🗊Презентация Диффузионный массоперенос в смесях твердых компонентов

Диффузионный массоперенос в смесях твердых компонентов Лектор : Вакалова Татьяна Викторовна, проф. каф. ТСН Дисциплина «Процессы массопереноса с участием твердой фазы»

Основные определения С технологической точки зрения спекание – процесс получения прочного малопористого (или почти беспористого ) камневидного тела из порошкообразной массы при воздействии высоких температур Внешними признаками спекания служат: уменьшение размеров (усадка); уменьшение пористости и увеличение кажущейся плотности; повышение прочности спекаемого тела

Движущая сила процесса спекания В исходном состоянии пористое тело (сформованное или свободно насыпанное) обладает большой свободной энергией (поверхностной и внутренней) С физико-химической точки зрения спекание есть самопроизвольный процесс уменьшения свободной энергии порошкообразного тела при нагреве

Разновидности процесса спекании Твердофазное, т.е. без образования расплава в процессе нагрева, Жидкофазное (с участием расплава), при котором какие-либо легкоплавкие компоненты смеси порошков или структурные составляющие материала в процессе нагрева расплавляются.

История развития науки о спекании как диффузионном процессе Первая теория спекания – теория вязкого течения- предложил Я. Френкель Б. Пинес установил диффузионный механизм спекания твердых тел 3) Идеи Я. Френкеля и Б.Пинеса развиты Г.Кучинским, К.Херрингом, У. Кингери, Я. Гегузиным, Р.Коблом, И.Лифшицем и др.

модель Я.С. Френкеля

Спекание как диффузионная ползучесть под действием сил поверхностного натяжения

Диффузионный механизм переноса массы при спекании

Внутренние процессы при спекании порошкообразного тела Изменение формы и размеров пор Рост кристаллов Снижение и выравнивание остаточных (после прессования) напряжений Образование жидкой фазы Пространственное перераспределение фаз Уменьшение концентрации дефектов в кристаллических фазах

Физико-химические процессы при спекании твердого тела изменение размеров, структуры и свойств исходных порошковых тел, поверхностная, граничная и объемная само- и гетеродиффузия, разнообразные дислокационные явления, перенос вещества через газовую фазу, химические реакции, релаксация микро и макронапряжений, рекристаллизация частиц и др.

4 Стадии спекания

Механизмы припекания – создания контакта Частицы имеют выпуклую (положительную) кривизну, а перешеек или «шейка» между ними – вогнутую (отрицательную), что определяет разные механизмы самопроизвольного припекания: 1. Механизм диффузионно-вязкого течения; 2. Механизм объемной диффузии; 3. Механизм поверхностной диффузии; 4. Механизм «испарения – конденсации»; 5. Дислокационный механизм

Механизмы переноса вещества при спекании - Поверхностная диффузия; - Объемная диффузия; - Перенос через газовую фазу; - Вязкое течение; - Течение, вызываемое внешними нагрузками (горячее прессование, спекание под давлением и подобные случаи).

Объемная диффузия

Поток атомов и поток вакансий

Поверхностная диффузия

Перенос вещества через газовую фазу

Течение вещества, вызываемое внешними нагрузками (за счет пластических деформаций)

Реакционное спекание Реакционное спекание – процесс уплотнения и упрочнения спекаемого тела за счет химических реакций при высоких температурах между спекаемым материалом и газовым или жидким реагентом, поступаемым извне, проходящих в непосредственно в теле спекаемого материала. Для получения беспористого тела необходимо, чтобы объем пор заготовки был равен объему пор продуктов реакции.

Собирательная или вторичная рекристаллизация Рост крупных зерен кристаллов на конечных стадиях спекания называется процессом рекристаллизации. Движущая сила роста зерен – избыточная поверхностная энергия искрив-ленных границ. Зерна при спекании занимают места в системе плотной упаковки. Угол между границами трех зерен стремится к 120 град, а сами зерна – к форме шестигранников. Реальные зерна имеют разное число сторон, границы их искривлены и их число не равно 6. У зерен с числом сторон меньше 6 границы выпуклы, если смотреть от центра зерна. Зерна с числом сторон более 6 имеют вогнутые границы, если смотреть от центра зерна. Стремясь уменьшить свободную энергию границы двигаются к своим центрам кривизны. Поэтому зерна с числом сторон более 6 увеличиваются, а зерна, имеющие меньше 6 сторон, уменьшаются.

Собирательная или вторичная рекристаллизация

Технологические факторы, ускоряющие спекание

Жидкофазное спекание – припекание и спекание с участием жидкой фазы. Источники образования жидкой фазы 1. Плавление примесей (добавок) 2. Образование легкоплавких эвтектик 3. Растворение в расплаве тонкодисперсных частиц

Жидкофазное спекание При некотором количестве жидкости вокруг твердых частиц образуется вогнутая жидкостная манжета. Между твердыми частицами и манжетой действуют капиллярные силы Fкап., состоящие из сил Лапласа F∆R (связанных с кривизной поверхности), и сил поверхностного натяжения Fσ, зависящие от угла смачивания. Силы Fкап стараются сократить поверхность манжеты. Для двух сферических частиц капиллярное взаимодействие описывается уравнениями:

ТРИ стадии уплотнения при спекании:

3 стадии уплотнения при спекании:

Технология обжига Спекание – физико-химический процесс Обжиг- технологическая операция Назначение обжига –осуществление процесса спекания материала. Режим обжига это: ● температура обжига, ● продолжительность обжига, ● состав газовой среды, Режим обжига определяется: ● свойствами обжигаемого материала, ● размерами изделий, ● типом печи