中國(guó)粉體網(wǎng)訊 陶瓷燒結(jié)是指通過(guò)物質(zhì)遷移，使陶瓷粉體固結(jié)成致密塊體的過(guò)程，是坯體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)度致密瓷體的必經(jīng)之路。低溫?zé)Y(jié)技術(shù)將電場(chǎng)、溶劑、壓力等外場(chǎng)引入以改變燒結(jié)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，自20世紀(jì)以來(lái)，一直備受全球?qū)W者關(guān)注。目前常見(jiàn)有冷燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、閃燒、微波燒結(jié)等燒結(jié)工藝。其中，冷燒結(jié)因設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、燒結(jié)溫度低等優(yōu)勢(shì)獲得了廣泛的關(guān)注。
冷燒結(jié)技術(shù)的基本原理
1、冷燒結(jié)（CSP）工藝基本原理
從已有的報(bào)道來(lái)看，所有材料冷燒結(jié)都涉及溶劑引入、單軸壓力加壓、加熱等幾個(gè)要素，主要過(guò)程如下：
第一步：在陶瓷粉體原料中加入適量的溶劑，目的是使其顆粒表面均勻濕潤(rùn)，以促進(jìn)液相和固相之間緊密接觸。
第二步：將潤(rùn)濕的陶瓷原料倒入室溫或者經(jīng)過(guò)預(yù)熱后的模具，通過(guò)液壓機(jī)或機(jī)械壓力施加單軸壓力；當(dāng)壓力達(dá)到最大負(fù)載時(shí)，通過(guò)模具上、下方的熱壓板或包裹在模具周?chē)碾娍丶訜崽资┘訜崮埽ǎ?00℃），得到結(jié)構(gòu)較密的陶瓷燒結(jié)體。
有些研究報(bào)道表示，冷燒結(jié)的陶瓷晶粒發(fā)育不完善，晶界存在非晶相，還需對(duì)樣品進(jìn)行后處理來(lái)進(jìn)一步提高致密度，從而獲得最佳的結(jié)構(gòu)與性能。
在這些過(guò)程中，不難看出，CSP所用的裝置為開(kāi)放式體系，允許溶劑通過(guò)模具間隙蒸發(fā)，與其他需要專(zhuān)用密封反應(yīng)釜(如HHP)或昂貴電極(如FS)的低溫?zé)Y(jié)技術(shù)相比，這種簡(jiǎn)單的設(shè)備使CSP成為一種更方便易行的燒結(jié)技術(shù)。
2、冷燒結(jié)（CSP）致密化機(jī)理
第一階段為溶解－重排過(guò)程，水溶液形式的中間液相將陶瓷粉體均勻潤(rùn)濕，并在陶瓷顆粒表面形成一層液膜。中間液相使顆粒尖銳表面局部溶解，并作為潤(rùn)滑劑促進(jìn)顆粒重排和滑動(dòng)。
第二、第三階段分別是陶瓷顆粒的溶解-沉淀和晶體生長(zhǎng)階段，在高于水溶液沸點(diǎn)的溫度下，通過(guò)蒸發(fā)去除陶瓷顆粒間的液相，液相的蒸發(fā)使陶瓷顆粒間隙處達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，并使顆粒接觸區(qū)的化學(xué)勢(shì)高于晶體，此時(shí)溶解的原子或離子簇將在晶體處析出，從而促進(jìn)陶瓷材料的致密化。
溶解－沉淀過(guò)程中形成的沉淀物可能是結(jié)晶相，也可能是非結(jié)晶相。非結(jié)晶相包覆在晶粒的周?chē)鷱亩种凭Я５倪M(jìn)一步生長(zhǎng)，因此冷燒結(jié)技術(shù)在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)納米陶瓷或者亞微米陶瓷的致密化燒結(jié)。
冷燒結(jié)機(jī)制和冷燒結(jié)過(guò)程中陶瓷顆粒微觀(guān)結(jié)構(gòu)的演變示意圖
冷燒結(jié)技術(shù)在陶瓷材料中的應(yīng)用
冷燒結(jié)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于氯化物、氧化物、磷酸鹽等70余種陶瓷材料的燒結(jié)，涉及微波電介質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)和半導(dǎo)體材料等。采用冷燒結(jié)技術(shù)制得的大部分陶瓷材料具有較高的致密度，并且可以達(dá)到與傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)技術(shù)相媲美的性能。
1、Li2MoO4陶瓷
堿金屬鉬酸鹽(Li2MoO4、Na2Mo2O7和K2Mo2O7等)不僅具有較低的熔點(diǎn)(<1000℃)，而且在水中具有較高的溶解度，這些特點(diǎn)有助于其在冷燒結(jié)過(guò)程中更充分地進(jìn)行溶解-沉淀，實(shí)現(xiàn)低溫下的充分致密化，是應(yīng)用冷燒結(jié)技術(shù)制備最早的材料體系，并且獲得了良好的微波介電性能。
2014年Kahari等在室溫下成功制備出致密的Li2MoO4陶瓷，他們以少量水為液相均勻潤(rùn)濕Li2MoO4粉末，同時(shí)施加130MPa的單軸壓力，在室溫和120℃條件下分別保溫4h進(jìn)行恒溫恒壓致密化。所制得的試樣均為純Li2MoO4相，致密度為87%~93%，可與540℃常規(guī)高溫?zé)Y(jié)相媲美。
2、ZnO陶瓷
ZnO由于地球資源豐富、價(jià)格低廉、表面化學(xué)可調(diào)控、電學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)，在半導(dǎo)體、電化學(xué)和催化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越受到材料科學(xué)界的關(guān)注與重視。納米ZnO粉體具有豐富的晶粒形態(tài)、良好的溶劑親和性、較高的表面活性和一致的溶解性，是一種比較適合通過(guò)CSP制備的陶瓷材料。
Funahashi等首次采用冷燒結(jié)技術(shù)制備了ZnO陶瓷，采用乙酸溶液作為瞬態(tài)液相，300℃燒結(jié)后，試樣致密性達(dá)98%，電導(dǎo)率與傳統(tǒng)1400℃燒結(jié)材料相當(dāng)，模擬計(jì)算的冷燒結(jié)晶粒生長(zhǎng)活化能為43kJ·mol-1，遠(yuǎn)低于常規(guī)燒結(jié)報(bào)道值。
3、BaTiO3陶瓷
BaTiO3因其高介電常數(shù)和低介電損耗等特性，在電介質(zhì)陶瓷材料領(lǐng)域占有舉足輕重的地位，是電子陶瓷領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣泛的材料之一。因此，BaTiO3陶瓷冷燒結(jié)技術(shù)的研究在材料科學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注。
Guo等采用冷燒結(jié)技術(shù)180℃制備了BaTiO3陶瓷，然后經(jīng)過(guò)900℃后熱處理，得到的BaTiO3陶瓷晶粒尺寸為亞微米級(jí)，但介電性能較差。
Tsuji等以熔融的NaOH-KOH混合堿溶液作為液相助燒劑，在單軸壓力520MPa和300℃的條件下保溫12h后，便可一步制得高度致密化的納米BaTiO3陶瓷，并且無(wú)需后續(xù)熱處理�？梢园l(fā)現(xiàn)樣品無(wú)明顯的孔隙和非晶相，致密度可達(dá)98%~99%，晶粒尺寸為75~150nm。由試樣的介電溫譜圖，冷燒結(jié)BaTiO3陶瓷具有與常規(guī)熱燒結(jié)相差不大的優(yōu)良介電性能。
當(dāng)前，冷燒結(jié)技術(shù)已廣泛用于多種陶瓷材料制備，但主要集中在功能陶瓷材料的制備研究，而對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的制備研究較少。
冷燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
冷燒結(jié)技術(shù)的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了低溫?zé)Y(jié)技術(shù)的發(fā)展，不僅解決了相關(guān)材料的低溫制備問(wèn)題，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)，也規(guī)避不可控的晶界缺陷問(wèn)題。作為一種新型燒結(jié)技術(shù)，對(duì)冷燒結(jié)技術(shù)的探索仍處于早期階段，尚面臨著多方面的挑戰(zhàn)：
（1）冷燒結(jié)技術(shù)的復(fù)雜燒結(jié)機(jī)制尚待進(jìn)一步明確。需要對(duì)其致密化機(jī)理以及微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化機(jī)制進(jìn)行更深層次的探索與理解。
（2）瞬態(tài)液相的成分、含量的優(yōu)化以及非一致性溶解問(wèn)題是冷燒結(jié)技術(shù)改進(jìn)的重點(diǎn)。
（3）改造、優(yōu)化冷燒結(jié)裝備，增大冷燒結(jié)試樣尺寸。
（4）冷燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域需進(jìn)一步拓展。
參考來(lái)源：
馮靜靜等：冷燒結(jié)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
付長(zhǎng)利等：基于冷燒結(jié)技術(shù)的電介質(zhì)材料研究進(jìn)展
江潤(rùn)族等：陶瓷材料冷燒結(jié)技術(shù)研究進(jìn)展
吳明威等：冷燒結(jié)技術(shù)制備陶瓷材料綜述
康晟淋等：冷燒結(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展以及在電工領(lǐng)域的潛在應(yīng)用
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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