特种陶瓷的高压烧结技术

特种陶瓷的高压烧结技术摘要：特种陶瓷的性能主要取决于其烧结工艺。为获得均一致密的陶瓷结构而发展出各种各样的烧结工艺，每种工艺都有其特有的优势与不足。高压烧结制备功能陶瓷材料可以有效地降低烧结温度，缩短烧结时间，增进致密化，减少污染，提高样品的性能，具有快速、洁净、高致密度的特点。关键词：特种陶瓷高压烧结一．特种陶瓷特种陶瓷，又称精细陶瓷，按其应用功能分类，大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及电工电子功能陶瓷两大类。在陶瓷坯料中加入特别配方的无机材料，经过1360度左右高温烧结成型，从而获得稳定可靠的防静电性能，成为一种新型特种陶瓷，通常具有一种或多种功能，如：电、磁、光、热、声、化学、生物等功能；以及耦合功能，如压电、热电、电光、声光、磁光等功能。二．特种陶瓷的烧结现在特种陶瓷烧结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。目前，特种陶瓷的主要烧结方法有:常压烧结法、热压烧结/热等静压烧结法、反应烧结法、液相烧结法、微波烧结法、电弧等离子烧结法、自蔓延烧结法、气相沉积法等。它们材料结构机理与烧结驱动力方式各不相同，尤其传统陶瓷和大部分电子陶瓷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、高强结构陶瓷烧结，则以固相烧结为主，它们通过晶界扩散或点阵扩散来达到物质迁移。三．高压烧结1.定义高压烧结就是在给陶瓷粉体或具有一定致密度的坯体加热同时施加很高的压力，以实现陶瓷的压力烧结。与普通常压烧结工艺不同，高压烧结过程中，除了粉末的表面自由能的变化为烧结驱动力外，同时还有外加压力作为烧结驱动力，从而影响了烧结进程。由于烧结驱动力的增大，高压可以使得许多其它方法不能烧结的陶瓷实现烧结;其它方法可以烧结的则可以进一步改善其性能同时降低烧结温度，缩短烧结时间，有利于工艺控制。一般来说，同种陶瓷用普通无压烧结和高压烧结相比，高压的材料密度高，质地要均匀。同时，因为能够在颗粒成长或重新结晶不大可能进行的温度范围达到致密化，所以，高压烧结可以获得由微小晶粒构成的高强度、高密度烧结体。而且，高压的封闭型使得样品不易受到污染，还可减少挥发性物质的挥发，其优点是显而易见的。由于高压工艺的上述特点，尤其是由于现代高技术陶瓷的发展，高压烧结工艺越来越受到人们的重视。2.原理高压烧结与热压烧结类似，都是在烧结过程中对试样施加外加压力，但高压烧结压力较热压烧结要大很多。高压烧结中存在普通烧结过程所没有的晶界滑移传质和挤压蠕变传质两种作用。通常情况下，认为烧结过程分为两个阶段：第一阶段，即烧结初期，外加压力首先使颗粒的接触区发生塑性屈服，各类蠕变机制促进物质迁移，同时原子或空位发生体积扩散和晶界扩散，晶界中的位错可能沿晶界攀移，导致晶界滑动。在烧结的第二阶段，上述机制仍然存在，只不过孔洞成为孤立的闭孔，位于晶界相交处。同时，并不排除在晶粒内部存在的微孔。在常压烧结条件下，应力水平不足以使材料全部屈服发生塑性流动，但在高压下，应力水平已足够使材料大部分屈服发生塑性流动。因此，热压烧结和高压烧结之所以能够有效实现陶瓷材料的致密化烧结，主要是因为其与无压烧结相比，烧结驱动力不仅有表而能，还有外部高压提供的额外驱动力，从而促进烧结致密化并降低烧结温度。以上机理可根据默瑞的热压致密化方程(塑性流动理)来解释:式中:n为致密材料球壳单位体积内的孔隙数:为终极相对密度;为材料的表而张力;为材料的屈服极限，与烧结温度有关，随烧结温度的升高而降低;为烧结时施加的压力。可知:当烧结温度不变时，增加压力可提高密度;当压力不变时，温度升高，密度也提高;在密度保持不变时，增大压力P将使增加，即烧结温度降低。由此可见，高压烧结均可实现在烧结致密化的同时降低烧结温度。3.优点虽然高压烧结对设备要求比较苛刻，但是高压是合成新材料和探索改进现有材料性能最有力的手段之一。作为一种极端的物理条件，高压能够有效地改变物质的原子间距和原子壳层状态，特别是可以改变对固体的结构和性质起决定性作用的界面原子状态。高压对物质的晶体结构、电子状态和物理性质的影响以及高压新相的研究是探索新型材料和常压下无法制备的新材料以及改进常态材料性能的基础。在很高的压力作用下，物质内部的晶体结构、电子结构和原子(分子)间的相互作用都将发生变化并伴随一系列物理性质的改变。因此，高压烧结具有明显的优点，如可使素坯快速致密化，降低烧结温度，减少烧结时间，增大烧结体的密度和硬度，从而提高坯体的力学等性能。在其他条件相同的烧结条件下，对经过1500℃,1600℃,1700℃与1800℃烧结样品做扫描电镜观察。如图1所示，在1500℃时晶界有晶界相出现，部分晶粒不完整，而这时A1N烧结体的热导率也仅为76.9W/(m·K)。在1600℃时，晶粒整体有所增大，但尺寸不均一，且多数晶粒还未发育成完整的晶型。随着温度的升高，在1700-1800℃可明显观察到杂质相减少，样品的晶粒长大且尺寸均匀，晶型逐渐饱满完整，呈现出明显的六方结构，此时的热导率达到了109.6W/(mK)。说明烧结温度的提高使得A1N陶瓷充分烧结，晶界相减少，晶粒饱满，晶粒与晶粒之间的接触更紧密，有利于热导率的提高。图1不同温度下A1N烧结体的SEM图像四．总结高压烧结就是在给陶瓷粉体或具有一定致密度的坯体加热同时施加很高的压力，以实现陶瓷的压力烧结。高压烧结与热压烧结类似，都是在烧结过程中对试样施加外加压力，但高压烧结压力较热压烧结要大很多。高压烧结中存在普通烧结过程所没有的晶界滑移传质和挤压蠕变传质两种作用。高压烧结具有明显的优点，如可使素坯快速致密化，降低烧结温度，减少烧结时间，增大烧结体的密度和硬度，从而提高坯体的力学等性能。参考文献：【1】特种陶瓷材料的研究进展葛伟青唐山学院，唐山:063000【2】特种陶瓷的制备工艺综述及其发展趋势肖艳广东省江门化工材料公司，江门529100【3】A1N陶瓷的高压烧结研究李小雷吉林大学【4】温度对高压烧结氮化铝陶瓷热导率的影响王利英，李小雷，宿太超，李尚升，李晓虎河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作454010燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛066004【5】特种陶瓷烧结致密化工艺研究进展杨路，姜淑文，王志强，林海大连工业大学材料科学与工程系，大连116030【6】粉末冶金原理巨黄培云北京:冶金工业出版社