成連續網路。燒結後期緻密化速率明顯減慢,而顯微結構的發展如晶粒生長則比較迅速。

對於我們所製備的三氧化鎢陶瓷,在燒結到1180℃時,其相對密度可達到94%左右。這意味著固相燒結的初期和中期均在我們設計的燒結工藝的前一個階段進行的,燒結後期一般始於燒結體的相對密度大於90%,在此階段,主要是少量孤立氣孔的排除和晶粒的生長。氣孔受到曲率半徑的應力作用,不斷收縮,隨封閉氣孔內氣體壓力的增加而達到平衡。部分遠離晶界的封閉氣孔,則只能通過晶體內部的體積擴散來填充,此過程進行緩慢,使緻密化的進一步進行受到制約。燒結後期,氣孔變成孤立而晶界相互連通形成網路,所以這是氣孔的排出僅能通過晶界或體積擴散來實現,晶粒則通過晶界移動生長。


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影響三氧化鎢陶瓷緻密化因素-氣孔率

為了分析氣孔率對三氧化鎢陶瓷緻密化的影響,以壓制壓力4MPa,保溫時間為2h的燒結樣品為例進行分析。

測試結果如下表:

燒結溫度(℃) 試樣體積(cm³) 試樣幹重(g) 被水飽和的試樣重量(g) 顯氣孔體積
(cm³)
氣孔率(%)
1100 0.639 4.294 4.2652    
1180 0.4745 3.1826 3.1725    
1200 0.2708 1.8284 1.8295 0.0011 0.41
1210 0.2305 1.5228 1.531 0.0082 3.56
國外樣品 0.182 1.1454 1.1528 0.0074 4.1

由以上表格資料中的氣孔率可以看出,燒結溫度為1100℃和1180℃的燒結樣品疏鬆,在沸水中煮2h,三氧化鎢粉末從塊狀體上脫落下來。而1200℃的燒結樣品氣孔率比國外樣品要低,氣孔率小則說明此溫度下的燒結樣品緻密,晶粒與晶粒結合的好。


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檢測保溫時間是否影響三氧化鎢陶瓷緻密度

為檢測保溫時間是否影響三氧化鎢陶瓷緻密度,以壓制壓力4MPa,燒結溫度為1200℃,保溫時間為1h的燒結樣品為例進行分析。

測試結果如下表:

保溫時間(h) 密度(g/cm³) 收縮率(%)
1 6.8 10.5
2 6.8 11.8
3 6.9 12.5
4 6.9 12.5

由以上表格中的資料得知,各種樣品的緻密化效果好,單純從資料上看得出保溫時間越長,密度收縮率越好。但進一步觀察到的效果是保溫時間越長,燒結的品質並沒有提高,其他的保溫時間段沒有保溫時間為1h的好。由此可見,單純採用延長燒結時間來改善材料性質是不現實的,時間並不是緻密化過程中最主要和最關鍵性的變數。


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影響三氧化鎢陶瓷緻密化因素-成型壓力

檢測成型壓力是否影響三氧化鎢陶瓷緻密化,以壓制壓力4MPa,燒結溫度為1200℃,保溫時間為2h的燒結樣品為例進行分析。

測試結果如下表:

壓強(MPa) 密度(g/cm³) 收縮率(%)
3 6.67 9.87
4 6.73 11.2
5 6.75 11.2
10 6.80 10.5

由以上表格中的資料可以看出,隨著壓力的增加,燒結後的緻密化亦隨之增加。一般來說,成型壓力越大,坯體中顆粒接觸的越緊密,燒結時擴散阻力越小,但過高的成型壓力可能使粉料發生脆性斷裂,給燒結帶來其他不利的影響。可見,應將壓力控制在4MPa與5MPa之間效果較好,使得晶粒間結合緊密,從而獲得優質三氧化鎢陶瓷。


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燒結溫度對三氧化鎢陶瓷緻密度影響

檢測燒結溫度對三氧化鎢陶瓷緻密度影響,以壓制壓力4MPa,保溫時間為1h的燒結樣品為例進行分析。

測試結果如下表:

燒結溫度(℃) 密度(g/cm³) 收縮率(%)
1100 5.540 4.60
1180 6.720 8.60
1200 6.823 3.12
1210 6.825 13.08
1230 6.714 11.20
1240 熔化 熔化

由以上表格中的資料,我們可以容易的看出,隨著溫度的上升,樣品的密度、收縮率也會隨著上升。但是當溫度上升到一定高度時,相反密度是下降的,下降的幅度較小。而收縮率也相對較高,到達1240℃時樣品被熔化,提高燒結溫度無論是對固相擴散或溶解-沉澱等都是有利的,但,單純提高溫度不僅浪費能源,而且使材料性能惡化,過高的溫度會使二次再結晶,降低材料的強度。可見,為燒結出優質的三氧化鎢陶瓷,應將溫度控制在1200-1210℃。


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