。ㄒ唬Y(jié)機理
將顆粒狀陶瓷坯體置于高溫爐中,使其致密化形成強固體材料的過程,即為燒結(jié)。燒結(jié)開始于坯料顆粒間空隙排除,使相應的相鄰的粒子結(jié)合成緊密體。但燒結(jié)過程必須具備兩個基本條件:
(1)應該存在物質(zhì)遷移的機理;
(2)必須有一種能量(熱能)促進和維持物質(zhì)遷移。
現(xiàn)在精細陶瓷燒結(jié)的機理已出現(xiàn)了氣相燒結(jié)、固相燒結(jié)、液相燒結(jié)及反應液體燒結(jié)等四種燒結(jié)模式。它們的材料結(jié)構(gòu)機理與燒結(jié)驅(qū)動力方式各不相同。最主要的燒結(jié)機理是液相和固相燒結(jié),尤其是傳統(tǒng)陶瓷和大部分電子陶瓷的燒結(jié)依賴于液相形成、粘滯流動和溶解再沉淀過程,而對于高純、高強結(jié)構(gòu)陶瓷的燒結(jié),則以固相燒結(jié)為主,它們是通過晶界擴散或點陣擴散來達到物質(zhì)遷移的。
(二)精細陶瓷燒結(jié)使用的窯爐
陶瓷材料與制品最終燒制成功,可以在各種窯爐中燒成?梢允情g歇式窯爐,也可以采用連續(xù)式窯爐。前者燒成為周期性,適合小批量或特殊燒成方法。后者用于大規(guī)模生產(chǎn)與相對低的燒成條件。精細陶瓷使用最廣泛的是電加熱爐。燒成溫度與所需氣氛確定窯爐方式的選擇。許多高精尖的精細陶瓷制品需要采用超高溫窯爐進行燒制。按照傳統(tǒng)陶瓷燒成溫度高低的劃分。燒成溫度在1100ºC以下為低溫、1100ºC~1250ºC為中溫,1250ºC~1450ºC為高溫燒成,1450ºC以上為超高溫燒成。如高純氧化鋁陶瓷、碳化硅及氮化硅陶瓷都需超高溫燒結(jié)。目前國內(nèi)精細陶瓷制品燒成使用的超高溫窯爐,主要從日、美等國進口,目前日本某窯爐公司已能制造燒成溫度達1800ºC、溫差為0ºC的超高溫窯爐。發(fā)展精細陶瓷產(chǎn)品,必須首先將超高溫窯爐國產(chǎn)化,藉以降低設備投資,使產(chǎn)品盡快投產(chǎn),意義很大。
(三)精細陶瓷主要燒結(jié)技術(shù)
精細陶瓷燒結(jié)主要有以下幾種技術(shù)方法:
(1)常壓燒結(jié):又稱無壓燒結(jié)。屬于在大氣壓條件下坯體自由燒結(jié)的過程。在無外加動力下材料開始燒結(jié),溫度一般達到材料的熔點0.5-0.8即可。在此溫度下固相燒結(jié)能引起足夠原子擴散,液相燒結(jié)可促使液相形成或由化學反應產(chǎn)生液相促進擴散和粘滯流動的發(fā)生。常壓燒結(jié)中準確制定燒成曲線至關(guān)重要。合適的升溫制度方能保證制品減少開裂與結(jié)構(gòu)缺陷現(xiàn)象,提高成品率。
(2)熱壓燒結(jié)與熱等靜壓燒結(jié):熱壓燒結(jié)指在燒成過程中施加一定的壓力(在10~40MPa),促使材料加速流動、重排與致密化。采用熱壓燒結(jié)方法一般比常壓燒結(jié)溫度低100ºC左右,主要根據(jù)不同制品及有無液相生成而異。熱壓燒結(jié)采用預成型或?qū)⒎哿现苯友b在模內(nèi),工藝方法較簡單。該燒結(jié)法制品密度高,理論密度可達99%,制品性能優(yōu)良。不過此燒結(jié)法不易生產(chǎn)形狀復雜制品,燒結(jié)生產(chǎn)規(guī)模較小,成本高。
連續(xù)熱壓燒結(jié)生產(chǎn)效率高,但設備與模具費用較高,又不利于過高過厚制品的燒制。熱等靜壓燒結(jié)可克服上述弊缺,適合形狀復雜制品生產(chǎn)。目前一些高科技制品,如陶瓷軸承、反射鏡及軍工需用的核燃料、槍管等、亦可采用此種燒結(jié)工藝。
(3)反應燒結(jié):這是通過氣相或液相與基體材料相互反應而導致材料燒結(jié)的方法。最典型的代表性產(chǎn)品是反應燒結(jié)碳化硅和反應燒結(jié)氮化硅制品。此種燒結(jié)優(yōu)點是工藝簡單,制品可稍微加工或不加工,也可制備形狀復雜制品。缺點是制品中最終有殘余未反應產(chǎn)物,結(jié)構(gòu)不易控制,太厚制品不易完全反應燒結(jié)。
除碳化硅、氮化硅反應燒結(jié)外,最近又出現(xiàn)反應燒結(jié)三氧化二鋁方法,可以利用Al粉氧化反應制備Al2O3和Al2O3-Al復合材料,材料性能好。
(4)液相燒結(jié):許多氧化物陶瓷采用低熔點助劑促進材料燒結(jié)。助劑的加入一般不會影響材料的性能或反而為某種功能產(chǎn)生良好影響。作為高溫結(jié)構(gòu)使用的添加劑,要注意到晶界玻璃是造成高溫力學性能下降的主要因素。如果通過選擇使液相有很高的熔點或高粘度;蛘哌x擇合適的液相組成,然后作高溫熱處理,使某些晶相在晶界上析出,以提高材料的抗蠕變能力。
(5)微波燒結(jié)法:系采用微波能進行直接加熱進行燒結(jié)的方法。目前已有內(nèi)容積1立方米,燒成溫度可達1650ºC的微波燒結(jié)爐。如果使用控制氣氛石墨輔助加熱爐,溫度可高達2000ºC以上。并出現(xiàn)微波連續(xù)加熱15米長的隧道爐裝置。使用微波爐燒結(jié)精細陶瓷,在產(chǎn)品質(zhì)量與降低能耗方面,均比其它窯爐優(yōu)越。
(6)電弧等離子燒結(jié)法:其加熱方法與熱壓不同,它在施加應力同時,還施加一脈沖電源在制品上,材料被韌化同時也致密化。實驗已證明此種方法燒結(jié)快速,能使材料形成細晶高致密結(jié)構(gòu),預計對納米級材料燒結(jié)更適合。但迄今為止仍處于研究開發(fā)階段,許多問題仍需深入探討。
(7)自蔓延燒結(jié)法:是通過材料自身快速化學放熱反應而制成精密陶瓷材料制品。此方法節(jié)能并可減少費用。國外有報道說可用此法合成200多種化合物,如碳化物、氮化物、氧化物、金屬間化合物與復合材料等。
(8)氣相沉積法:分物理氣相法與化學氣相法兩類。物理法中最主要有濺射和蒸發(fā)沉積法兩種。濺射法是在真空中將電子轟擊一平整靶材上,將靶材原子激發(fā)后涂覆在樣品基板上。雖然涂覆速度慢且僅用于薄涂層,但能夠控制純度且底材不需要加熱。
化學氣相沉積法是在底材加熱同時,引入反應氣體或氣體混合物,在高溫下分解或發(fā)生反應生成的產(chǎn)物沉積在底材上,形成致密材料。此法的優(yōu)點是能夠生產(chǎn)出高致密細晶結(jié)構(gòu),材料的透光性及力學性能比其它燒結(jié)工藝獲得的制品更佳。
隨著微電子、數(shù)據(jù)存儲、先進顯示與光學涂層越來越多的需求,對精密陶瓷薄膜的需求大幅增長。
社會需求與高科技發(fā)展是精密陶瓷燒結(jié)水平不斷提高與優(yōu)化的原動力,精密陶瓷燒結(jié)技術(shù)將不斷取得新進步。