中國粉體網(wǎng)訊  先進陶瓷材料以其一系列優(yōu)異的性能，在工業(yè)領域扮演著至關重要的角色，然而目前陶瓷材料的廣泛應用仍面臨許多問題與挑戰(zhàn)，其中可靠性、致密度和強度是主要的制約因素。如何在較低燒結溫度下實現(xiàn)材料的快速致密化，制備出完全無氣孔、結構均勻、晶粒細小且晶界強化的陶瓷塊體仍是陶瓷材料科學工作者不斷追求的目標。

1、先進陶瓷燒結概況

傳統(tǒng)的陶瓷燒結技術，包括氣氛燒結、真空燒結、熱壓燒結和熱等靜壓燒結等，主要是通過將陶瓷粉體在高溫熱驅動力的作用下長時間保溫，利用原子擴散排出晶粒間的氣孔從而致密化的過程。但在高溫條件下，原子擴散在促進材料致密化的同時，也會不可避免地導致晶粒長大現(xiàn)象，從而劣化材料的性能。長達數(shù)小時甚至數(shù)天的保溫時間對能源來說是極大的消耗，也不利于工業(yè)生產(chǎn)。

在先進陶瓷制備技術和制造裝備的革新當中，陶瓷燒結設備與燒結技術的創(chuàng)新是進一步提高先進陶瓷材料性能的最關鍵因素之一。對此，科研工作者成功開發(fā)了多種陶瓷燒結制備新工藝，它們或可降低燒結溫度、縮短燒結時間以實現(xiàn)快速致密化；或能提升材料各項性能。

2、放電等離子燒結(SPS)

SPS技術開創(chuàng)性地將直流脈沖電流引入燒結過程，壓頭在向材料施加壓力的同時也充當電流通過的載體。與傳統(tǒng)燒結技術通常利用發(fā)熱體輻射加熱不同，SPS技術借助大電流通過模具或導電樣品產(chǎn)生的熱效應來加熱材料。

對于絕緣樣品，通常使用導電性良好的石墨作為模具材料，利用模具的電阻熱使樣品快速升溫；對于導電樣品，則可以使用絕緣模具，使電流直接通過樣品進行加熱。其升溫速率可達1000℃/min，當樣品溫度達到設定值后，經(jīng)過短時間保溫即可完成燒結。

圖1：SPS設備的工作原理示意圖

3、閃燒(FS)

FS技術于2010年由科羅拉多大學的Cologna等首次報道，其來源于對電場輔助燒結技術(field-assisted sin-tering technology，F(xiàn)AST)的研究。圖2是一種典型的FS裝置示意圖，待燒結陶瓷素坯被制成“骨頭狀”，兩端通過鉑絲懸掛在經(jīng)過改造的爐體內(nèi)，向材料施加一定的直流或交流電場。爐體內(nèi)有熱電偶用于測溫，底部有CCD相機可實時記錄樣品尺寸。

圖2：FS裝置示意圖

圖3：直流電場對3YSZ燒結速率的影響

與傳統(tǒng)燒結相比，F(xiàn)S主要有以下優(yōu)勢：縮短燒結時間并降低燒結所需爐溫，抑制晶粒生長，能夠實現(xiàn)非平衡燒結，設備簡單，成本較低。

4、冷燒結(CS)

圖4：CS工藝所用設備

5、振蕩壓力燒結(OPS)

謝志鵬教授課題組提出在粉末燒結過程中引入動態(tài)振蕩壓力替代現(xiàn)有的恒定靜態(tài)壓力這一全新的設計思想，并在國際上率先研發(fā)出一種OPS技術和設備，其基本原理是在一個比較大的恒定壓力作用下，疊加一個頻率和振幅均可調(diào)的振蕩壓力，將傳統(tǒng)燒結中施加的“死力”變?yōu)椤盎盍Α�，振蕩壓力耦合裝置和原理示意圖如圖5所示。

圖5：振蕩壓力耦合裝置(a)和原理示意圖(b)

6、SHS/QP技術

利用高溫自蔓延燒結技術(SHS)可以在短時間里合成材料，但是直接獲得的產(chǎn)品往往是多孔、疏松狀的，不能作為結構件用。將SHS過程與動態(tài)快速機械軸壓結合起來，一次完成材料的合成與密實化過程的新工藝成為研究的熱點。

圖6：“自蔓延高溫合成結合快速加壓技術”設備的工作原理圖

小結

先進陶瓷材料作為工程材料的重要一員，其廣泛使用依然受限于傳統(tǒng)燒結技術高耗能、高耗時以及產(chǎn)品性能低劣等因素的制約。新型快速燒結技術在特種陶瓷快速制備、材料連接、梯度和納米陶瓷制備等方面己經(jīng)體現(xiàn)出其巨大的優(yōu)勢。

如果您需要了解以上新型燒結技術的最新研究進展，可查閱以下文獻：

《先進陶瓷材料燒結新技術研究進展》，新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室，謝志鵬教授等；

《特種陶瓷材料快速燒結新技術研究》，材料復合新技術國家重點實驗室，傅正義教授等。

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除！