燒結實踐與科學原理（簡體書）

本書首先結合燒結歷史與科學，概述了燒結理論的演變，並從簡單的概念出發闡明了基礎科學的關鍵問題，介紹了燒結過程中的物理化學變化及其原理，內容包括燒結熱力學、動力學、液相燒結、壓力燒結、復合粉體燒結、納米粉體燒結、快速燒結等，並描述了燒結過程的表征技術手段，進行了燒結實例講解，實現了理論與實踐的緊密結合。 本書可供材料、冶金等專業研究人員及高校教師閱讀，亦可作為材料專業碩士生、博士生的參考用書。

譯者前言
燒結是將粉末體或其壓坯加熱至主要成分熔點以下的溫度，使粉體顆粒產生黏結，經過物質遷移使粉體致密化且強度提高的熱處理過程。
燒結是一個古老的工藝過程，是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高溫材料等生產過程的一個重要工序，人類很早就開始利用燒結工藝來制造不同的材料。
燒結是一個復雜物理化學過程，除了物理變化之外，有時還伴隨有化學變化，如固相反應。將粉體或壓坯加熱到一定溫度後，其中的顆粒開始相互作用，氣孔逐漸收縮，氣孔率逐漸減小，顆粒接觸界面逐漸擴大並轉化為晶界，最後數個晶粒相互結合，產生再結晶和晶粒長大，坯體在低於熔點溫度下變成致密、堅硬的燒結體。高純物質的燒結體系在燒結溫度下基本上不會出現液相，而多組分物系在燒結溫度下常伴隨液相的出現。無液相參與的燒結，即只在單純固體之間進行的燒結稱為固相燒結，有液相參與的燒結稱為液相燒結。
材料性能不僅與材料的組成有關，還與材料的顯微結構密切相關。當材料的配方、原料顆粒、混合與成形工藝確定後，燒結過程是材料獲得預期顯微結構的關鍵工序。燒結對於有效控制材料制品的顯微組織結構與性能以及發展各類新型的材料都起著關鍵作用。了解燒結過程現象及機理，掌握燒結過程熱力學、動力學對材料顯微組織結構的影響規律，對材料的制備和應用具有重要的指導意義。
燒結機理以及燒結動力學的研究是從20世紀初開始的。1910年，成功制備了鎢的粉末冶金制品,標志著近代燒結技術的開始，此後陸續開展了單元體系的燒結研究。1938年，研究了液相燒結的溶解-析出現象，提出了解釋大顆粒長大的理論模型。第二次世界大戰期間軍工產業的繁榮極大地促進了金屬材料制備技術與相關科學理論的發展，燒結理論研究也進入新階段。其間第一次建立了基於兩個圓球黏結簡化模型，提出由空位流動進行傳質的燒結機制，考慮了顆粒表面微粒子的遷移對燒結傳質過程的重要作用。第一次將燒結理論研究深入到原子水平，考慮了晶體內空位和晶體表面原子遷移等現象，代表了燒結理論的第一次突破。1949年在板-球模型上建立了燒結初期基於各種擴散與蒸發-凝聚機制的較為系統的物質傳質與遷移理論。20世紀70年代後，以量子力學等為代表的新興物理學理論以及計算機科學技術在材料科學，包括燒結理論研究中得到廣泛應用，燒結理論進入到新的階段。用電子穩定組態理論對活化燒結現象進行了解釋，提出了燒結拓撲理論和統計理論。其間還提出了熱壓、熱等靜壓等加壓燒結條件下的蠕變模型。這些理論建立在新興物理學和現代燒結技術發展的基礎上，反過來又極大地促進了燒結理論在金屬、陶瓷及復合材料等先進材料領域的研究、開發與應用。60年代用計算機模擬技術對燒結頸演化過程進行了模擬研究。70年代將計算機模擬用於壓力-燒結圖的預測。80年代後期開始用計算機模擬燒結過程中晶粒生長問題，計算機模擬燒結過程的相關研究進入了快速發展的階段。計算機模擬燒結過程物件經歷了從簡單燒結物理模型到復雜的、接近實際過程的復雜燒結物理模型的變化。90年代針對經反應燒結制備氮化硅陶瓷過程建立了晶粒模型和尖銳界面模型。
目前對燒結過程機理以及各種燒結機制動力學研究已經取得了較大的進展。但影響燒結過程的因素很多，燒結動力學方程都是在一定的理想模型條件下獲得的，與真正定量解決復雜多變的實際燒結問題還有相當大的差距，有待進一步研究。
Randall M. German教授是國際上享有盛譽的粉末冶金專家，聖地亞哥州立大學機械工程研究學院的教授兼前任副院長。German教授的專著Sintering：From Empirical Observations to Scientific Principles首先結合燒結歷史與科學，概述了燒結理論的演變，並從簡單的概念出發闡明了基礎科學的關鍵問題，說明了燒結是什麼、如何觀察燒結、燒結的關鍵參數、改善燒結的方法與措施、燒結理論的起源與發展、正確認識燒結模型等。該書內容非常豐富，其出版對粉末冶金界具有重要的影響。
化學工業出版社引進此書翻譯為中文出版，是我國粉末冶金行業的一件大事，將為我國粉末冶金界的學者、科技工作者、工程技術人員、企業家等提供一份豐盛的精神食糧，會對我國粉末冶金領域的發展與進步起到推動作用。
本書的內容主要包括：緒論、燒結的歷史、基礎構架的發展、測量工具與實驗觀察、早期的定量測量、燒結過程中的幾何軌跡、燒結熱力學與動力學、微觀組織的粗化、液相燒結、加壓燒結、混合粉末與復合材料、快速燒結、納米尺度燒結、計算機模型、燒結實踐以及燒結的未來展望。
本書由賈成廠教授、褚克教授、劉博文博士主譯。在翻譯過程中，課題組的博士、碩士們參與了相關的工作，他們是：範濤、呂瑩瑩、張一帆、張政委、唐怡、王夢雅、洪逍、周川、吳超、王宇梟、單化杰、秦恬、傅豪、柏慧凝、楊淑嫻、周義森等。在此對以上各位的辛勤勞動與付出表示由衷的謝意。
希望本書的翻譯與出版能夠得到中國粉末冶金界專家、同行的認可與指正。

譯者
2021年1月


前言
燒結已經有超過26000年的歷史，至今仍是極具魅力的材料成形加工工藝之一，而且正在不斷被應用到新領域。例如新能源系統，從太陽能電池到核反應堆，都與燒結密切相關。另一個例子是多孔結構醫用支架的制備，它是采用特定的激光燒結方法制備的，能夠滿足醫學對材料強度和彈性模量的要求。同樣，牙冠和橋梁結構的生產過程也涉及燒結工藝（由計算機控制）。燒結領域另一個巨大的成就是超薄印制電路板，例如將小型射頻識別電路嵌入到電子元件中，當被附近的移動電話激活時就可進行信號傳遞。在太陽能電池、主機電容器、儲能與磁性裝置中，也有類似的應用。在超耐磨領域的應用是將金剛石黏附於燒結硬質合金基底，從而制造長壽命的石油與天然氣鉆井工具。另一個正在發展的領域是燒結熱電材料，這種材料可以將汽車發動機餘熱的熱能轉化為電能。
燒結工藝的發展可以追溯到19世紀初，通過燒結制備了用於熔融玻璃的鉑坩堝。20世紀初隨著白熾燈燈絲的生產，燒結工藝出現了重大進展，但直至20世紀40年代,隨著原子理論與原子運動概念的出現，燒結才從理論角度得以闡釋。原子理論與燒結實踐的有機融合推動了燒結概念的定量化發展。同時，計算機模擬與仿真也在該領域逐漸推廣應用。現在，這些模擬與仿真的精度已經接近制造業的要求。在不久的將來，外太空燒結技術將利用月球土壤和太陽能在月球上建造房屋。燒結技術的擴展應用前景是非常可觀的。
本書主要闡述燒結的基本知識，相關概念適用於電子電容器、汽車變速器齒輪、高強度的燈、噴氣發動機控制連桿、高速銑削刀具等。具體說來是從歷史概念出發，結合歷史與科學，概述理論的演變。從簡單概念出發所闡明的基礎科學的關鍵問題有：
燒結是什麼？
如何觀察燒結？
燒結的關鍵參數是什麼？
怎樣才能改善燒結？
燒結理論的起源與發展如何？
應該如何認識燒結模型？
本書還包括新興主題的內容，例如快速加熱的作用，燒結工具的介紹等。
這本書的寫作工作開始於2011年燒結大會研討會和2012年材料科學與技術大會主題報告。我要感謝Suk-Joong Kang、Eugene Olevsky和Khalid Morsi的早期支持。還有學生的無私幫助，尤其是Wei Li、Timothy Young、Michael Brooks和Shuang Qiao。Kenneth Brookes提供了關於燒結碳化物的背景知識，同時Zak Fang、Animesh Bose和Donald Heaney提供了關於燒結組織的相關綜述。Louis Rector和Howard Glicksman提供了燒結電子器件的信息，Lanny Pease捐贈了一本絕版書，提供了寶貴的資料。還有其他來自金屬粉末工業聯合會和美國陶瓷協會的珍貴資料。我很感激大家的努力和關心，聖地亞哥州立大學甚至犧牲了一個學期的教學來完成這個項目。
這本書也獻給Animesh Bose，他對燒結的實踐做出了極大的努力，而且,令人欣慰的是，他的孩子更聰明，更有活力。

Randall M.German

第1章緒論/001
1.1背景001
1.2展望002
1.3定義003
1.4燒結技術005
1.5基礎數據006
1.6關鍵資源007
參考文獻0082

第2章燒結的歷史/011
2.1裡程碑011
2.2早期燒結產品012
2.2.1土陶012
2.2.2瓷013
2.2.3鐵、銅、銀015
2.2.4鉑金坩堝017
2.2.5鐵礦石硬結019
2.2.6鎢燈絲021
2.2.7硬質合金模具023
2.2.8鎢基合金防輻射盾牌026
2.2.9青銅軸承026
2.2.10汽車零部件027
2.2.11聚四氟乙烯028
2.2.12燒結磨料磨具029
2.3相互依存的發展029
2.4主要經驗教訓030
參考文獻030

第3章基礎構架的發展/034
3.1燒結的定性理論034
3.1.1早期的推測034
3.1.2Rhines和Lenel理論035
3.1.3Frenkel——表面能和黏性流動035
3.2定量燒結概念的出現036
3.3理論基礎的發展038
3.3.1原子理論038
3.3.2表面能039
3.3.3原子運動040
3.3.4微觀結構042
3.4實驗設備及性能測量046
3.4.1溫度測量046
3.4.2燒結爐046
3.4.3性能量化047
3.4.4表面積047
3.4.5壓力的作用048
3.4.6新型設備048
3.5組織機構的發展048
3.6整合049
3.7燒結理論的現狀051
參考文獻052

第4章測量工具與實驗觀察/058
4.1燒結過程中材料的變化058
4.2顆粒黏結061
4.2.1燒結頸尺寸061
4.2.2燒結頸形狀065
4.3力學性能068
4.3.1強度068
4.3.2硬度072
4.3.3彈性模量073
4.3.4其他力學性能074
4.4尺寸變化074
4.4.1收縮075
4.4.2膨脹080
4.4.3直接成像081
4.5密度、致密度、孔隙率084
4.6傳導性086
4.7磁性能087
4.8表面積和氣體滲透性087
4.9孔結構090
4.10微觀組織094
4.10.1晶粒尺寸分布095
4.10.2晶界與孔隙的相互作用097
4.11熱學性能099
4.12小結101
參考文獻103

第5章早期的定量測量/108
5.1概述108
5.2燒結科學的開端108
5.3銅的燒結109
參考文獻113

第6章燒結過程中的幾何軌跡/116
6.1概述116
6.2燒結的幾個階段117
6.2.1燒結前——形成接觸120
6.2.2初始階段——燒結頸長大120
6.2.3中間階段——孔隙球化122
6.2.4最終階段——孔隙閉合123
6.3界面曲率與能量124
6.3.1曲率梯度124
6.3.2界面能量變化127
6.4微觀結構變化128
6.4.1晶粒尺寸與形狀129
6.4.2晶粒尺寸分布131
6.4.3孔隙結構132
6.4.4孔徑分布134
6.4.5孔隙附著晶粒邊界137
6.5宏觀結構的變化——尺寸與形狀140
6.6表面積變化143
6.6.1表面積降低143
6.6.2表面積與燒結密度144
6.7小結145參考文獻146

第7章燒結熱力學與動力學/149
7.1曲率梯度與應力149
7.2氣氛中的反應150
7.3物質傳輸機制153
7.3.1黏性流動154
7.3.2表面擴散156
7.3.3體積擴散158
7.3.4晶界擴散161
7.3.5位錯運動——攀移與滑移161
7.3.6蒸發-凝聚162
7.4動力學關係163
7.4.1初始階段164
7.4.2中間階段167
7.4.3最終階段172
7.5工藝過程變量173
7.5.1溫度174
7.5.2時間175
7.5.3升溫速率176
7.5.4顆粒尺寸176
7.5.5生坯密度177
7.6小結177
參考文獻178

第8章微觀組織的粗化/183
8.1概述183
8.1.1特性183
8.1.2重要性185
8.1.3相互作用186
8.2晶粒粗化187
8.2.1晶粒長大速率187
8.2.2孔隙率、液相與氣相的影響189
8.2.3穩定的晶粒形狀191
8.2.4穩定的分布192
8.3孔隙結構變化193
8.4粗化過程中的相互作用194
8.5小結196
參考文獻196

第9章液相燒結/201
9.1概述201
9.2相關概念的發展202
9.3微觀組織的發展206
9.3.1典型的微觀組織206
9.3.2接觸角與二面角207
9.3.3體積分數209
9.3.4孔隙、孔徑和孔位置210
9.3.5晶粒形狀213
9.3.6粒度分布214
9.3.7晶粒間距、數量和界面面積216
9.3.8燒結頸尺寸與形狀217
9.3.9固相骨架的測量218
9.3.10分析中的敏感因素219
9.4預燒結階段220
9.4.1化學作用220
9.4.2微觀組織變化221
9.5液相形成222
9.5.1固相黏結分離222
9.5.2晶粒重排224
9.6溶解-析出225
9.6.1顆粒形狀改變225
9.6.2致密化227
9.6.3燒結頸生長與燒結體收縮229
9.6.4聚結230
9.6.5晶粒生長232
9.6.6孔隙填充232
9.7最終固相骨架燒結階段234
9.8瞬態液相燒結234
9.9超固相線燒結235
9.9.1致密化機理236
9.9.2顆粒屬性238
9.9.3致密化模型238
9.10反應性液相239
9.11熔浸燒結241
9.12活化液相燒結242
9.13實踐方面242
9.14小結243
參考文獻243

第10章加壓燒結/249
10.1外加壓力的作用249
10.2熱軟化252
10.3壓力效應253
10.3.1應力集中253
10.3.2塑性流動255
10.3.3顆粒加工硬化256
10.4擴散與蠕變256
10.4.1體積擴散蠕變258
10.4.2晶界擴散蠕變259
10.4.3位錯攀移和冪律蠕變260
10.4.4液相和黏滯相261
10.4.5反應和放熱過程262
10.4.6電場263
10.5多種機制控制的致密化速率264
10.6密度與機理圖266
10.7微觀組織演化267
10.8加壓技術270
10.8.1應力狀態和應變速率270
10.8.2單軸熱壓274
10.8.3熱等靜壓275
10.8.4三軸加壓277
10.8.5放電燒結278
10.8.6熱鍛279
10.8.7氣體鍛造281
10.8.8粉末擠壓282
10.8.9衝擊波固結282
10.9致密化的限制283
參考文獻284

第11章混合粉末與復合材料/289
11.1重要性289
11.2物理作用290
11.3化學作用295
11.4溶解度的角色295
11.4.1均質化296
11.4.2膨脹299
11.4.3強化301
11.4.4復合304
11.5共燒、層狀復合和兩相材料燒結307
11.6小結309
參考文獻309

第12章快速燒結/315
12.1概述315
12.2早期的示範317
12.3納米粉末快速燒結319
12.4快速加熱技術321
12.4.1放熱反應321
12.4.2電流加熱322
12.4.3等離子體放電加熱322
12.4.4微波加熱324
12.4.5激光和紅外加熱327
12.4.6感應加熱329
12.5輔助壓力330
12.6前景332
參考文獻332

第13章納米尺度燒結/337
13.1概述337
13.2顆粒尺寸的作用340
13.3燒結溫度343
13.4不變的熱力學344
13.5時間-溫度-顆粒尺寸344
13.6模型和實驗344
13.7解決方案345
13.8兩步燒結348
13.9展望349
參考文獻349

第14章計算機模型/354
14.1概述354
14.1.1模擬的基本架構355
14.1.2模擬的必要條件355
14.2程序358
14.3數據要求360
14.4原子計算362
14.4.1能量的計算方法362
14.4.2模擬程序363
14.5重塑模型365
14.6物理事件模型367
14.7蒙特卡羅法371
14.8連續介質模型與有限元分析法371
14.9離散元模型375
14.10綜合燒結曲線375
14.11神經網絡模型377
14.12小結377
參考文獻378

第15章燒結實踐/383
15.1關鍵參數383
15.1.1尺寸控制383
15.1.2成分控制386
15.1.3缺陷的避免390
15.2參數的控制391
15.3燒結氣氛392
15.3.1反應392
15.3.2氧含量的控制395
15.3.3碳含量的控制397
15.3.4密度的變化398
15.4設備399
15.5燒結工藝過程401
15.6成本401
15.7實例401
15.7.1氧化鋁402
15.7.2鋁402
15.7.3黃銅和青銅403
15.7.4硬質合金404
15.7.5銅404
15.7.6金剛石405
15.7.7鋼鐵406
15.7.8稀土永磁體407
15.7.9碳化硅408
15.7.10氮化硅409
15.7.11不銹鋼409
15.7.12鈦411
15.7.13工具鋼411
15.7.14鎢基高比重合金413
15.7.15氧化鋯413
15.8小結414
參考文獻415

第16章燒結的未來展望/419
16.1聯系419
16.2新材料420
16.3新的應用422
16.4新工藝423
16.5小結424
參考文獻425