陶瓷材料的燒結(jié)與原理

1、陶瓷材料燒結(jié)原理與工藝摘要：到目前為止，陶瓷燒結(jié)技術(shù)一直是人們不斷突破的領(lǐng)域，本文從陶瓷燒結(jié)的分類、影響 因素、反應(yīng)機(jī)理分別加以介紹，并列舉了一些傳統(tǒng)和先進(jìn)的燒結(jié)技術(shù)，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用 的范圍。關(guān)鍵詞：陶瓷材料；影響因素；反應(yīng)機(jī)理；燒結(jié)方法；Sintering Theory and Technology of CeramicsAbstract： So far, the people of ceramic sintering technology has been constantly breaking the field, this paper classification of ce

2、ramic 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

3、(Ceramic)的主要制備工藝過程包括坯料制備、成型和燒結(jié)。其生產(chǎn)工藝過程可簡單地表示 為：坯料制備、成型、干燥、燒結(jié)、后處理、成品。制備：通過機(jī)械或物理或化學(xué)方法制備坯料， 在制備坯料時，要控制坯料粉的粒度、形狀、純度及脫水脫氣，以及配料比例和混料均勻等質(zhì)量要 求。按不同的成型工藝要求，坯料可以是粉料、漿料或可塑泥團(tuán)；成型：將坯料用一定工具或模具 制成一定形狀、尺寸、密度和強(qiáng)度的制品坯型(亦稱生坯)；燒結(jié)：生坯經(jīng)初步干燥后，進(jìn)行涂釉 燒結(jié)或直接燒結(jié)。高溫?zé)Y(jié)時，陶瓷內(nèi)部會發(fā)生一系列物理化學(xué)變化及相變，如體積減小，密度增 加，強(qiáng)度、硬度提高，晶粒發(fā)生相變等，使陶瓷制品達(dá)到所要求的物理性能和力

4、學(xué)性能1。燒結(jié)是指成型后的坯體在低于熔點(diǎn)的高溫作用下、通過坯體間顆粒相互粘結(jié)和物質(zhì)傳遞，氣孔 排除，體積收縮，強(qiáng)度提高、逐漸變成具有一定的幾何形狀和堅(jiān)固燒結(jié)體的致密化過程。1分類人們根據(jù)不同的依據(jù)分別對陶瓷的燒結(jié)進(jìn)行分類，通常體現(xiàn)在以下幾個方面：依據(jù)種類特點(diǎn)相分類1固相燒結(jié)只有固相傳質(zhì)2液相燒結(jié)出現(xiàn)液相3氣相燒結(jié)蒸汽壓較高燒結(jié)過程中的物質(zhì)傳遞1固相傳質(zhì)擴(kuò)散為主2液相傳質(zhì)溶解和沉淀為主3氣相傳質(zhì)蒸發(fā)和凝聚為主壓力1常壓燒結(jié)無外加壓力2壓力燒結(jié)外部加壓氣氛1普通燒結(jié)空氣氣氛2氫氣燒結(jié)氫氣氣氛3真空燒結(jié)真空氣氛反應(yīng)1固相燒結(jié)固相條件2液相燒結(jié)液相條件3氣相燒結(jié)氣相條件4活化燒結(jié)增加基體燒結(jié)活性能5反

5、應(yīng)燒結(jié)基體材料與氣相或液相反應(yīng)2影響因素影響陶瓷燒結(jié)程度的因素較多，可從以下幾個方面加以考慮2,3：2.1燒結(jié)溫度及保溫時間燒結(jié)溫度是影響燒結(jié)的重要因素，一般來說，提高燒結(jié)溫度，延長保溫時間，會不同程度地促 進(jìn)燒結(jié)完成，完善坯體的顯微結(jié)構(gòu)。但若燒結(jié)溫度過高、保溫時間過長，易導(dǎo)致晶粒異常長大，出 現(xiàn)過燒現(xiàn)象，反而使燒結(jié)體的性能下降。所以選擇適當(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度和保溫時間是十分重要的4。2.2添加劑純陶瓷材料有時很難燒結(jié)，所以有時常添加一些燒結(jié)助劑，以降低燒結(jié)溫度，改變燒結(jié)速度。 當(dāng)添加劑能與燒結(jié)物形成固溶體時，將使晶格畸變而得到活化，使擴(kuò)散和燒結(jié)速度增大，燒結(jié)溫度 降低。2.3阻滯劑燒結(jié)速度超出一定范

6、圍時，也不利于陶瓷的成型，為了控制燒結(jié)速度，常添加阻滯劑。一方面 可以控制速度，另一方面也可以阻礙晶粒長大，使粉體較細(xì)。2.4燒結(jié)氣氛氣氛對燒結(jié)的影響是復(fù)雜的。在空氣中燒結(jié)，會使晶體生成空位、造成缺陷，所以燒結(jié)不同的 基體材料要對氣氛進(jìn)行選擇。一般材料如TiO2、BeO、A12O3等，在還原氣氛中燒結(jié)，氧可以直接 從晶體表面逸出，形成缺陷結(jié)構(gòu)，利于擴(kuò)散，從而利于燒結(jié)4；非氧化物陶瓷，由于在高溫下易被 氧化，因而在氮?dú)饧岸栊詺怏w中進(jìn)行燒結(jié)；PZT陶瓷，為防止Pb的揮發(fā)，要求加氣氛片或氣氛粉 體進(jìn)行密閉燒結(jié)3。2.5壓力壓力對燒結(jié)的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：生坯成型時的壓力和燒結(jié)時的外加壓力（熱壓）

7、。成型壓力增大，坯體中顆粒的堆積就較緊密，相互的接觸點(diǎn)和接觸面積增大，燒結(jié)也被加速；熱壓的作 用則更為明顯，與普通燒結(jié)相比，MgO在15MPa壓力下，燒結(jié)溫度降低了 200 C，燒結(jié)體密度提 高了 2%，而且這種趨勢隨壓力的增高而加劇。2.6顆粒大小燒結(jié)時間隨著顆粒尺寸減小而降低，同時，小的顆粒尺寸可以使燒結(jié)體的密度提高，同時降低 燒結(jié)溫度。而且粉體越細(xì)、表面能越高，燒結(jié)越容易。3燒結(jié)原理燒結(jié)理論研究的主要目的是確定燒結(jié)過程中物質(zhì)的遷移機(jī)制和燒結(jié)工藝參數(shù)對燒結(jié)過程物質(zhì) 微觀結(jié)構(gòu)的影響，以便制定更好的燒結(jié)工藝。燒結(jié)理論的研究主要集中在研究材料的致密化過程的 熱力學(xué)和動力學(xué)問題、顯微結(jié)構(gòu)發(fā)展以及致

8、密化和顯微結(jié)構(gòu)發(fā)展之間的關(guān)系。53.1燒結(jié)現(xiàn)象人們在宏觀和微觀上對燒結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行觀察，可以看到宏觀上，燒結(jié)后的產(chǎn)物體積收縮，致密度 提高，強(qiáng)度增加。而在微觀上觀察，氣孔形狀改變，晶體長大，成份變化（摻雜元素）。3.2主要階段3.2.1前期階段粘結(jié)劑等的脫除；隨著燒結(jié)溫度升高，原子擴(kuò)散加劇，孔隙縮小，顆粒間由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，孔隙縮小， 連通孔隙變得封閉，并孤立分布；小顆粒間率先出現(xiàn)晶界，晶界移動，晶粒長大。3.2.2后期階段孔隙的消除：晶界上的物質(zhì)不斷擴(kuò)散到孔隙處，使孔隙逐漸消除；晶粒長大：晶界移動，晶粒長大。3.3燒結(jié)原理固相、液相燒結(jié)分別對應(yīng)著不同的反應(yīng)機(jī)理，液相燒結(jié)的反應(yīng)機(jī)理可簡單歸納（

9、1）熔化（2） 重排（3）溶解-沉淀;及（4）氣孔排除。按照燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)特征，常將固相燒結(jié)機(jī)理劃分為3個階 段：燒結(jié)初期、燒結(jié)中期和燒結(jié)后期。燒結(jié)前期 在燒結(jié)初期，顆粒相互靠近，不同顆粒間接觸點(diǎn)通過物質(zhì)擴(kuò)散和坯體收縮形成頸部。 在這個階段，顆粒內(nèi)的晶粒不發(fā)生變化，顆粒的外形基本保持不變。燒結(jié)中期燒結(jié)頸部開始長大，原子向顆粒結(jié)合面遷移，顆粒間距離縮小，形成連續(xù)的孔隙網(wǎng) 絡(luò)。該階段燒結(jié)體的密度和強(qiáng)度都增加。燒結(jié)后期一般當(dāng)燒結(jié)體密度達(dá)到90%，燒結(jié)就進(jìn)入燒結(jié)后期。此時，大多數(shù)孔隙被分隔，晶 界上的物質(zhì)繼續(xù)向氣孔擴(kuò)散、填充，隨著致密化繼續(xù)進(jìn)行，晶粒也繼續(xù)長大。這個階段燒結(jié)體主要 通過小孔隙的消失和孔隙

10、數(shù)量的減少來實(shí)現(xiàn)收縮，收縮緩慢。4燒結(jié)方法（列表）陶瓷因其具有相當(dāng)多的物性，故即使作為多晶體，制造方法也不只一種。因此，燒結(jié)方法也有 多種。方法概念優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用范圍普通 燒結(jié)坯件在常壓下進(jìn)行的燒結(jié)。包 括升溫、保溫和降溫。成本低、易于制造形狀復(fù)雜的制品，并便 于批量生產(chǎn)。產(chǎn)品性能一般，較 難完全致密各種材料熱壓燒結(jié)在燒結(jié)過程中同時對坯料施 加壓力，加速了致密化的過 程?？s短時間；晶體粒度 ??；密度接近于理論 密度。不宜生產(chǎn)形狀復(fù)雜 的制品，燒結(jié)生產(chǎn) 規(guī)模小，成本高。各種材料氣氛燒結(jié)陶瓷坯體在通入一定氣體 的爐膛內(nèi)燒結(jié)的方法。可以保護(hù)基體材料 不與氣體反應(yīng)。氣氛條件嚴(yán)格。需要?dú)怏w保 護(hù)的材料反應(yīng)

11、 燒結(jié)通過氣相或液相與基體材料 相互反應(yīng)而導(dǎo)致材料燒結(jié)的 方法。工藝簡單，制品可稍 微加工或不加工，也 可制備形狀復(fù)雜制 品。最終有殘余未反應(yīng) 產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)不易控 制，太厚制品不易 完全反應(yīng)燒結(jié)。碳化硅和反應(yīng)燒結(jié)氮化 硅制品。液相 燒結(jié)引入某些添加劑，形成玻璃相 或其它液相。產(chǎn)品致密并可降低 燒結(jié)溫度。產(chǎn)品性能一般。各種材料熱等靜壓燒結(jié)高壓保護(hù)氣體下的高溫?zé)Y(jié) 方法，其等靜壓由高壓氣體提 供。制品形狀不受限制， 密度接近理論密度， 物理機(jī)械性能大幅 提高。設(shè)備投資大，不易 操作；成本較高； 難以形成規(guī)模化和 自動化生產(chǎn)。高附加值產(chǎn) 品真空燒結(jié)將粉體坯體放到真空爐中進(jìn) 行燒結(jié)。不易氧化，利于實(shí)現(xiàn)

12、高致密化。價(jià)格昂貴。粉末冶金制 品、碳化物微波燒結(jié)利用微波電磁場中材料的介 質(zhì)損耗，使陶瓷加熱至燒結(jié)溫 度而實(shí)現(xiàn)致密化的快速燒結(jié) 的新技術(shù)。加熱過程在被加熱 物體整個體積內(nèi)同 時加熱，升溫迅速、 溫度均勻。晶粒生長不易控 制。各種材料電弧 等離 子燒 結(jié)利用體加熱和表面活化，實(shí)現(xiàn) 材料的超快速致密化燒結(jié)。燒結(jié)溫度低、時間 短，單件能耗低；操 作簡單，煅燒機(jī)理特 殊，可獲得新結(jié)構(gòu)。成本昂貴，形狀簡 單，工藝探索階段。納米陶瓷、纖維增強(qiáng)陶瓷等新型材料自蔓 延燒 結(jié)通過材料本身快速化學(xué)放熱 反應(yīng)而制成精密陶瓷材料制 品。節(jié)能，成本低廉。樣品易團(tuán)聚，氣孔 多，反應(yīng)不易控制。少數(shù)材料氣相 沉積 法物理法

13、有濺射和蒸發(fā)沉積法?？煽丶兌?，不需加熱涂覆速度慢，且僅 用于薄涂層；價(jià)格 昂貴，形狀簡單。要求特殊性 能且薄的制 品化學(xué)法是底材加熱時引入反 應(yīng)氣體，高溫下生成產(chǎn)物沉積 在底材上形成致密材料。能生產(chǎn)出高致密細(xì) 晶結(jié)構(gòu)，透光性及力 學(xué)性能提高。爆炸燒結(jié)利用炸藥爆轟產(chǎn)生的能量，以 沖擊波的形式作用于金屬或 非金屬粉末，在瞬態(tài)、高溫、 高壓下發(fā)生燒結(jié)的一種材料 加工或合成的新技術(shù)6。高壓下密度接近理 論密度；快熔快冷， 利于保持粉末的優(yōu) 異特性;非熱熔性陶 瓷無需添加燒結(jié)助 劑可燒結(jié)。設(shè)計(jì)爆炸燒結(jié)參數(shù) 復(fù)雜，工藝探索階 段。難熔金屬或 合金、陶瓷、 金屬或非金 屬粉末除上表中所列的一些燒結(jié)方法外，還

14、有一些方法可用于陶瓷的燒結(jié)，如等離子燒結(jié)、電火花燒 結(jié)、電場燒結(jié)等等方法有待于進(jìn)一步的研究與探索。5燒結(jié)后處理陶瓷燒結(jié)后，要先對其進(jìn)行表面施釉，即通過高溫加熱，在陶瓷表面燒覆一層玻璃狀物質(zhì)使其 表面具有光亮、美觀、絕緣、防水等特性。它包括釉漿制備、涂釉和燒釉三個過程。在對陶瓷燒釉 之后為了改善陶瓷制件的表面光潔度、精確尺寸或去除表面缺陷等，常常會利用磨削、激光以及超 聲波等方法對其進(jìn)行進(jìn)一步加工。另外，在很多場合，陶瓷需要與其他材料封接使用。人們經(jīng)常使 用的封接技術(shù)有：玻璃釉封接、金屬化焊料封接、激光焊接和燒結(jié)金屬粉末封裝等等7。6小結(jié)作為一種重要的工業(yè)、生活材料，陶瓷的制備新技術(shù)一直是人們熱

15、衷研究的領(lǐng)域，而陶瓷材料 的燒結(jié)也是人們研究的重點(diǎn)。本文簡單介紹了陶瓷材料燒結(jié)的分類，工藝參數(shù)的影響和燒結(jié)過程與 機(jī)理。介紹了一些傳統(tǒng)的和先進(jìn)的陶瓷燒結(jié)技術(shù)，分別列舉了它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍。尤其是 一些新技術(shù)，雖然現(xiàn)今階段理論發(fā)展尚不成熟，仍然處在摸索的階段，但是我們可以結(jié)合傳統(tǒng)制備 方法以及理論上發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)加以改進(jìn)和完善。參考文獻(xiàn)：陶瓷材料制備與燒結(jié)過程. HYPERLINK /view/41fceb3887c24028915fc37e.html /view/41fceb3887c24028915fc37e.html陶瓷的燒結(jié)原理與工藝. HYPERLINK /view/dbb0b16c1eb91a37f1115cf7.html /view/dbb0b16c1eb91a37f1115cf7.html特種陶瓷的燒結(jié). HYPERLINK /view/a7c0241aa8114431b90dd8c8.html /view/a7c0241aa8114431b90dd8c8.html陶瓷材料合成與制備_燒結(jié). HYPERLINK /view/cb1df3f90242a8956bece434.html /view/cb1df3f90242a895