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行业动态

陶瓷材料烧结技术简介

日期:2017-12-23 10:04:39 人气:
陶瓷材料以其优异的高强度、高硬度、耐高温、抗腐蚀、耐磨等性能,广泛应用于航空航天、电子、机械、生物医学等领域。烧结作为制备陶瓷材料最后一道工序,是决定其最终结构与性能的关键技术。目前,随着科技的发展,研究者对陶瓷烧结工艺进行了大量的探索与研究,发展了许多新型烧结技术。下面小编就陶瓷材料烧结技术进行简要介绍。
一、烧结概述
烧结是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其具体的定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下,表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。
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烧结驱动力
烧结的驱动力就是总界面能的减少。烧结驱动力作用下烧结过程中主要表现为陶瓷材料内部组织致密化、晶粒长大。 ▲烧结驱动力作用下烧结过程中的基本现象
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烧结参数
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烧结影响因素
烧结影响因素主要有:原始粉料的粒度、外加剂的作用、烧结温度和保温时间、盐类的选择以及煅烧条件、气氛的影响、成型压力的影响。
二、陶瓷材料烧结方法
陶瓷材料烧结方法分为:常规烧结、反应烧结、气氛压力烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结、放电等离子烧结及高温自蔓延烧结等。
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常规烧结
常规烧结一般采用常规加热方式,在传统电炉中进行,是目前陶瓷材料生产中最常采用的烧结方法。
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反应烧结
反应烧结仅局限于少量几个体系:氮化硅、氧氮化硅、碳化硅等。 ▲反应烧结氮化硅陶瓷材料 反应烧结优点是:不需添加额外的添加物;产品的外形和尺寸基本不变,可以制得形状复杂尺寸精确的制品;工艺简单、经济,适合大批量生产。 缺点是:烧结坯密度低,材料力学性能不高。
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气氛压力烧结
气氛压力烧结是采用专门的气氛压力烧结炉,在高温烧结过程中设定的时间段内施加一定压力的气氛,以满足部分特殊陶瓷材料的烧结要求。Si3N4有优异的综合性能,但在高温情况如不采用有效防护措施,Si3N4在烧结完成之前业已升华分解。最常用的方法是提高氮气气氛压力,例如氮化硅的气压烧结。 ▲气氛压力烧结炉 气氛压力烧结主要应用于部分特殊陶瓷材料的烧结,如防分解。同时在保温阶段后期,一定压力的气氛对烧结体产生一个类似于热等静压过程的均向施压过程,有利于烧结材料性能的进一步提高。目前,国内绝大多数氮化硅制品采用气氛压力烧结。 另外,一些氧化物制品特别是某些半导体陶瓷烧结时,气氛中的氧分压十分重要。
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热压烧结
热压烧结是采用专门的热压机,在高温下单相或双相施压完成。温度与压力的交互作用使颗粒的粘性和塑性流动加强,有利于坯件的致密化,可获得几乎无孔隙的制品,因此热压烧结也被称为“全致密工艺”。 热压烧结优点是:制备的陶瓷材料致密度高,同时烧结时间短,温度低,晶粒长大受到抑制,产品性能得到提高。 缺点是:应用范围有限,只能制造形状简单的制品,同时热压烧结后微观结构具有各向异性,导致使用性能也具有各向异性,限制了其使用范围。此外,由于硬度高,热压制品的后续加工特别困难。 ▲热压烧结炉
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热等静压烧结
热等静压烧结是采用专门的热等静压机,在高温下各向均匀施压完成。热等静压烧结是高性能陶瓷制品的常用烧结方法。 热等静压烧结优点是:产品密度均匀,机械性能优异,且各向同性,特别适合复杂形状零件,且单炉处理量大,平均成本低。 缺点是:热等静压烧结设备昂贵,一次性投资较大。 ▲热等静压烧结示意图
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微波烧结
微波烧结是利用微波电磁场中陶瓷材料的介质损耗而使材料至烧结温度从而实现陶瓷的烧结及致密化。根据微波能的利用形式,微波烧结可分为:微波加热烧结,微波等离子烧结,微波—等离子分布烧结等。 (1)微波加热烧结 微波加热与常规加热模式不同,前者是依靠微波场中介质材料的极化损耗产生本体加热,因此微波加热温度场均匀,热应力小,适宜于快速烧结。并且微波电磁场作用促进扩散,加速烧结过程,可使陶瓷材料晶粒细化,有效抑制晶粒异常长大,提高材料显微结构的均匀性。 (2)微波等离子烧结 微波等离子烧结是通过微波电离气体形成等离子体,然后等离子体加热生坯得到致密的陶瓷烧结体。由于快速加热,减小了表面扩散(主要发生在传统烧结的低温阶段)引起的晶粒粗化,为晶界扩散和体积扩散提供了较强的驱动力和较短的扩散途径,从而导致陶瓷显微结构的细化,促进坯体的快速致密。 微波等离子烧结优点是:升温快,致密化迅速,烧结体性能良好,但是部分烧结机理目前尚不清楚,有待进一步深入研究。 (3)微波—等离子分步烧结 微波等离子分步烧结结合前者优点,首先直接用微波的能量把陶瓷生坯加热到特定温度,然后利用微波的能量将气体激励成等离子体,等离子体继续加热陶瓷坯体到烧结温度,形成致密、均匀的烧结体。
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高温自蔓延烧结(SHS)
高温自蔓延烧结(SHS)基于放热化学反应的原理,利用外部能量诱发局部发生化学反应,形成化学反应前沿(燃烧波),此后,化学反应在自身放出热量的支持下继续进行,随着燃烧波的推进,燃烧蔓延至整个体系,合成所需材料。 ▲高温自蔓延烧结炉 目前,自蔓延烧结技术得到了飞速发展,并成功应用到工业化生产,与许多其他领域技术结合,形成了一系列相关技术,例如,SHS粉体合成技术、SHS烧结技术、SHS致密化技术、SHS冶金技术等。 高温自蔓延烧结优点是:设备、工艺简单,反应迅速,产品纯度高,能耗低。适用于合成非化学计量比的化合物、中间产物及亚稳定相等。
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放电等离子烧结
放电等离子烧结技术(SPS)是基于脉冲放电初期粉体产生的火花放电现象(瞬间形成高温等离子体),利用瞬时高温场实现致密化的快速烧结技术。其烧结机理目前还未达成统一的认识。但一般说法认为,SPS过程除具有热压烧结的焦耳热和加压造成的塑性变形促成烧结外,还在粉体颗粒间产生直流脉冲电压,利用粉体颗粒间放电的自发热作用,才产生了SPS过程特有的一些现象。 放电等离子烧结技术优点是:具有升温速度快、加热时间短、烧结温度低等优势,可形成超细晶粒甚至纳米晶粒材料,同时无明显各向异性。 ▲放电等离子烧结炉
三、烧结技术应用
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热等静压烧结
热等静压技术已广泛应用于陶瓷的工业化生产。例如透明灯管Al2O3、光电传输材料(PLZT)、无孔的Al2O3陶瓷切削刀具、作为表面滤波器的Pb(ZrTi)O3基压电陶瓷、MoSi发热体、微波应用的铁磁性陶瓷、航空应用的碳–碳复合材料等。 ▲航空应用的碳–碳复合材料
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微波烧结技术
微波烧结技术被用来生产光纤材料的原件、铁氧体、超导材料、氢化锂、纳米材料等各类材料。加拿大Index-Tool公司利用微波烧结制造Si3N4刀具。美国、加拿大等国采用微波烧结来批量制造火花塞瓷、ZrO2、Si3N4、SiC、Al2O3-TiC等。 ▲超导电缆
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自蔓延烧结
自蔓延烧结技术可用于合成纳米材料、准晶和非准晶材料、氧化功能材料等。可用于制作保护涂层、研磨膏、抛光粉、刀具、加热元器件、形状记忆合金、陶瓷-金属的焊接等。 ▲自蔓延烧结技术应用于陶瓷-金属的焊接
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放电等离子烧结
放电等离子烧结技术可应用于陶瓷各种领域,例如耐腐蚀、耐磨擦陶瓷材料、超硬陶瓷工具、梯度功能及复合陶瓷材料、非平衡新材料、模具等。随着研究的不断深入,诸如电场对SPS过程的促进作用、非导体陶瓷密实化机理等基础性学科问题将得到解决,未来放电等离子烧结技术将迎来广阔的应用前景。 ▲放电等离子烧结技术制备陶瓷材料
参考文献: 1、周书助,伍小波,高凌燕,等,陶瓷材料微波烧结研究进展与工业应用现状,硬质合金。 2、李莉,张丽,郭方全等,热等静压烧结氧化铝陶瓷研究,硅酸盐通报。 3、李刚,陈永君,水东莉等,高性能激光束引燃Fe-Al系合金的制备与性能研究,材料热处理学报。
作者:李波涛
亿万先生