氧化鋁陶瓷燒結(jié)的幾種工藝

粉體成型后獲得形狀良好的素坯，然后將素坯在一定溫度下加熱，素坯發(fā)生體積收縮，最終變成致密的燒結(jié)體，這一過程稱為燒結(jié)。氧化鋁陶瓷坯體燒結(jié)的驅(qū)動力主要是粉體表面能的變化，即粉體的表面能下降，表面積減少，陶瓷實(shí)現(xiàn)致密化。在陶瓷燒結(jié)致密化的過程中，物質(zhì)的傳遞可以通過固相擴(kuò)散來進(jìn)行，包括表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、晶格擴(kuò)散等。工業(yè)上一般使用常壓燒結(jié)。

      1、常壓燒結(jié)

　　常壓燒結(jié)即對材料不進(jìn)行加壓而使其在大氣壓力下燒結(jié)，是目前應(yīng)用最普遍的一種燒結(jié)方法。它包括了在空氣條件下的常壓燒結(jié)和某種特殊氣體氣氛條件下的常壓燒結(jié)。該方法具有較高的燒結(jié)溫度，對爐內(nèi)的要求較高，且對能源的浪費(fèi)比較大。

      Al2O3熔點(diǎn)高，因此Al2O3陶瓷的制備常常需要添加燒結(jié)助劑，通過液相燒結(jié)致密。這種方法通常可促進(jìn)Al2O3陶瓷的燒結(jié)，Al2O3陶瓷液相燒結(jié)通過化學(xué)反應(yīng)生成液相，促進(jìn)擴(kuò)散和粘性流動，以達(dá)到顆粒的重排和傳質(zhì)過程，降低Al2O3陶瓷燒結(jié)溫度，加速有效燒結(jié)。

　　由于常壓燒結(jié)沒有外加驅(qū)動力，要將陶瓷內(nèi)部的氣孔全部排除達(dá)到理論密度是非常困難的。而特殊燒結(jié)工藝是指在氧化鋁陶瓷的燒結(jié)過程中外加燒結(jié)驅(qū)動力，促進(jìn)陶瓷的致密化。目前常見的特殊燒結(jié)工藝主要有熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、微波加熱燒結(jié)、微波等離子體燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)等。

      2、熱壓燒結(jié)

　　熱壓燒結(jié)就是高溫下對樣品施加單向壓力，促進(jìn)陶瓷達(dá)到全致密。與常規(guī)燒結(jié)相比，在15MPa的壓力下燒結(jié)使陶瓷的燒結(jié)溫度降低了200℃同時致密度提高2%，而且這種趨勢隨著壓力的增加而提高。對于純氧化鋁陶瓷，常規(guī)燒結(jié)需要1800℃以上的溫度；而20MPa的熱壓燒結(jié)只需要1500℃。

　　熱壓燒結(jié)提供的壓力促進(jìn)了顆粒內(nèi)原子的流動，同時壓力和表面能一起作為驅(qū)動力，加強(qiáng)了擴(kuò)散作用。由于熱壓燒結(jié)能在較低溫度下燒結(jié)，因而抑制了晶粒的長大，得到的樣品致密均勻、晶粒小、強(qiáng)度高。但它不宜生產(chǎn)過高、過厚、形狀復(fù)雜制品，生產(chǎn)規(guī)模小，成本高。

      3、熱等靜壓燒結(jié)

　　熱等靜壓燒結(jié)是對陶瓷坯體的各個方向同時施加壓力的燒結(jié)，降低陶瓷的燒結(jié)溫度，同時燒結(jié)得到的陶瓷結(jié)構(gòu)均勻、性能好。雖然熱等靜壓燒結(jié)能夠成功地降低陶瓷的燒結(jié)溫度、且可以獲得形狀復(fù)雜的物件，但是熱等靜壓燒結(jié)需要提前對坯體進(jìn)行包封或者預(yù)燒結(jié)、壓力條件也會比較苛刻。

      4、超高壓燒結(jié)

　　超高壓燒結(jié)即在較大壓力條件下進(jìn)行燒結(jié)，由于壓力較大，原子擴(kuò)散受到抑制，形核勢壘相對較小，因此，在較低溫度下即可制得高致密（>98%）高純度氧化鋁陶瓷。超高壓燒結(jié)過程中，壓力的存在使得顆粒內(nèi)的空位和原子擴(kuò)散速率増大，壓力與表面能一起作為燒結(jié)驅(qū)動力，使擴(kuò)散作用増強(qiáng)。超高壓燒結(jié)通常只需在相對較低的溫度下進(jìn)行，抑制了晶粒的異常長大，從而獲得致密化程度高、晶粒尺寸細(xì)小且分布均勻的高純氧化鋁陶瓷。

      5、微波加熱法燒結(jié)

　　微波加熱法燒結(jié)是利用微波與陶瓷間的相互作用，因?yàn)榻殡娮饔檬固沾蓛?nèi)部和表面同時燒結(jié)。微波燒結(jié)不同于其它燒結(jié)方法，它的熱氣流是由內(nèi)向外，有利于坯體內(nèi)部的氣體向外擴(kuò)散；同時微波使得晶粒的活性提高，更加易于遷移從而促進(jìn)致密化。

　　與其它燒結(jié)方法相比，微波燒結(jié)能夠快速地升溫和燒結(jié)，溫度場均勻、熱應(yīng)力小、無污染。微波燒結(jié)的燒結(jié)溫度比常規(guī)燒結(jié)降低了100℃至150℃，且燒結(jié)時間比常規(guī)燒結(jié)少了近一個數(shù)量級。在相同條件下燒結(jié)，微波燒結(jié)的致密度明顯要高于常規(guī)燒結(jié)。微波燒結(jié)能夠燒結(jié)形狀復(fù)雜的物件，且燒結(jié)后的陶瓷內(nèi)部晶粒小、均勻性好、斷裂韌性好。

      6、微波等離子體燒結(jié)

　　微波等離子體燒結(jié)與常規(guī)燒結(jié)相比，在相同的條件下能夠降低燒結(jié)溫度200℃，并且燒結(jié)速度快、晶粒尺寸小、機(jī)械強(qiáng)度高。微波等離子體燒結(jié)促進(jìn)致密化的一個原因是快速升溫，快速升溫減少了因表面擴(kuò)散而引起的晶粒長大，為體積擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散提供了較強(qiáng)的驅(qū)動力和較短的路程，從而降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度并且使晶粒細(xì)化。

      7、放電等離子燒結(jié)

　　放電等離子燒結(jié)是近幾年發(fā)展起來的一種較新的燒結(jié)方式，它是利用脈沖能、脈沖壓力產(chǎn)生的瞬間高溫場來實(shí)現(xiàn)陶瓷內(nèi)部晶粒的自發(fā)發(fā)熱從而使晶粒活化，由于這種燒結(jié)方法升溫、降溫快、保溫時間短，抑制了晶粒的生長、縮短了陶瓷的制備周期、節(jié)約了能源。放電等離子燒結(jié)實(shí)際上是一種新的熱壓燒結(jié)方法，所得到的陶瓷樣品晶粒均勻、致密度高、機(jī)械性能好，是一種很有價值和前景的燒結(jié)方法。

　　在放電等離子體燒結(jié)制備高純氧化鋁陶瓷的過程中，升溫速率對不同階段樣品燒結(jié)致密化具有較大影響。在燒結(jié)初始階段，較快的升溫速率可以增加燒結(jié)體密度，而在燒結(jié)后期，較快的升溫速率會導(dǎo)致燒結(jié)體密度降低。

     8、兩步燒結(jié)法

　　兩步燒結(jié)法即將樣品加熱到一個特定的溫度（T1）以排除坯體中的亞臨界氣孔，然后降至一個較低的溫度（T2）使坯體達(dá)到致密。在兩步燒結(jié)法中的低溫?zé)Y(jié)階段，由于晶界遷移比晶界擴(kuò)散所需要的活化能髙，所以這一階段主要以晶界擴(kuò)散為主。因此，在兩步燒結(jié)法中的第二個階段，坯體不斷致密，但晶粒不會生長過快。在兩步燒結(jié)法中的低溫?zé)Y(jié)階段，坯體完全致密的先決條件是在坯體收縮的過程中，坯體中的氣孔逐漸變成封閉氣孔。

      9、微波兩步法燒結(jié)

　　兩步法燒結(jié)可以在傳統(tǒng)燒結(jié)爐上進(jìn)行，設(shè)備成本低廉，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值。但是兩步法燒結(jié)由于需要在第二個溫度點(diǎn)長時間保溫，因此是一種相對比較緩慢的燒結(jié)工藝。微波加熱通常以整體加熱、快速加熱為優(yōu)點(diǎn)，很少有研究將微波加熱與兩步法加熱聯(lián)合起來。但是微波加熱能降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時間的特點(diǎn)，將有利于晶粒的進(jìn)一步細(xì)化，并有效縮短兩步法的生產(chǎn)周期。

      10、高真空燒結(jié)

　　高真空燒結(jié)是一種在高度真空狀態(tài)下對陶瓷坯體進(jìn)行燒結(jié)的燒結(jié)技術(shù)。真空燒結(jié)因具有降低升溫速率、抑制晶粒異常長大、減少不規(guī)則氣孔率等優(yōu)勢在制備低氣孔率、小尺寸晶粒陶瓷方面受到許多學(xué)者的重視。

　　髙真空燒結(jié)不僅可以増強(qiáng)高純氧化鋁陶瓷的一些性能，而且還可以減少晶界處的雜質(zhì)和燒結(jié)體中的氣孔。真空燒結(jié)制備高純氧化鋁陶瓷的過程中，氧化鋁晶格中的氧離子容易丟失，形成大量的氧離子空位，鋁離子濃度相對增加，從而導(dǎo)致鋁離子擴(kuò)散過程加快，有利于燒結(jié)的進(jìn)行。

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