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氧化鋁陶瓷燒結的幾種工藝

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氧化鋁陶瓷燒結的幾種工藝

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,素坯發生體積收縮,最終變成致密的燒結體,這一過程稱為燒結。氧化鋁陶瓷坯體燒結的驅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,陶瓷實現致密化。在陶瓷燒結致密化的過程中,物質的傳遞可以通過固相擴散來進行,包括表面擴散、晶界擴散、晶格擴散等。工業上一般使用常壓燒結。

      1、常壓燒結

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

      Al2O3熔點高,因此Al2O3陶瓷的制備常常需要添加燒結助劑,通過液相燒結致密。這種方法通??纱龠MAl2O3陶瓷的燒結,Al2O3陶瓷液相燒結通過化學反應生成液相,促進擴散和粘性流動,以達到顆粒的重排和傳質過程,降低Al2O3陶瓷燒結溫度,加速有效燒結。

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

      2、熱壓燒結

  熱壓燒結就是高溫下對樣品施加單向壓力,促進陶瓷達到全致密。與常規燒結相比,在15MPa的壓力下燒結使陶瓷的燒結溫度降低了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,常規燒結需要1800℃以上的溫度;而20MPa的熱壓燒結只需要1500℃。

  熱壓燒結提供的壓力促進了顆粒內原子的流動,同時壓力和表面能一起作為驅動力,加強了擴散作用。由于熱壓燒結能在較低溫度下燒結,因而抑制了晶粒的長大,得到的樣品致密均勻、晶粒小、強度高。但它不宜生產過高、過厚、形狀復雜制品,生產規模小,成本高。

      3、熱等靜壓燒結

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

      4、超高壓燒結

  超高壓燒結即在較大壓力條件下進行燒結,由于壓力較大,原子擴散受到抑制,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。超高壓燒結過程中,壓力的存在使得顆粒內的空位和原子擴散速率増大,壓力與表面能一起作為燒結驅動力,使擴散作用増強。超高壓燒結通常只需在相對較低的溫度下進行,抑制了晶粒的異常長大,從而獲得致密化程度高、晶粒尺寸細小且分布均勻的高純氧化鋁陶瓷。

      5、微波加熱法燒結

  微波加熱法燒結是利用微波與陶瓷間的相互作用,因為介電作用使陶瓷內部和表面同時燒結。微波燒結不同于其它燒結方法,它的熱氣流是由內向外,有利于坯體內部的氣體向外擴散;同時微波使得晶粒的活性提高,更加易于遷移從而促進致密化。

  與其它燒結方法相比,微波燒結能夠快速地升溫和燒結,溫度場均勻、熱應力小、無污染。微波燒結的燒結溫度比常規燒結降低了100℃至150℃,且燒結時間比常規燒結少了近一個數量級。在相同條件下燒結,微波燒結的致密度明顯要高于常規燒結。微波燒結能夠燒結形狀復雜的物件,且燒結后的陶瓷內部晶粒小、均勻性好、斷裂韌性好。

      6、微波等離子體燒結

  微波等離子體燒結與常規燒結相比,在相同的條件下能夠降低燒結溫度200℃,并且燒結速度快、晶粒尺寸小、機械強度高。微波等離子體燒結促進致密化的一個原因是快速升溫,快速升溫減少了因表面擴散而引起的晶粒長大,為體積擴散和晶界擴散提供了較強的驅動力和較短的路程,從而降低氧化鋁陶瓷的燒結溫度并且使晶粒細化。

      7、放電等離子燒結

  放電等離子燒結是近幾年發展起來的一種較新的燒結方式,它是利用脈沖能、脈沖壓力產生的瞬間高溫場來實現陶瓷內部晶粒的自發發熱從而使晶?;罨?,由于這種燒結方法升溫、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、節約了能源。放電等離子燒結實際上是一種新的熱壓燒結方法,所得到的陶瓷樣品晶粒均勻、致密度高、機械性能好,是一種很有價值和前景的燒結方法。

  在放電等離子體燒結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致密化具有較大影響。在燒結初始階段,較快的升溫速率可以增加燒結體密度,而在燒結后期,較快的升溫速率會導致燒結體密度降低。

     8、兩步燒結法

  兩步燒結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)使坯體達到致密。在兩步燒結法中的低溫燒結階段,由于晶界遷移比晶界擴散所需要的活化能髙,所以這一階段主要以晶界擴散為主。因此,在兩步燒結法中的第二個階段,坯體不斷致密,但晶粒不會生長過快。在兩步燒結法中的低溫燒結階段,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

  兩步法燒結可以在傳統燒結爐上進行,設備成本低廉,具有很強的應用價值。但是兩步法燒結由于需要在第二個溫度點長時間保溫,因此是一種相對比較緩慢的燒結工藝。微波加熱通常以整體加熱、快速加熱為優點,很少有研究將微波加熱與兩步法加熱聯合起來。但是微波加熱能降低燒結溫度、縮短燒結時間的特點,將有利于晶粒的進一步細化,并有效縮短兩步法的生產周期。

      10、高真空燒結

  高真空燒結是一種在高度真空狀態下對陶瓷坯體進行燒結的燒結技術。真空燒結因具有降低升溫速率、抑制晶粒異常長大、減少不規則氣孔率等優勢在制備低氣孔率、小尺寸晶粒陶瓷方面受到許多學者的重視。

  髙真空燒結不僅可以増強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和燒結體中的氣孔。真空燒結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,從而導致鋁離子擴散過程加快,有利于燒結的進行。

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