特種陶瓷燒結(jié)工藝及應(yīng)用
2018/8/26 11:17:23??????點(diǎn)擊：
特種陶瓷的主要制備工藝過(guò)程包括坯料制備、成型和燒結(jié)三步。在成型工藝完成后，燒結(jié)可以控制晶粒的生長(zhǎng)，對(duì)材料的使用性能影響至關(guān)重大。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。
特種陶瓷燒結(jié)原理
燒結(jié)是指成型后的坯體在高溫作用下、通過(guò)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(guò)程。在宏觀(guān)和微觀(guān)上對(duì)燒結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行觀(guān)察，可以看到宏觀(guān)上，燒結(jié)后的產(chǎn)物體積收縮，致密度提高，強(qiáng)度增加。微觀(guān)上，氣孔形狀改變，晶體長(zhǎng)大，成份變化（摻雜元素）。按照燒結(jié)過(guò)程中的變化，主要將燒結(jié)分為以下階段：
1、燒結(jié)前期階段
a. 粘結(jié)劑等的脫除：如石蠟在250~400℃全部汽化揮發(fā)。
b. 隨著燒結(jié)溫度升高。原子擴(kuò)散加劇，空隙縮小，顆粒間由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，空隙縮小，連通孔隙變得封閉，并孤立分布。
c. 小顆粒率先出現(xiàn)晶界，晶界移動(dòng)，晶粒變大。
2、燒結(jié)后期階段
a. 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。
b. 晶粒長(zhǎng)大：晶界移動(dòng)，晶粒長(zhǎng)大。
陶瓷燒結(jié)主要可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)，并分別對(duì)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(jiǎn)單歸納為熔化、重排、溶解-沉淀、氣孔排除；按照燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)特征，將固相燒結(jié)機(jī)理劃分為3個(gè)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(guò)物質(zhì)擴(kuò)散和坯體收縮形成頸部。在這個(gè)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(kāi)始長(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)大。這個(gè)階段燒結(jié)體主要通過(guò)小孔隙的消失和孔隙數(shù)量的減少來(lái)實(shí)現(xiàn)收縮，收縮緩慢。
影響燒結(jié)的因素
1、粉末顆粒度
細(xì)顆粒增加燒結(jié)推動(dòng)力，縮短原子擴(kuò)散距離，提高顆粒在液相中的溶解度，導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程加速，但是過(guò)細(xì)的顆粒容易吸附大量氣體，妨礙顆粒間的接觸，阻礙燒結(jié)，因此必須根據(jù)燒結(jié)條件合理的選擇粒度。
2、外加劑的作用
固相燒結(jié)中，外加劑可通過(guò)增加缺陷促進(jìn)燒結(jié)；液相燒結(jié)中，外加劑可通過(guò)改變液相的性質(zhì)來(lái)促進(jìn)燒結(jié)。
3、燒結(jié)溫度和時(shí)間
提高燒結(jié)溫度對(duì)固相擴(kuò)散等傳質(zhì)有利，但過(guò)高的溫度會(huì)促使二次結(jié)晶，使材料性能惡化。燒結(jié)的低溫階段以表面擴(kuò)散為主，高溫階段以體積擴(kuò)散為主，低溫?zé)Y(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)致密化不利，是材料的性能變壞，因此通常采用高溫短時(shí)燒結(jié)提高材料的致密度。
4、燒結(jié)氣氛
在空氣中燒結(jié)，會(huì)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(duì)氣氛進(jìn)行選擇。而氣氛對(duì)燒結(jié)的影響又十分復(fù)雜。一般材料如TiO2、BeO、Al2O3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)，從而利于燒結(jié)；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)。
5、成型壓力
坯體的成型壓力也對(duì)材料的性能影響至關(guān)重要。成型壓力越大，坯體中顆粒接觸的越緊密，燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散阻力越??；過(guò)高的成型壓力又會(huì)是粉料發(fā)生脆性斷裂，不利于燒結(jié)。
特種陶瓷燒結(jié)原理
燒結(jié)是指成型后的坯體在高溫作用下、通過(guò)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(guò)程。在宏觀(guān)和微觀(guān)上對(duì)燒結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行觀(guān)察，可以看到宏觀(guān)上，燒結(jié)后的產(chǎn)物體積收縮，致密度提高，強(qiáng)度增加。微觀(guān)上，氣孔形狀改變，晶體長(zhǎng)大，成份變化（摻雜元素）。按照燒結(jié)過(guò)程中的變化，主要將燒結(jié)分為以下階段：
1、燒結(jié)前期階段
a. 粘結(jié)劑等的脫除：如石蠟在250~400℃全部汽化揮發(fā)。
b. 隨著燒結(jié)溫度升高。原子擴(kuò)散加劇，空隙縮小，顆粒間由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，空隙縮小，連通孔隙變得封閉，并孤立分布。
c. 小顆粒率先出現(xiàn)晶界，晶界移動(dòng)，晶粒變大。
2、燒結(jié)后期階段
a. 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。
b. 晶粒長(zhǎng)大：晶界移動(dòng)，晶粒長(zhǎng)大。
陶瓷燒結(jié)主要可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)，并分別對(duì)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(jiǎn)單歸納為熔化、重排、溶解-沉淀、氣孔排除；按照燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)特征，將固相燒結(jié)機(jī)理劃分為3個(gè)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(guò)物質(zhì)擴(kuò)散和坯體收縮形成頸部。在這個(gè)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(kāi)始長(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)大。這個(gè)階段燒結(jié)體主要通過(guò)小孔隙的消失和孔隙數(shù)量的減少來(lái)實(shí)現(xiàn)收縮，收縮緩慢。
影響燒結(jié)的因素
1、粉末顆粒度
細(xì)顆粒增加燒結(jié)推動(dòng)力，縮短原子擴(kuò)散距離，提高顆粒在液相中的溶解度，導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程加速，但是過(guò)細(xì)的顆粒容易吸附大量氣體，妨礙顆粒間的接觸，阻礙燒結(jié)，因此必須根據(jù)燒結(jié)條件合理的選擇粒度。
2、外加劑的作用
固相燒結(jié)中，外加劑可通過(guò)增加缺陷促進(jìn)燒結(jié)；液相燒結(jié)中，外加劑可通過(guò)改變液相的性質(zhì)來(lái)促進(jìn)燒結(jié)。
3、燒結(jié)溫度和時(shí)間
提高燒結(jié)溫度對(duì)固相擴(kuò)散等傳質(zhì)有利，但過(guò)高的溫度會(huì)促使二次結(jié)晶，使材料性能惡化。燒結(jié)的低溫階段以表面擴(kuò)散為主，高溫階段以體積擴(kuò)散為主，低溫?zé)Y(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)致密化不利，是材料的性能變壞，因此通常采用高溫短時(shí)燒結(jié)提高材料的致密度。
4、燒結(jié)氣氛
在空氣中燒結(jié)，會(huì)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(duì)氣氛進(jìn)行選擇。而氣氛對(duì)燒結(jié)的影響又十分復(fù)雜。一般材料如TiO2、BeO、Al2O3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)，從而利于燒結(jié)；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)。
5、成型壓力
坯體的成型壓力也對(duì)材料的性能影響至關(guān)重要。成型壓力越大，坯體中顆粒接觸的越緊密，燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散阻力越??；過(guò)高的成型壓力又會(huì)是粉料發(fā)生脆性斷裂，不利于燒結(jié)。
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