2024 - 4 - 17
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精细陶瓷烧结技术综述
精细陶瓷烧结技术综述
(一)烧结机理
    将颗粒状陶瓷坯体置于高温炉中,使其致密化形成强固体材料的过程,即为烧结。烧结开始于坯料颗粒间空隙排除,使相应的相邻的粒子结合成紧密体。但烧结过程必须具备两个基本条件:
    (1)应该存在物质迁移的机理;
    (2)必须有一种能量(热能)促进和维持物质迁移。
    现在精细陶瓷烧结的机理已出现了气相烧结、固相烧结、液相烧结及反应液体烧结等四种烧结模式。它们的材料结构机理与烧结驱动力方式各不相同。最主要的烧结机理是液相和固相烧结,尤其是传统陶瓷和大部分电子陶瓷的烧结依赖于液相形成、粘滞流动和溶解再沉淀过程,而对于高纯、高强结构陶瓷的烧结,则以固相烧结为主,它们是通过晶界扩散或点阵扩散来达到物质迁移的。
(二)精细陶瓷烧结使用的窑炉
    陶瓷材料与制品最终烧制成功,可以在各种窑炉中烧成。可以是间歇式窑炉,也可以采用连续式窑炉。前者烧成为周期性,适合小批量或特殊烧成方法。后者用于大规模生产与相对低的烧成条件。精细陶瓷使用最广泛的是电加热炉。烧成温度与所需气氛确定窑炉方式的选择。许多高精尖的精细陶瓷制品需要采用超高温窑炉进行烧制。按照传统陶瓷烧成温度高低的划分。烧成温度在1100ºC以下为低温、1100ºC~1250ºC为中温,1250ºC~1450ºC为高温烧成,1450ºC以上为超高温烧成。如高纯氧化铝陶瓷、碳化硅及氮化硅陶瓷都需超高温烧结。目前国内精细陶瓷制品烧成使用的超高温窑炉,主要从日、美等国进口,目前日本某窑炉公司已能制造烧成温度达1800ºC、温差为0ºC的超高温窑炉。发展精细陶瓷产品,必须首先将超高温窑炉国产化,藉以降低设备投资,使产品尽快投产,意义很大。
(三)精细陶瓷主要烧结技术
      精细陶瓷烧结主要有以下几种技术方法:
    (1)常压烧结:又称无压烧结。属于在大气压条件下坯体自由烧结的过程。在无外加动力下材料开始烧结,温度一般达到材料的熔点0.5-0.8即可。在此温度下固相烧结能引起足够原子扩散,液相烧结可促使液相形成或由化学反应产生液相促进扩散和粘滞流动的发生。常压烧结中准确制定烧成曲线至关重要。合适的升温制度方能保证制品减少开裂与结构缺陷现象,提高成品率。
    (2)热压烧结与热等静压烧结:热压烧结指在烧成过程中施加一定的压力(在10~40MPa),促使材料加速流动、重排与致密化。采用热压烧结方法一般比常压烧结温度低100ºC左右,主要根据不同制品及有无液相生成而异。热压烧结采用预成型或将粉料直接装在模内,工艺方法较简单。该烧结法制品密度高,理论密度可达99%,制品性能优良。不过此烧结法不易生产形状复杂制品,烧结生产规模较小,成本高。
    连续热压烧结生产效率高,但设备与模具费用较高,又不利于过高过厚制品的烧制。热等静压烧结可克服上述弊缺,适合形状复杂制品生产。目前一些高科技制品,如陶瓷轴承、反射镜及军工需用的核燃料、枪管等、亦可采用此种烧结工艺。
    (3)反应烧结:这是通过气相或液相与基体材料相互反应而导致材料烧结的方法。最典型的代表性产品是反应烧结碳化硅和反应烧结氮化硅制品。此种烧结优点是工艺简单,制品可稍微加工或不加工,也可制备形状复杂制品。缺点是制品中最终有残余未反应产物,结构不易控制,太厚制品不易完全反应烧结。
除碳化硅、氮化硅反应烧结外,最近又出现反应烧结三氧化二铝方法,可以利用Al粉氧化反应制备Al2O3和Al2O3-Al复合材料,材料性能好。
    (4)液相烧结:许多氧化物陶瓷采用低熔点助剂促进材料烧结。助剂的加入一般不会影响材料的性能或反而为某种功能产生良好影响。作为高温结构使用的添加剂,要注意到晶界玻璃是造成高温力学性能下降的主要因素。如果通过选择使液相有很高的熔点或高粘度。或者选择合适的液相组成,然后作高温热处理,使某些晶相在晶界上析出,以提高材料的抗蠕变能力。
    (5)微波烧结法:系采用微波能进行直接加热进行烧结的方法。目前已有内容积1立方米,烧成温度可达1650ºC的微波烧结炉。如果使用控制气氛石墨辅助加热炉,温度可高达2000ºC以上。并出现微波连续加热15米长的隧道炉装置。使用微波炉烧结精细陶瓷,在产品质量与降低能耗方面,均比其它窑炉优越。
    (6)电弧等离子烧结法:其加热方法与热压不同,它在施加应力同时,还施加一脉冲电源在制品上,材料被韧化同时也致密化。实验已证明此种方法烧结快速,能使材料形成细晶高致密结构,预计对纳米级材料烧结更适合。但迄今为止仍处于研究开发阶段,许多问题仍需深入探讨。
    (7)自蔓延烧结法:是通过材料自身快速化学放热反应而制成精密陶瓷材料制品。此方法节能并可减少费用。国外有报道说可用此法合成200多种化合物,如碳化物、氮化物、氧化物、金属间化合物与复合材料等。
    (8)气相沉积法:分物理气相法与化学气相法两类。物理法中最主要有溅射和蒸发沉积法两种。溅射法是在真空中将电子轰击一平整靶材上,将靶材原子激发后涂覆在样品基板上。虽然涂覆速度慢且仅用于薄涂层,但能够控制纯度且底材不需要加热。
    化学气相沉积法是在底材加热同时,引入反应气体或气体混合物,在高温下分解或发生反应生成的产物沉积在底材上,形成致密材料。此法的优点是能够生产出高致密细晶结构,材料的透光性及力学性能比其它烧结工艺获得的制品更佳。
    随着微电子、数据存储、先进显示与光学涂层越来越多的需求,对精密陶瓷薄膜的需求大幅增长。
社会需求与高科技发展是精密陶瓷烧结水平不断提高与优化的原动力,精密陶瓷烧结技术将不断取得新进步

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