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【干货】先进陶瓷六大烧结工艺汇总

日期: 2019-01-07
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一、陶瓷烧结技术概述

 

 

陶瓷素坯在烧结前是由许许多多单个的固体颗粒所组成的,坯体中存在大量气孔,气孔率一般为35%~60%(即素坯相对密度为40%~65%),具体数值取决于粉料自身特征和所使用的成型方法和技术。当对固态素坯进行高温加热时,素坯中的颗粒发生物质迁移,达到某一温度后坯体发生收缩,出现晶粒长大,伴随气孔排除,最终在低于熔点的温度下(一般在熔点的0.5~0.7倍)素坯变成致密的多晶陶瓷材料,这种过程称为烧结。

 

烧结的驱动力是粉末坯体的系统表面能减小,烧结过程由低能量晶界取代高能量晶粒表面和坯体体积收缩引起的总界面积减少来驱动,而促使坯体致密化的烧结机理包括蒸发-凝聚、晶格扩散、晶界扩散、黏滞流动等传质方式。

 

陶瓷烧结依据是否产生液相分为固相烧结和液相烧结。同时,陶瓷烧结涉及到温度、气氛、压力等因素及其调控,由此产生了常压烧结、真空烧结、气氛烧结及各种压力烧结技术。下面,小编就来主要介绍一下陶瓷烧结的六大工艺。

 

 

二、陶瓷六大烧结工艺

 

 

 

1

热压烧结

工艺介绍:

热压烧结(hot-pressing,HP)是一种机械加压的烧结方法,此法是先把陶瓷粉末装在模腔内,在加压的同时将粉末加热到烧成温度,由于从外部施加压力而补充了驱动了,因此可在较短时间内达到致密化,并且获得具有细小均匀晶粒的显微结构。对于共价键难烧结的高温陶瓷材料(如Si3N4、B4C、SiC、TiB2、ZrB2),热压烧结是一种有效的致密化技术。

 

条件:

(1)适当的压力和升温制度;

(2)对于某些难烧结的陶瓷材料,也需要加入烧结助剂

(3)粉末的粒径和均匀性也对热压致密化速率有显著影响,要求粉末粒度应为亚微米级(<1μm),且粒径分布窄,并且无硬团聚。

 

优点:

(1)可获得更好的材料力学性能;(2)可减少烧结时间或降低烧结温度;(3)可减少共价键陶瓷烧结助剂的用量,从而提高材料的高温力学性能。

 

缺点:

(1)只能用于制备形式简单和比较扁平的制品;(2)一次烧结的制品数量有限;(3)成本较高。 

因此热压烧结常用于生产单个或多个形状简单的产品,如圆片状、柱状或者棱柱状的棒。

 

典型应用:

(1)陶瓷刀头的烧结。

(2)强共价键陶瓷的烧结。

(3)晶须或纤维增强的复合陶瓷。

(4)透明陶瓷的烧结。

 

2热等静压烧结

 

热等静压(hot isostatic pressing,HIP)是工程陶瓷快速致密化烧结最有效的一种方法,其基本原理是以高压气体作为压力介质作用于陶瓷材料(包封的粉末和素坯,或烧结体),使其在加热过程中经受各向均衡的压力,借助于高温和高压的共同作用达到材料致密化。

 

优点:

(1)降低烧结温度、缩短烧结时间;

(2)减少或不使用烧结助剂;

(3)提高陶瓷性能和可靠性;

(4)便于制造复杂形状产品。

 

典型应用:

(1)氧化硅陶瓷制品;

(2)高强度氧化物陶瓷;

(3)陶瓷基复合材料;

(4)核废料处理用复合陶瓷包套;

(5)透明细晶陶瓷。

 

3气压烧结

气压烧结(gas pressure sintering,GPS)是指陶瓷在高温烧结过程中,施加一定的气体压力,通常为N2,压力范围在1~10MPa,以便抑制在高温下陶瓷材料的分解和失重,从而可提高烧结温度,进一步促进材料的致密化,获得高密度的陶瓷制品。

气压烧结和热等静压烧结都是采用气体作为传递压力的方法,但是两者的压力大小和压力作用是不同的。HIP烧结中气氛压力大(100~300MPa),主要作用是促进陶瓷完全致密化。而GPS烧结中,施加的气体压力小(1~10MPa),主要是抑制Si3N4或其他氮化物类高温材料的热分解。

优点:与热压工艺、热等静压工艺比较,气压烧结工艺最大的优势是可以以较低的成本制备性能较好,形状复杂的产品,并实现批量化生产。

 

4微波烧结

微波烧结是利用微波与材料相互作用,导致介电损耗而使陶瓷表面和内部同时受热(即材料自身发热,也称体积性加热),因此与传统的外热源常规加热吸相比,微波加热具有快速、均匀、能效高、无热源污染等许多优点。

传统加热和烧结是利用外热源,通过辐射、对流、传到对陶瓷样品进行由表面到内部的加热模式,速率慢、能效低,存在温度梯度和热应力。而微波烧结陶瓷的加热是微波电磁场与材料介质的相互作用,导致介电损耗而是陶瓷材料表面和内部同时受热,这样温度梯度小,避免热应力和热冲击的出现。

【干货】先进陶瓷六大烧结工艺汇总

传统烧结炉与微波烧结炉工作原理对比图

 

微波加热和烧结的优点:(1)升温速率快,可以实现陶瓷的快速烧结与晶粒变化;(2)整体均匀加热,内部温度场均匀,显著改善材料的显微结构;(3)微波加热不存在热惯性,烧结周期短;(4)利用微波对材料的选择性加热,可以对材料某些部位进行加热修复或缺陷愈合;(5)自身加热,不存在来自外热源的污染;(6)微波能向热能的转化效率可达80%~90%,高效节能。

大量研究探索证明,许多结构陶瓷可以应用微波烧结,氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及透明陶瓷用微波烧结,可以得到致密的性能优良的制品,且烧结时间缩短、烧结温度降低。

但是由于微波烧结陶瓷过程既涉及材料学,又涉及电磁场、固体电解质等理论,还有许多技术问题有待解决,因此,微波烧结工程陶瓷的产业化还有一段路要走。

 

5自蔓延致密化烧结

自蔓延高温合成(SHS)制备材料的工艺,最先是1967年前苏联科学家A G Merzhanov等人提出,随后在各种粉体合成中广泛应用。经过半个世纪国内外科研单位及人员的研究,已取得很大进展,该技术可直接制备陶瓷、金属陶瓷、硬质合金和复合管等致密陶瓷,制品也开始工业化生产。

SHS致密化技术是指SHS过程中产物处于炽热塑性状态下借助外部载荷,可以是静载或动载甚至爆炸冲击载荷来实现致密化,有时也借助于高压惰性气氛来促进致密化。这是因为通常自蔓延高温合成得到的产物为疏松状态,一般含有40%~50%的残余孔隙。

目前研究较多的SHS致密化工艺包括:①SHS-准等静压法(SHS-PIP);②热爆-加压法;③高压自燃烧烧结法(HPCS);④气压燃烧烧结法(GPCS);⑤SHS-爆炸冲击加载法(SHS/DC);⑥SHS-离心致密化等。其中,方法①、②为外加机械压力的作用,方法⑥为离心力的作用,而方法③、④、⑤为气体压力的作用。

特点:速度快,产量高,能充分利用资源;设备、工艺简单;产品纯度高;易于实现机械化和自动化;成本低,经济效益好;能够生成新产品。

 

6放电等离子烧结

放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)又称“等离子活化烧结”

(plasma activated sintering,PAS)。该技术是在模具或样品中直接施加大的脉冲电流,通过热效应或其他场效应,从而实现材料烧结的一种全新的材料制备技术。

【干货】先进陶瓷六大烧结工艺汇总

SPS基本结构图,来自百度文库

 

SPS烧结过程中,电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体,使烧结体内部各个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。与自身加热反应合成法(SHS)和微波烧结法类似,SPS是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。SPS烧结过程中可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除了加热和加压这两个促进因素外,在SPS技术中,颗粒间的有效放电可产生局部高温,可以使表面局部熔化、表面物质剥落;高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去除表面氧化物等)和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程。

优点:加热均匀,升温速度快,烧结温度低,烧结时间短,生产效率高,产品组织细小均匀,能保持原材料的自然状态,可以得到高致密度的材料,可以烧结梯度材料以及复杂工件。与HP和HIP相比,SPS装置操作简单,不需要专门的熟练技术。

应用:结构陶瓷、功能陶瓷、纳米陶瓷、透明陶瓷、梯度功能材料等领域

 

【干货】先进陶瓷六大烧结工艺汇总

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