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陶瓷材料的烧结与原理

  陶瓷材料的烧结与原理_材料科学_工程科技_专业资料。陶瓷材料的烧结与原理

  陶瓷材料烧结原理与工艺 摘要:到目前为止,陶瓷烧结技术一直是人们不断突破的领域,本文从陶瓷烧结的分类、影响 因素、反应机理分别加以介绍,并列举了一些传统和先进的烧结技术,分析了它们的优缺点及应用 的范围。 关键词:陶瓷材料;影响因素;反应机理;烧结方法; Sintering Theory and Technology of Ceramics Abstract: So far, the people of ceramic sintering technology has been constantly breaking the field, this paper classification of ceramic sintering, influence factors, reaction mechanism be introduced separately, and listed some of the traditional and advanced sintering tech- nology, analyzes their advantages and disadvantages and application Range. Key words: Ceramic materials; factors; reaction mechanism; sintering method; 0 前言 陶瓷(Ceramic)的主要制备工艺过程包括坯料制备、成型和烧结。其生产工艺过程可简单地表示 为:坯料制备、成型、干燥、烧结、后处理、成品。制备:通过机械或物理或化学方法制备坯料, 在制备坯料时,要控制坯料粉的粒度、形状、纯度及脱水脱气,以及配料比例和混料均匀等质量要 求。按不同的成型工艺要求,坯料可以是粉料、浆料或可塑泥团;成型:将坯料用一定工具或模具 制成一定形状、尺寸、密度和强度的制品坯型(亦称生坯);烧结:生坯经初步干燥后,进行涂釉 烧结或直接烧结。高温烧结时,陶瓷内部会发生一系列物理化学变化及相变,如体积减小,密度增 加,强度、硬度提高,晶粒发生相变等,使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能[1]。 烧结是指成型后的坯体在低于熔点的高温作用下、通过坯体间颗粒相互粘结和物质传递,气孔 排除,体积收缩,强度提高、逐渐变成具有一定的几何形状和坚固烧结体的致密化过程。 1 分类 人们根据不同的依据分别对陶瓷的烧结进行分类,通常体现在以下几个方面: 依据 相分类 烧结过程中的物质传递 压力 气氛 反应 表 1 陶瓷烧结分类 种类 1 固相烧结 2 液相烧结 3 气相烧结 1 固相传质 2 液相传质 3 气相传质 1 常压烧结 2 压力烧结 1 普通烧结 2 氢气烧结 3 线 活化烧结 5 反应烧结 特点 只有固相传质 出现液相 蒸汽压较高 扩散为主 溶解和沉淀为主 蒸发和凝聚为主 无外加压力 外部加压 空气气氛 氢气气氛 真空气氛 固相条件 液相条件 气相条件 增加基体烧结活性能 基体材料与气相或液相反应 2 影响因素 影响陶瓷烧结程度的因素较多,可从以下几个方面加以考虑[2,3]: 2.1 烧结温度及保温时间 烧结温度是影响烧结的重要因素,一般来说,提高烧结温度,延长保温时间,会不同程度地促 进烧结完成,完善坯体的显微结构。但若烧结温度过高、保温时间过长,易导致晶粒异常长大,出 现过烧现象,反而使烧结体的性能下降。所以选择适当的烧结温度和保温时间是十分重要的[4]。 2.2 添加剂 纯陶瓷材料有时很难烧结,所以有时常添加一些烧结助剂,以降低烧结温度,改变烧结速度。 当添加剂能与烧结物形成固溶体时,将使晶格畸变而得到活化,使扩散和烧结速度增大,烧结温度 降低。 2.3 阻滞剂 烧结速度超出一定范围时,也不利于陶瓷的成型,为了控制烧结速度,常添加阻滞剂。一方面 可以控制速度,另一方面也可以阻碍晶粒长大,使粉体较细。 2.4 烧结气氛 气氛对烧结的影响是复杂的。在空气中烧结,会使晶体生成空位、造成缺陷,所以烧结不同的 基体材料要对气氛进行选择。一般材料如 TiO2、BeO、Al2O3 等,在还原气氛中烧结,氧可以直接 从晶体表面逸出,形成缺陷结构,利于扩散,从而利于烧结[4];非氧化物陶瓷,由于在高温下易被 氧化,因而在氮气及惰性气体中进行烧结;PZT 陶瓷,为防止 Pb 的挥发,要求加气氛片或气氛粉 体进行密闭烧结[3]。 2.5 压力 压力对烧结的影响主要表现在两个方面:生坯成型时的压力和烧结时的外加压力(热压)。成型 压力增大,坯体中颗粒的堆积就较紧密,相互的接触点和接触面积增大,烧结也被加速;热压的作 用则更为明显,与普通烧结相比,MgO 在 15MPa 压力下,烧结温度降低了 200?C,烧结体密度提 高了 2%,而且这种趋势随压力的增高而加剧。 2.6 颗粒大小 烧结时间随着颗粒尺寸减小而降低,同时,小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高,同时降低 烧结温度。而且粉体越细、表面能越高,烧结越容易。 3 烧结原理 烧结理论研究的主要目的是确定烧结过程中物质的迁移机制和烧结工艺参数对烧结过程物质 微观结构的影响,以便制定更好的烧结工艺。烧结理论的研究主要集中在研究材料的致密化过程的 热力学和动力学问题、显微结构发展以及致密化和显微结构发展之间的关系。[5] 3.1 烧结现象 人们在宏观和微观上对烧结现象进行观察,可以看到宏观上,烧结后的产物体积收缩,致密度 提高,强度增加。而在微观上观察,气孔形状改变,晶体长大,成份变化(掺杂元素)。 3.2 主要阶段 3.2.1 前期阶段 ① 粘结剂等的脱除; ② 随着烧结温度升高,原子扩散加剧,孔隙缩小,颗粒间由点接触转变为面接触,孔隙缩小, 连通孔隙变得封闭,并孤立分布; ③ 小颗粒间率先出现晶界,晶界移动,晶粒长大。 3.2.2 后期阶段 ① 孔隙的消除:晶界上的物质不断扩散到孔隙处,使孔隙逐渐消除; ② 晶粒长大:晶界移动,晶粒长大。 3.3 烧结原理 固相、液相烧结分别对应着不同的反应机理,液相烧结的反应机理可简单归纳(1)熔化(2) 重排(3)溶解-沉淀;及(4)气孔排除。按照烧结体的结构特征,常将固相烧结机理划分为 3 个阶 段:烧结初期、烧结中期和烧结后期。 烧结前期 在烧结初期,颗粒相互靠近,不同颗粒间接触点通过物质扩散和坯体收缩形成颈部。 在这个阶段,颗粒内的晶粒不发生变化,颗粒的外形基本保持不变。 烧结中期 烧结颈部开始长大,原子向颗粒结合面迁移,颗粒间距离缩小,形成连续的孔隙网 络。该阶段烧结体的密度和强度都增加。 烧结后期 一般当烧结体密度达到 90%,烧结就进入烧结后期。此时,大多数孔隙被分隔,晶 界上的物质继续向气孔扩散、填充,随着致密化继续进行,晶粒也继续长大。这个阶段烧结体主要 通过小孔隙的消失和孔隙数量的减少来实现收缩,收缩缓慢。 4 烧结方法(列表) 陶瓷因其具有相当多的物性,故即使作为多晶体,制造方法也不只一种。因此,烧结方法也有 多种。 表 2 陶瓷烧结方法简介 方法 普通 烧结 热压 烧结 气氛 烧结 反应 烧结 液相 烧结 热等 静压 烧结 真空 烧结 微波 烧结 电弧 等离 子烧 结 自蔓 延烧 结 气相 沉积 法 爆炸 烧结 概念 优点 缺点 适用范围 坯件在常压下进行的烧结。包 成本低、易于制造形 产品性能一般,较 各种材料 括升温、保温和降温。 状复杂的制品,并便 难完全致密 于批量生产。 在烧结过程中同时对坯料施 缩短时间;晶体粒度 不宜生产形状复杂 各种材料 加压力,加速了致密化的过 小;密度接近于理论 的制品,烧结生产 程。 密度。 规模小,成本高。 陶瓷坯体在通入一定气体 可以保护基体材料 气氛条件严格。 需要气体保 的炉膛内烧结的方法。 不与气体反应。 护的材料 通过气相或液相与基体材料 工艺简单,制品可稍 最终有残余未反应 碳化硅和反 相互反应而导致材料烧结的 微加工或不加工,也 产物,结构不易控 应烧结氮化 方法。 可制备形状复杂制 制,太厚制品不易 硅制品。 品。 完全反应烧结。 引入某些添加剂,形成玻璃相 产品致密并可降低 产品性能一般。 各种材料 或其它液相。 烧结温度。 高压保护气体下的高温烧结 制品形状不受限制, 设备投资大,不易 高附加值产 方法,其等静压由高压气体提 密度接近理论密度, 操作;成本较高; 品 供。 物理机械性能大幅 难以形成规模化和 提高。 自动化生产。 将粉体坯体放到真空炉中进 不易氧化,利于实现 价格昂贵。 粉末冶金制 行烧结。 高致密化。 品、碳化物 利用微波电磁场中材料的介 加热过程在被加热 晶粒生长不易控 各种材料 质损耗,使陶瓷加热至烧结温 物体整个体积内同 制。 度而实现致密化的快速烧结 时加热,升温迅速、 的新技术。 温度均匀。 利用体加热和表面活化,实现 烧结温度低、时间 成本昂贵,形状简 纳米陶瓷、纤 材料的超快速致密化烧结。 短,单件能耗低;操 单,工艺探索阶段。 维增强陶瓷 作简单,煅烧机理特 等新型材料 殊,可获得新结构。 通过材料本身快速化学放热 节能,成本低廉。 样品易团聚,气孔 少数材料 反应而制成精密陶瓷材料制 多,反应不易控制。 品。 物理法有溅射和蒸发沉积法。 可控纯度,不需加热 涂覆速度慢,且仅 要求特殊性 化学法是底材加热时引入反 能生产出高致密细 用于薄涂层;价格 能且薄的制 应气体,高温下生成产物沉积 晶结构,透光性及力 昂贵,形状简单。 品 在底材上形成致密材料。 学性能提高。 利用炸药爆轰产生的能量,以 高压下密度接近理 设计爆炸烧结参数 难熔金属或 冲击波的形式作用于金属或 论密度;快熔快冷, 复杂,工艺探索阶 合金、陶瓷、 非金属粉末,在瞬态、高温、 利于保持粉末的优 段。 金属或非金 高压下发生烧结的一种材料 异特性;非热熔性陶 属粉末 加工或合成的新技术[6]。 瓷无需添加烧结助 剂可烧结。 除上表中所列的一些烧结方法外,还有一些方法可用于陶瓷的烧结,如等离子烧结、电火花烧 结、电场烧结等等方法有待于进一步的研究与探索。 5 烧结后处理 陶瓷烧结后,要先对其进行表面施釉,即通过高温加热,在陶瓷表面烧覆一层玻璃状物质使其 表面具有光亮、美观、绝缘、防水等特性。它包括釉浆制备、涂釉和烧釉三个过程。在对陶瓷烧釉 之后为了改善陶瓷制件的表面光洁度、精确尺寸或去除表面缺陷等,常常会利用磨削、激光以及超 声波等方法对其进行进一步加工。另外,在很多场合,陶瓷需要与其他材料封接使用。人们经常使 用的封接技术有:玻璃釉封接、金属化焊料封接、激光焊接和烧结金属粉末封装等等[7]。 6 小结 作为一种重要的工业、生活材料,陶瓷的制备新技术一直是人们热衷研究的领域,而陶瓷材料 的烧结也是人们研究的重点。本文简单介绍了陶瓷材料烧结的分类,工艺参数的影响和烧结过程与 机理。介绍了一些传统的和先进的陶瓷烧结技术,分别列举了它们的优缺点以及适用范围。尤其是 一些新技术,虽然现今阶段理论发展尚不成熟,仍然处在摸索的阶段,但是我们可以结合传统制备 方法以及理论上发现的缺点加以改进和完善。 参考文献: [1] 陶瓷材料制备与烧结过程. 陶瓷的烧结原理与工艺. 特种陶瓷的烧结. 陶瓷材料合成与制备_烧结. 李达,陈沙鸥等.先进陶瓷材料固相烧结理论研究进展.材料导报. 2007,21(9):6 [6] 河南省精品课程陶瓷工艺原理(1). 陶瓷烧结原理与工艺.


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