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陶瓷材料的烧结方法

摘要：陶瓷材料的烧结方法是决定其最终性能的关键技术，本文系统的介绍、分析了目前陶瓷材料所采用的各种烧结方法的机理、工艺、影响因素、特点及其使用范围，为陶瓷材料烧结方法的选择提供参考。

关键词：陶瓷材料，烧结方法

1：前言
1:作为“面向二十一世纪的新材料”，陶瓷材料的开发与研究是目前世界各主要工业国共同共注的焦点之一。烧结是陶瓷材料坯件生产的最后一道工序，也决定着坯件的最终性能。因而，谨慎的选择烧结方法、严格的控制烧结过程是十分重要的。
二：正文
2：陶瓷材料的烧结方法
陶瓷材料的烧结方法一般可分为：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。
2.1： 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。
由于纯的陶瓷材料有时很难烧结，所以性能允许的条件下，通常引入一些烧结助剂，以期形成部分低熔点的固溶体、玻璃相或其他液相，促进颗粒的重排和粘性流动，从而获得致密的产品，同时也可以降低烧结温度。在氧化铝的烧结中加入TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2等可形成固溶体，这类氧化物有与氧化物相近的晶格常数，同时是变价氧化物。由于变价作用，使氧化铝内部产生晶体缺陷，活化晶格，促进烧结。例如：加入0.5~1%的二氧化钛钛离子和铝离子的离子半径相近（钛离子半径0,064nm、铝离子半径0.057nm）因此钛离子极易取代铝离子而形成二氧化钛—三氧化二铝固溶体，并引起晶格畸变。另外为了达到电荷平衡，必定会留下空位，这就更有利于烧结。同时，当二氧化钛—三氧化二铝到高温时，Ti4+会还原为Ti3+，而Ti3+ 的离子半径更大，这使得三氧化二铝晶格的歪斜、扭曲比Ti4+引起的更严重。由于Ti4+和Ti3+的综合作用，可使烧结温度降低150~200度。在Si3N4的烧结中可加入适量的MgO、Y2O3—Al2O3稀土元素氧化物、碳化物、硅化物添加剂。
尽可能的降低粉末粒度也是促进烧结的重要措施之一。因为粉末越细，表面能越高，烧结越容易。例如：普通二氧化钛的烧结温度为1300~1400度，用四乙醇钛为原料制得的粒度为0.3微米的二氧化钛，其烧结温度为1050度，用四异丙醇钛为原料制得的粒度为0.15um的二氧化钛，其烧结温度为800度，比普通粉末降低500度。烧结温度的降低不仅仅使生产容易进行，经济上合算，而且常常可以改善产品的性能。对于普通性能要求的陶瓷材料及制品，常规烧结是最方便、经济、可行的烧结方法。但是由于陶瓷材料极难烧结，常规烧结通常引入低温的晶间玻璃相以提高其烧结性能，这对高温结构陶瓷来说是不利的，而且其致密化也受工艺限制，不能充分满足高性能产品的需求。
2.2 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。氮化硅的反应烧结基于如下反应：

将Si粉或Si 与Si3N4粉的混合粉末成型后在1200度左右通N2进行预氮化，机加工成所需零件，然后在1400度左右进行最终氮化烧结。Si粉压坯一般有30~50%的孔隙度，Si粉氮化有22%的体积增量，因此整个压坯在烧结过程中的形状和尺寸基本不变。烧结坯仍有15~30%的孔隙度和1~5%的残留Si。反应烧结的优点是不需添加额外的添加物，因此高温下材料的强度不会明显降低；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；要把两个零件焊接在一起，只需将其连接在一起进行氮化即可；同时工艺简单、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。
2.3 气氛压力烧结
气氛压力烧结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。
将Si3N4刀片坯体在真空状态下升温至400度，加入2Mpa的N2保护；然后升温至1750度时温1h，随炉冷却。在烧结中，前期的真空有利于坯体水分的排除及进一步彻底排胶，后期的氮气压一方面可防止氮化硅的分解，另一方面有利于窑炉内的温度均匀。气压烧结后坯体的密度可达理论密度93~98%。埋粉也可以抑制Si3N4)在高温下的热分解，常见的埋粉为Si3N4+Bn+Mgo或与烧结体同组分的粉料加入氮化硼的混合物等。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.
气氛压力烧结满足了部分特殊陶瓷材料的烧结需要，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。故被国内绝大多数氮化硅制品厂家采用。
2.4 热压烧结
热压烧结采用专门的热压机，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”，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。Si3N4材料的热压烧结在石墨模具中进行，温度1600~1800，压力20~30Mpa，保压时间20~120min，整个过程在氮气气氛中进行，热压氮化硅制品密度高，气孔率接近零，弯曲强度1000Mpa，断裂韧性5~8Mpa.M1\2，强度在1000~1100度 的高温下仍保护不下降。但是热压烧结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。
2.5热等静压烧结
热等静压烧结采用专门的热等静压机，在高温下各向均匀施压完成。由于热等静压烧结技术对包套材料及技术要求较高，因此通常用于制造形状简单的产品且生产效率低。但利用热等静压烧结气压烧结过的陶瓷制品，则不需要包套。例如：当陶瓷刀片坯体密度大于93%时，开口气孔基本完全消除，可在坯体表面自然形成包套，因此刀片坯体可直接置于热等静压烧结炉内进行处理。在处理过程中，以氮气作为加压介质，加压150Mpa，升温至1650度，保温1h随炉冷却。经过热等静压烧结处理，刀片的密度可达理论密度的99.5%以上，坯体强度在气压烧结的基础上可增加50~200Mpa，显微硬度提高0.1~0.5Gp。热等静压烧结处理前后陶瓷刀片的性能对比见表:

据日本学者报导,Sic和Sic—Tic 陶瓷的表面裂纹和开口孔隙在1850度,200Mpa,n2气氛下进行热等静压烧结处理可以愈合。这样处理后的Sic基陶瓷的性能大为改善，例如Sic+3%Al2o3陶瓷的抗弯强度和冲击韧性分别从582Mpa、5.7Mpa.m1\2增加至907Mpa,8.4Mpa.m1\2热等静压烧结的产品密度均匀，机械性能优异，且各向同性，是高性能陶瓷制品的常用烧结方法。采用无包套热等静压烧结工艺，坯体不受形状影响，特别适合复杂形状零件，且单炉处理量大，平均成本低。但是热等静压烧结设备昂贵，一次性投资较大。
2.6：微波烧结
近十年来，微波技术在陶瓷材料中的应用越来越受到人们的关注。微波烧结是一种利用电解质在高频电场中的介质损耗，将微波能转变为热能而进行烧结，微波烧结具有许多常规烧结无法实现的优点，如高能效、无污染、整体快速加热、烧结温度低、材料的显微结构均匀，能获得特殊结构或性能的材料等，具有良好的发展前景。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。
2.6.1：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（表2），有效抑制晶粒异常长大，提高材料显微结构的均匀性。采用微波烧结ZrO2增韧莫来石，所用烧结温度仅为1350度，比其对应的常规烧结温度降低250度以上，且微波烧结的陶瓷晶粒更细小、均匀，晶界强度更高.

微波烧结是一种“整体性”加热，由于大多数陶瓷材料对微波具有良好的透过度，因此微波加热是均匀的，从理论上讲，加热速度可达300度/min 甚至更高。但在实际加热过程中，样品表面有辐射散热，且温度越高，热损失越大，如果没有合适的保温装置，则加热体内外温差极大，可能导致样品烧结的不均匀，甚至严重开裂，所以要合理设计保温层，尽量减少热量损失，改善加热均匀性。其次，在低温下，低介损物质对微波的能量几乎不吸收，必须采用混合式加热或添加偶合剂直接烧结。
2.6.2 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。Kin和JohnSon利用微波等离子烧结颗粒直径为0.3um的α—Al2o3，其中添加0.25%的Mgo，升温速度为100度/min，获得烧结体的相对密度达99.5%。
微波等离子烧结升温快，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。
2.6.3微波—等离子分步烧结
微波加热烧结受材料对微波吸收能力的强烈影响。只有达到某一临界温度后吸收能力才明显增加。微波等离子烧结不受介质电性能的影响，但大量等离子气体在常温常压下难以激励，负压等离子体又极易在高温下导致样品的大量挥发，同样有很大不足。微波等离子分步烧结结合两者优点，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。因此原则上适宜于烧结各种陶瓷。
微波烧结作为一种新型的烧结方法，能快速达到常规烧结难以达到的高温，在节能、降低成本方面有巨大的潜力。但由于微波烧结过程本身的复杂性，许多技术上的问题有待解决完善，材料介质特性数据的缺乏和设备的缺乏更是微波烧结技术发展的两大障碍。所以直到现在还没有实现工业化。
2.7:高温自蔓延烧结
高温自蔓延烧结实质是利用燃烧反应所产生的热量进行烧结和致密化。烧结可以在大气、真空或高压容器中进行。目前应用最成功的是高温自蔓延—离心法生产制备陶瓷复合钢管。20世纪80年代日本学者Odawara曾利用该技术制备出长5.5m,内径165mm的大尺寸陶瓷内衬复合钢管，该产品在输送铝液和地下热水等工业领域得到了成功的应用（见图3）。

将高放热的铝热剂置于钢管中，在高速旋转的离心力作用下，铝热剂紧贴在钢管的内壁，点燃铝热反应如下

反应放出的巨大热量使反应产物瞬间处于熔融状态。在离心力的作用下，密度高的Fe 液与密度低的Al2o3相互分离，Fe形成中间层，形成内衬陶瓷层，从而形成钢管+金属中间层+陶瓷内衬三层结构的复合钢管。其中离心力的大小应控制在50~200G之间，离心力太小，陶瓷与金属不能很好分离；离心力太大，金属层和陶瓷层分界明显，层间结合力变差，同时陶瓷层容易产生裂纹。另外铝热剂的粒度与添加量、添加剂、预热温度等因素都影响着反应的进行。
自蔓延铝热—离心技术工艺简单，成本低廉，节约能源。用该技术生产的陶瓷内衬复合钢管在矿山、能源的领域得到广泛应用。另外高温自蔓延烧结还可以进行陶瓷涂层和陶瓷焊接。
注意烧结的影响因素：
1：原始粉料的粒度，无论在固态或者液态的烧结中，细颗粒由于增加了烧结的推动力，缩短了原子扩散的距离和提高颗粒在液相中的溶解度而导致烧结过程的加速。一般烧结速率与起始粒度的1/3次方成正比。
2：外加剂的作用，在固相烧结中，少量外加剂（烧结助剂）可与主晶相形成固溶体促进缺陷增加；在液相烧结中，外加剂能改变液相的性质（如粘度、组成等），因而都能起到促进烧结的作用。
3：烧结温度和保温时间，在晶体中晶格能越大，离子结合越牢固，离子对扩散也越困难，所需的烧结温度也越高。但是各种晶体键合情况不同，因此烧结温度也相差很大，即使对于同一晶体，烧结温度也不是一个固定的值。但是高温短时间烧结是制造致密陶瓷材料的好方法，但还要考虑材料店传热系数，二次再结晶的温度，扩散系数等各种因数，合理制定烧结温度。
4：盐类的选择以及煅烧条件：在通常情况下，原始配料以眼泪形式加入，经过加热后以氧化物形式烧结。盐类具有层状结构，当其分解是这种结构往往不能完全破坏，原料盐类与生成物之间若保持结构上的关联性，那么盐类的种类、分解温度和时间将影响烧结氧化物的结构缺陷和内部应变，从而影响烧结速率与性能。
5：气氛的影响：一般地说，在由扩散控制的氧化物烧结中，气氛的影响与扩散控制因素有关，与气孔内气体的扩散和溶解能力有关。
6：成型压力的影响，粉料成型时必须加一定的压力，除了使其有一定的形状和一定的强度，同时也给烧结创造了颗粒间紧密接触的条件，使其烧结时扩散阻力减小。一般地说，成型压力越大，颗粒间接触越紧密对烧结越有利。但若压力过大使粉料超过塑性变形限度，就会发生脆性断裂。适当的成型压力可以提高生胚的密度，而生胚的密度与烧结体的致密化程度有正比关系。

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