·350· 北京科技大学学报 第36卷 a 图79nm颗粒不同温度阶段原子运动矢量图.(a)AB:(b)BC:(c)CD Fig.7 Vector fields of atom movement in different temperature ranges for 9-nm Au particles:(a)AB:(b)BC:(e)CD 此在烧结的初始阶段作用较大的是表面能.随着烧 图6为6nmAu颗粒烧结体系中各阶段的原子 结的进行，颗粒界面转变为晶界面，而烧结颈处的晶 位移矢量图.图6(b)为BC阶段原子位移矢量图. 界向两边的颗粒移动，颗粒内原来的晶界也可能通 当两个纳米颗粒形成初始的烧结颈后，烧结体系的 过再结晶或聚晶长大发生移动并减少，从而导致晶 烧结颈几乎保持不变，此阶段内原子的迁移主要以 界能的降低.晶界能的降低引起烧结体系总能量的 晶界扩散为主，上下两个A山纳米颗粒的原子均向 降低，从而成为烧结颈形成和长大后烧结继续进行 烧结颈的方向扩散，同时表面原子也存在向烧结颈 的主要动力.因此，表面扩散和晶界扩散两种物质 扩散的趋势，说明在此阶段内表面扩散和晶界扩散 迁移机制是烧结颈长大的主要机制.表面扩散的驱 两种机制同时并存.但是，与传统的原子沿很薄的 动力是过剩表面能，通过表面扩散以降低过剩表面 品界层迁移的晶界扩散不同，在晶界层以外的大量 能。同时，由于烧结颈处出现曲率半径，从而形成拉 原子也参与运动.图6(c)为CD阶段原子位移图. 普拉斯应力，晶界扩散就是以拉普拉斯应力作用产 随着烧结温度的升高，纳米颗粒已部分熔化(C点处 生空位浓度梯度作为驱动力，原子沿晶界进行扩散. 约50%体积熔化)，此时原子迁移的主要方式变为 图5(b)为4nmAu颗粒烧结体系BC阶段的原 黏性流动，原子位移的距离明显增加，烧结颈显著增 子位移矢量图.当两个纳米颗粒形成初始的烧结颈 加.当温度继续升高，从D点开始，烧结颈的增长速 后，当温度继续升高，在一定的时间内，烧结体系的 率反而变缓，这主要是因为所谓“球化过程”引起 回转半径基本没有太大变化.由于纳米颗粒尺寸极 的，在DE阶段原子迁移主要受曲率梯度引起的表 小，此时位错机制对原子迁移影响明显，Pan等因认 面扩散机制控制，如图6(d)所示.这种表面扩散机 为此阶段原子迁移机制可能是位错或晶面的滑移与 制一直持续到E点，此时纳米颗粒完全熔化，最终 重排.图5(c)为4nmAu颗粒烧结体系CD阶段的 两个纳米金属颗粒烧结形成一个球. 原子位移矢量图，此阶段内回转半径逐渐减小.由 图7为9nmAu颗粒(22543个原子)烧结体系 图可以看出此阶段内原子的迁移主要以表面扩散为 中各阶段的原子位移矢量图.图7(a)为烧结初始 主.产生表面扩散的原因是由于烧结颈半径附近与 阶段(AB阶段)的原子位移矢量图，此阶段形成初 凸表面间曲率不同，存在曲率梯度，故而在表面上产 始烧结颈.图7(b)和图7(c)分别为BC和CD阶段 生张力而驱使表面扩散的进行.图5(d)为4nmAu 的原子位移的矢量图.由图可以看出，对于多原子 颗粒烧结体系DE阶段的原子位移矢量图，E点为4 数的烧结体系，其烧结颈长大主要以晶界扩散和表 nmAu颗粒的熔点，在DE阶段，Au纳米颗粒处于 面扩散为主，没有黏性流动等机制 部分熔化状态.由图可知此时原子的迁移主要以表 2.4纳米金属颗粒烧结过程中晶型变化规律 面扩散和黏性流动为主. 在烧结过程中原子的迁移或金属的熔化必北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 7 9 nm 颗粒不同温度阶段原子运动矢量图 . ( a) AB; ( b) BC; ( c) CD Fig． 7 Vector fields of atom movement in different temperature ranges for 9-nm Au particles: ( a) AB; ( b) BC; ( c) CD 此在烧结的初始阶段作用较大的是表面能． 随着烧 结的进行，颗粒界面转变为晶界面，而烧结颈处的晶 界向两边的颗粒移动，颗粒内原来的晶界也可能通 过再结晶或聚晶长大发生移动并减少，从而导致晶 界能的降低． 晶界能的降低引起烧结体系总能量的 降低，从而成为烧结颈形成和长大后烧结继续进行 的主要动力． 因此，表面扩散和晶界扩散两种物质 迁移机制是烧结颈长大的主要机制． 表面扩散的驱 动力是过剩表面能，通过表面扩散以降低过剩表面 能． 同时，由于烧结颈处出现曲率半径，从而形成拉 普拉斯应力，晶界扩散就是以拉普拉斯应力作用产 生空位浓度梯度作为驱动力，原子沿晶界进行扩散． 图 5( b) 为 4 nm Au 颗粒烧结体系 BC 阶段的原 子位移矢量图． 当两个纳米颗粒形成初始的烧结颈 后，当温度继续升高，在一定的时间内，烧结体系的 回转半径基本没有太大变化． 由于纳米颗粒尺寸极 小，此时位错机制对原子迁移影响明显，Pan 等［6］认 为此阶段原子迁移机制可能是位错或晶面的滑移与 重排． 图 5( c) 为 4 nm Au 颗粒烧结体系 CD 阶段的 原子位移矢量图，此阶段内回转半径逐渐减小． 由 图可以看出此阶段内原子的迁移主要以表面扩散为 主． 产生表面扩散的原因是由于烧结颈半径附近与 凸表面间曲率不同，存在曲率梯度，故而在表面上产 生张力而驱使表面扩散的进行． 图 5( d) 为 4 nm Au 颗粒烧结体系 DE 阶段的原子位移矢量图，E 点为 4 nm Au 颗粒的熔点，在 DE 阶段，Au 纳米颗粒处于 部分熔化状态． 由图可知此时原子的迁移主要以表 面扩散和黏性流动为主． 图 6 为 6 nm Au 颗粒烧结体系中各阶段的原子 位移矢量图． 图 6( b) 为 BC 阶段原子位移矢量图． 当两个纳米颗粒形成初始的烧结颈后，烧结体系的 烧结颈几乎保持不变，此阶段内原子的迁移主要以 晶界扩散为主，上下两个 Au 纳米颗粒的原子均向 烧结颈的方向扩散，同时表面原子也存在向烧结颈 扩散的趋势，说明在此阶段内表面扩散和晶界扩散 两种机制同时并存． 但是，与传统的原子沿很薄的 晶界层迁移的晶界扩散不同，在晶界层以外的大量 原子也参与运动． 图 6( c) 为 CD 阶段原子位移图． 随着烧结温度的升高，纳米颗粒已部分熔化( C 点处 约 50% 体积熔化) ，此时原子迁移的主要方式变为 黏性流动，原子位移的距离明显增加，烧结颈显著增 加． 当温度继续升高，从 D 点开始，烧结颈的增长速 率反而变缓，这主要是因为所谓“球化过程”引起 的，在 DE 阶段原子迁移主要受曲率梯度引起的表 面扩散机制控制，如图 6( d) 所示． 这种表面扩散机 制一直持续到 E 点，此时纳米颗粒完全熔化，最终 两个纳米金属颗粒烧结形成一个球． 图 7 为 9 nm Au 颗粒( 22543 个原子) 烧结体系 中各阶段的原子位移矢量图． 图 7( a) 为烧结初始 阶段( AB 阶段) 的原子位移矢量图，此阶段形成初 始烧结颈． 图 7( b) 和图 7( c) 分别为 BC 和 CD 阶段 的原子位移的矢量图． 由图可以看出，对于多原子 数的烧结体系，其烧结颈长大主要以晶界扩散和表 面扩散为主，没有黏性流动等机制． 2. 4 纳米金属颗粒烧结过程中晶型变化规律 在烧结过程中原子的迁移或金属的熔化必 · 053 ·