摘要 將顆粒狀陶瓷坯體置于高溫爐中,使其致密化形成強固體材料的過程,即為燒結。燒結開始于坯料顆粒間空隙排除,使相應的相鄰的粒子結合成緊密體。但燒結過程必須具備兩個基本條件:(1)應該存在...
將顆粒狀陶瓷坯體置于高溫爐中,使其致密化形成強固體材料的過程,即為燒結。燒結開始于坯料顆粒間空隙排除,使相應的相鄰的粒子結合成緊密體。但燒結過程必須具備兩個基本條件: (1)應該存在物質遷移的機理。(2)必須有一種能量(熱能)促進和維持物質遷移。
(一)現在精細陶瓷燒結的機理已出現了氣相燒結、固相燒結、液相燒結及反應液體燒結等四種燒結模式。它們的材料結構機理與燒結驅動力方式各不相同。最主要 的燒結機理是液相和固相燒結,尤其是傳統陶瓷和大部分電子陶瓷的燒結依賴于液相形成、粘滯流動和溶解再沉淀過程,而對于高純、高強結構陶瓷的燒結,則以固 相燒結為主,它們是通過晶界擴散或點陣擴散來達到物質遷移的。
(二)精細陶瓷燒結使用的窯爐 陶瓷材料與制品最終燒制成功,可以在各種窯爐中燒成。可以是間歇式窯爐,也可以采用連續式窯爐。前者燒成為周期性,適合小批量或特殊燒成方法。后者用于大 規模生產與相對低的燒成條件。精細陶瓷使用最廣泛的是電加熱爐。燒成溫度與所需氣氛確定窯爐方式的選擇。許多高精尖的精細陶瓷制品需要采用超高溫窯爐進行 燒制。按照傳統陶瓷燒成溫度高低的劃分。燒成溫度在1100oC以下為低溫、1100oC~1250oC為中溫,1250oC~1450oC為高溫燒成, 1450oC以上為超高溫燒成。如高純氧化鋁陶瓷、碳化硅及氮化硅陶瓷都需超高溫燒結。目前國內精細陶瓷制品燒成使用的超高溫窯爐,主要從日、美等國進 口,目前日本某窯爐公司已能制造燒成溫度達1800oC,溫差為0oC的超高溫窯爐。發展精細陶瓷產品,必須首先將超高溫窯爐國產化,藉以降低設備投資, 使產品盡快投產,意義很大。
(三)精細陶瓷主要燒結技術精細陶瓷燒結主要有以下幾種技術方法:(1)常壓燒結:又稱無壓燒結。屬于在大氣壓條件下坯體自由燒結的過程。在無外加動力下 材料開始燒結,溫度一般達到材料的熔點0.5-0.8即可。在此溫度下固相燒結能引起足夠原子擴散,液相燒結可促使液相形成或由化學反應產生液相促進擴散 和粘滯流動的發生。常壓燒結中準確制定燒成曲線至關重要。合適的升溫制度方能保證制品減少開裂與結構缺陷現象,提高成品率。(2)熱壓燒結與熱等靜壓燒 結:熱壓燒結指在燒成過程中施加一定的壓力(在10~40MPa),促使材料加速流動、重排與致密化。采用熱壓燒結方法一般比常壓燒結溫度低100oC左 右,主要根據不同制品及有無液相生成而異。熱壓燒結采用預成型或將粉料直接裝在模內,工藝方法較簡單。該燒結法制品密度高,理論密度可達99%,制品性能 優良。不過此燒結法不易生產形狀復雜制品,燒結生產規模較小,成本高。連續熱壓燒結生產效率高,但設備與模具費用較高,又不利于過高過厚制品的燒制。熱等 靜壓燒結可克服上述弊缺,適合形狀復雜制品生產。目前一些高科技制品,如陶瓷軸承、反射鏡及軍工需用的核燃料、槍管等、亦可采用此種燒結工藝。(3)反應 燒結:這是通過氣相或液相與基體材料相互反應而導致材料燒結的方法。最典型的代表性產品是反應燒結碳化硅和反應燒結氮化硅制品。此種燒結優點是工藝簡單, 制品可稍微加工或不加工,也可制備形狀復雜制品。缺點是制品中最終有殘余未反應產物,結構不易控制,太厚制品不易完全反應燒結。除碳化硅、氮化硅反應燒結 外,最近又出現反應燒結三氧化二鋁方法,可以利用A1粉氧化反應制備A1203和A1203-Al復合材料,材料性能好。(4)液相燒結:許多氧化物陶瓷 采用低熔點助劑促進材料燒結。助劑的加入一般不會影響材料的性能或反而為某種功能產生良好影響。作為高溫結構使用的添加劑,要注意到晶界玻璃是造成高溫力 學性能下降的主要因素。如果通過選擇使液相有很高的熔點或高粘度。或者選擇合適的液相組成,然后作高溫熱處理,使某些晶相在晶界上析出,以提高材料的抗蠕 變能力。(5)微波燒結法:系采用微波能進行直接加熱進行燒結的方法。目前已有內容積1立方米,燒成溫度可達1650oC微波燒結爐。如果使用控制氣氛石 墨輔助加熱爐,溫度可高達2000oC以上。并出現微波連續加熱15米長的隧道爐裝置。使用微波爐燒結精細陶瓷,在產品質量與降低能耗方面,均比其它窯爐 優越。(6)電弧等離子燒結法:其加熱方法與熱壓不同,它在施加應力同時,還施加一脈沖電源在制品上,材料被韌化同時也致密化。實驗已證明此種方法燒結快 速,能使材料形成細晶高致密結構,預計對納米級材料燒結更適合。但迄今為止仍處于研究開發階段,許多問題仍需深入探討。(7)自蔓延燒結法:是通過材料自 身快速化學放熱反應而制成精密陶瓷材料制品。此方法節能并可減少費用。國外有報道說可用此法合成200多種化合物 ,如碳化物、氮化物、氧化物、金屬間化合物與復合材料等。(8)氣相沉積法:分物理氣相法與化學氣相法兩類。物理法中最主要有濺射和蒸發沉積法兩種。濺射 法是在真空中將電子轟擊一平整靶材上,將靶材原子激發后涂覆在樣品基板上。雖然涂覆速度慢且僅用于薄涂層,但能夠控制純度且底材不需要加熱。化學氣相沉積 法是在底材加熱同時,引入反應氣體或氣體混合物,在高溫下分解或發生反應生成的產物沉積在底材上,形成致密材料。此法的優點是能夠生產出高致密細晶結構, 材料的透光性及力學性能比其它燒結工藝獲得的制品更佳。隨著微電子、數據存儲、先進顯示與光學涂層越來越多的需求,對精密陶瓷薄膜的需求大幅增長。社會需 求與高科技發展是精密陶瓷燒結水平不斷提高與優化的原動力,精密陶瓷燒結技術將會不斷取得新的進步。