等离子体活化烧结过程的机理与应用Word格式.docx
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Prof.JinhuiPTNG
FacultyofMaterialsandMetallurgicalEngineering
KunmingUniversityofScienceandTechnology
Abstract
PlasmaActivatedSintering(PAS)isashorttime,high
temperaturedensificationprocessbasedonthreemain
contributions:
plasmageneration,pressureapplicationand
resistancesintering.Itisanewrapiddensificationprocess
thathasthepotentialtominimizethegraingrowthby
enhancingparticlesinterabilitythroughparticlesurface
activationandrapidheating.
Inthispaper,majorsinteringprocessingandNev.%
applicationofplasmaactivatedsinteringhavebeen
reviewed.Theadvantagesandthedirectionofresearchof
plasma‘activatedsinteringhavebeenanalyzed.The
researchmethodofmechanismhasbeendetermined.
Theequipmentandprocessingofplasma
sinteringwereinvestigated.
昆明理工大学
硕士学位论文
(缩写本)
论文题目:
一.
.卜
一,
}rr
名:
业:
姓专
研究方向:
指导教师:
彭金辉(教授)
学习期限:
昆明理工大学硕士学位论文缩写本等离子体活化烧结过程的机理与应用
2000年
1绪论二“““”””..““”““”””””..””””””:
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等离子体活化烧结法简介..”..“..”二”:
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等离子体活化烧结法的应用二””””””““”:
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等离子体活烧结耀的初姗究.........................................................................................5
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姗.立勺.1门.1
1.4等离子体活化烧结法的优点和主要研究方向.....................................................................6
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设备的研制和工艺路线二”..........................................................................................................................6
2.1等离子筛悦结设备的琳}..................................................:
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2.2烧结模的确定.”.“””..“….”:
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2.3试验装置和工艺路线.............................................................................................................................7
2.3.1工艺路线….........................................................................................................................................7
232-i验装置及其参数二””””””””””””“””..”:
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3活化作用原理和撇模型研究..........................................................................................................................9
3.1活化i}金二“..................................................................................................................................................9
3.1.1实验原料二””….”:
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3.12实验装置.””.””二””””””“””””””””””“..““.’….…”””””””“二“.......................................................9
3.13实验方案.”“””””””””””””””””““““““““..…,.”””“….“:
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3.2实验结果与分析.””””””””””””“”””“”“..“:
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3.3机理模型的提出.””..”””””:
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3.32活化粉末粒子对模型二”.”.”:
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3.33多点放电模型............….….””..”..”””””””””““….“.….”””””””””“““““““.”“““..“.“““““:
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33.4脉冲电压的独特活化效果.”””.”””””“....…“.,.…”””·
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4.2纳米级Al众的烧结及其性能二“….””..””.”””””””““..”“·
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42.I不同颗粒尺寸氧化铝的相对理论密度随时间的变化关系二”...........................14
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423册中烧结方法的比较“...............................................................................................................15
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4.3.1成形压力与相对密度的关系.“”“..““..…””:
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432烧结时间与相对密度和洛氏硬度的关系....一””..”二”...二”............……“.““..….“.16
4.4WC-10%Co烧结,.“““””..“.”””..””””””””””.””””””””.””“”””“:
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4.5WC-15%Co的活化烧结.””:
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4.6WC-20%Co的活化烧结....................................................................................................................19
4.7纳米级西q的烧结..............................................................................................................................20
4.7.1等离子体活化烧结与微波等离子体烧结纳米}z的比较...............................20
4.72相对密度与维氏硬度之间的关系.“””:
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Zooo年
4.8烧结铜的制备.............................................................,............................................................................21
5过程机理的研究........................................,..............................................................................................................21
5.1热力学分析二”..........................................................................................................................................22
5.1.1颗粒的烧结性“...................................................................................................:
..........................22
5.12颗粒系统的烧结性与本征热力学驱动力......................................................................24
5.13烧结力与烧结压应力.................................................................................................................24
5.2过程动力学研究“...................................................................................................................................25
52.1烧结速率‘.......................................,..................................................................................................25
522扩散机制和烧结速翰程..”“….”“...….“”..….…”….“”·
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6结论”:
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参考文献二”.......................................................................................................................................................................28
昆i刃理丁人学硕士学位论文缩写本
1绪论
由于现代粉末冶金不但发展了传统方法的优点,而且新技术赋予传统工艺以新
的内容和含义,使粉末冶金成为制取各种高性能结构材料、特种功能材料和极限刹牛
卜工作材料的有效途径[lj,己受到了月门的广泛关注。
烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一,也是最后一道及其重要的工
序,对最终产品的性育么匡着决定性作用,因为由烧结造成的废品是无法通过以后的工
序挽救的,烧结实际上对产品的质量起着“把关”的作用叨0
所谓烧结,就是把压坯或松装粉末体加热到其基本组元熔点以下的温度,并在
其温度下保温,从而使粉末颗粒相互结合起来,改善其性能的一种过程。
从本质上
讲,粉末或颗粒的烧结过程是多因素(粉末粒度、纯度、气氛、压力、温度等)影响
!
;
的物理、化学、物理冶金和物理化学过程,大量新材料开发研究的经验表明,对烧
结过程没有深刻的认识,就不可能控制烧结过程的进行和发展.0
烧结是高温作用,一般要经过较长的时间,还要有适当的保护气氛。
因此,从
经济角度考虑,烧结工序的消耗是构成产品成本的重要部分,改进操作与烧结设备,
减少物质与能量的消耗,如降低浇结温度、缩短烧结时间等,在经济上的意义是很大
的。
目前主要的烧结方法有:
传统无压烧结法、热压烧结法、微波烧结法、等离子体
烧结法(如微波等离子体、直流等离子体)但均有其不足之处。
传统无压烧结法工艺时间长、产品性能差、能耗高,无论采用燃料加热还是采用
电加热,都使成本增高,因此逐渐被一些新型的烧结方法所取代。
热压烧结法虽采用了压力,但烧结过程中对样品的活化程度(即动力学过程)尚
需进一步提高,而且设备昂贵和加工周期长团0
而微波烧结法和等离子体烧结法在活化方面做了改进,缩短了烧结时间,阳氏了
烧结温变,抑制了材料颗粒的长大,但烧结过程中温度等试验刻牛难以控制,特别是
微波烧结过程中容易造成热失控效应,对烧结样品产生不均匀加热,从而影响了烧结
产品的各种性能日,而在材料的制备与加工过程中尚需一种能改善上述烧结法缺点的
新方法。
等离子体活化烧结法(PlasmaActivatedSintering)是新近发展起来的一种崭新
的烧结方法u,由于它融等离子体活化、热压、电阻加热为一体,具有烧结时间短、
温度控制准确、易自动化、烧结样品颗粒均匀、致密度高等优点,仅在几分钟之内就
使烧结产品的相对理论密度接近10096,而且能抑制样品颗粒的长大,提高材料的各
种性能,因而在材料处理过程中充分显示了优越性。
国外等离子体活化烧结材料的研究刚刚起步,主要研究的方向为拓宽该项目的广
度,即制备出更多的性能优良的产品,而在深度即反应机理方面却缺乏报导。
1997
年,彭金辉教授为负责人的课题组承担了云南省自然科学基金重点资助课题“等离子
体活化烧结过程的机理与应用”,本论文以该课题为基础,研究了等离子体活化烧结
方法的机理与应用。
1997年检索查新结果表明:
(1)等离子体活化烧结是近几年国外才兴起的材料烧结高新技术,在国外己成
为材料烧结的热门话题。
(2)等离子体活化烧结过程的反应机理和应用研究国内尚未起动。
本论文研究等离子体活化烧结材料的反应机理和应用,对于等离子体活化烧结法
在我国的开展,对于开拓新技术、新工艺在材料科学中的应用,达}}J}高效率、节约
能耗等均具有重要的实际意义。
等离子体活化烧结方法是一种新型的烧结方法,为国际前沿课题,无论在深度和
广度上均需进一步探索,因此该课题的开展在科学上和实践上都具有创新胜和实际应
用价值。
特别是我省具有丰富的有色金属、非金属资源,该课匙卵寸于我省上述资源的
深加工、精加工的开发具有重要意义;
该课题产业化后,可生产性能优良、传统方法
难以制备的材料,如:
金属间化合物、微晶材料、纤维强化材料、功能梯度材料等,
可促进我省粉末冶金工业的发展;
由于该课题是小型化、无污染、效率高、转向快的
工艺技术,易推广应用,可产生良好的经济效益和社会效益,为云南经济的可持续发
展及绿色经济强省的建设作出贡献。
,一,等离子体活化烧结法简介
等离子体活化烧结是新近发展起来的用于材料合感拜口力口工的一项技术。
它利用
开关直流脉冲电压对粉末颗粒间的空隙充电、使颗粒间产生瞬间的、分散的等离子
体,而等离子体是一种高活性离子化的电导气体,因此,等离子体能迅速消除粉末颗
粒表面吸附的杂质和气体,并加快物质高速度的扩散和迁移;
再加上等离子体活化烧
结法采用直流电直接对石墨模具和堆积的粉末进行加热,具有很高的热效率,所以等
离子体活化烧结法阳氏了烧结温度,促使烧结过程加快,即能在较了出益度下和较短时
间内实现浇结},s.}0
昆明理工大学硕士学位论文缩写本
1.2等离子体活化烧结法的应用
适合等离子体活化烧结法烧结的材料如表1-1所示。
表1一1可用PAS法烧结的材料
┌───────┬─────────────────────────────────────────────┐
│金属│Fe,Cu,Ni,Cr,Mo,Sn,Ti,W,Be,实际上可以烧结任何金属│
├──┬────┼─────────────────────────────────────────────┤
│陶瓷│钊招吻│A1}Q,.Zt(h,撼】、SiOz,TiO}、莫来石、H见│
│├────┼─────────────────────────────────────────────┤
││碳化物│SiC,BG,TaC,TiC,NC,ZtC,VC│
││氮化物│TaN,A1N,ZrN,VN,Si}L│
││硼化物│T迅、Hf&
La4;
Z且,讯│
││氟化物│LiF.CaF},城织│
├──┴────┼─────────────────────────────────────────────┤
│金属陶瓷│SiN,+Ni,A1}O}+Ni,ZtO}+Ni,A1}O}+TiC,AlA,+StJS,SUS+ZiOz,Sl.6+NC/Co,BN+Fe,VK'
+Ca+Fe│
├───────┼─────────────────────────────────────────────┤
│金属间化侣成勿│Tal,MaSit,Si}ZrNiAl,NbCo,N>
lti,L}BaC,uSOSntor│
├───────┼─────────────
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- 等离子体 活化 烧结 过程 机理 应用