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先进陶瓷六大烧结工艺总汇

时间:2019-12-19 作者:admin 来源:本站

  一、先进陶瓷烧结技术概述

陶瓷素坯在烧结前是由许许多多单个的固体颗粒所组成的,坯体中存在大量气孔,气孔率一般为35%~60%(即素坯相对密度为40%~65%),具体数值取决于粉料自身特征和所使用的成型方法和技术。当对固态素坯进行高温加热时,素坯中的颗粒发生物质迁移,达到某一温度后坯体发生收缩,出现晶粒长大,伴随气孔排除,最终在低于熔点的温度下(一般在熔点的0.5~0.7倍)素坯变成致密的多晶陶瓷材料,这种过程称为烧结。

陶瓷烧结依据是否产生液相分为固相烧结和液相烧结。同时,陶瓷烧结涉及到温度、气氛、压力等因素及其调控,由此产生了常压烧结、真空烧结、气氛烧结及各种压力烧结技术。下面,尚美新材小编就来主要介绍一下先进陶瓷烧结的六大工艺。

  二、先进陶瓷六大烧结工艺

1、热压烧结工艺介绍:

热压烧结(hot-pressing,HP)是一种机械加压的烧结方法,此法是先把陶瓷粉末装在模腔内,在加压的同时将粉末加热到烧成温度,由于从外部施加压力而补充了驱动了,因此可在较短时间内达到致密化,并且获得具有细小均匀晶粒的显微结构。对于共价键难烧结的高温陶瓷材料(如Si3N4、B4C、SiC、TiB2、ZrB2),热压烧结是一种有效的致密化技术。

  条件:

  (1)粉末的粒径和均匀性也对热压致密化速率有显著影响,要求粉末粒度应为亚微米级(<1μm),且粒径分布窄,并且无硬团聚。
       
        (2)适当的压力和升温制度;

  (3对于某些难烧结的陶瓷材料,也需要加入烧结助剂

  

  优点:

  (1)可获得更好的材料力学性能;(2)可减少烧结时间或降低烧结温度;(3)可减少共价键陶瓷烧结助剂的用量,从而提高材料的高温力学性能。

  缺点:

  (1)成本较高(2)只能用于制备形式简单和比较扁平的制品;(3)一次烧结的制品数量有限。

  因此热压烧结常用于生产单个或多个形状简单的产品,如圆片状、柱状或者棱柱状的棒。

  

  2、热等静压烧结

热等静压(hot isostatic pressing,HIP)是工程陶瓷快速致密化烧结最有效的一种方法,其基本原理是以高压气体作为压力介质作用于陶瓷材料(包封的粉末和素坯,或烧结体),使其在加热过程中经受各向均衡的压力,借助于高温和高压的共同作用达到材料致密化。

  优点:

  (1)提高陶瓷性能和可靠性;
        (2)降低烧结温度、缩短烧结时间;
        (3)减少或不使用烧结助剂;
        (4)便于制造复杂形状产品
        (5)提高陶瓷性能和可靠性;

 

3、气压烧结气压烧结(gas pressure sintering,GPS)是指陶瓷在高温烧结过程中,施加一定的气体压力,通常为N2,压力范围在1~10MPa,以便抑制在高温下陶瓷材料的分解和失重,从而可提高烧结温度,进一步促进材料的致密化,获得高密度的陶瓷制品。

气压烧结和热等静压烧结都是采用气体作为传递压力的方法,但是两者的压力大小和压力作用是不同的。HIP烧结中气氛压力大(100~300MPa),主要作用是促进陶瓷完全致密化。而GPS烧结中,施加的气体压力小(1~10MPa),主要是抑制Si3N4或其他氮化物类高温材料的热分解。

  优点:与热压工艺、热等静压工艺比较,气压烧结工艺最大的优势是可以以较低的成本制备性能较好,形状复杂的产品,并实现批量化生产。

4、微波烧结微波烧结是利用微波与材料相互作用,导致介电损耗而使陶瓷表面和内部同时受热(即材料自身发热,也称体积性加热),因此与传统的外热源常规加热吸相比,微波加热具有快速、均匀、能效高、无热源污染等许多优点。

传统加热和烧结是利用外热源,通过辐射、对流、传到对陶瓷样品进行由表面到内部的加热模式,速率慢、能效低,存在温度梯度和热应力。而微波烧结陶瓷的加热是微波电磁场与材料介质的相互作用,导致介电损耗而是陶瓷材料表面和内部同时受热,这样温度梯度小,避免热应力和热冲击的出现。

微波加热和烧结的优点:(1)升温速率快,可以实现陶瓷的快速烧结与晶粒变化;(2)整体均匀加热,内部温度场均匀,显著改善材料的显微结构;(3)微波加热不存在热惯性,烧结周期短;(4)利用微波对材料的选择性加热,可以对材料某些部位进行加热修复或缺陷愈合;(5)自身加热,不存在来自外热源的污染;(6)微波能向热能的转化效率可达80%~90%,高效节能。

大量研究探索证明,许多结构陶瓷可以应用微波烧结,氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及透明陶瓷用微波烧结,可以得到致密的性能优良的制品,且烧结时间缩短、烧结温度降低。

但是由于微波烧结陶瓷过程既涉及材料学,又涉及电磁场、固体电解质等理论,还有许多技术问题有待解决,因此,微波烧结工程陶瓷的产业化还有一段路要走。

5、自蔓延致密化烧结自蔓延高温合成(SHS)制备材料的工艺,最先是1967年前苏联科学家A G Merzhanov等人提出,随后在各种粉体合成中广泛应用。经过半个世纪国内外科研单位及人员的研究,已取得很大进展,该技术可直接制备陶瓷、金属陶瓷、硬质合金和复合管等致密陶瓷,制品也开始工业化生产。

SHS致密化技术是指SHS过程中产物处于炽热塑性状态下借助外部载荷,可以是静载或动载甚至爆炸冲击载荷来实现致密化,有时也借助于高压惰性气氛来促进致密化。这是因为通常自蔓延高温合成得到的产物为疏松状态,一般含有40%~50%的残余孔隙。

目前研究较多的SHS致密化工艺包括:①SHS-准等静压法(SHS-PIP);②热爆-加压法;③高压自燃烧烧结法(HPCS);④气压燃烧烧结法(GPCS);⑤SHS-爆炸冲击加载法(SHS/DC);⑥SHS-离心致密化等。其中,方法①、②为外加机械压力的作用,方法⑥为离心力的作用,而方法③、④、⑤为气体压力的作用。

特点:速度快,产量高,能充分利用资源;设备、工艺简单;产品纯度高;易于实现机械化和自动化;成本低,经济效益好;能够生成新产品。

6、放电等离子烧结放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)又称“等离子活化烧结”

该技术是在模具或样品中直接施加大的脉冲电流,通过热效应或其他场效应,从而实现材料烧结的一种全新的材料制备技术。

在SPS烧结过程中,电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体,使烧结体内部各个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。与自身加热反应合成法(SHS)和微波烧结法类似,SPS是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。SPS烧结过程中可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除了加热和加压这两个促进因素外,在SPS技术中,颗粒间的有效放电可产生局部高温,可以使表面局部熔化、表面物质剥落;高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去除表面氧化物等)和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程。

优点:加热均匀,升温速度快,烧结温度低,烧结时间短,生产效率高,产品组织细小均匀,能保持原材料的自然状态,可以得到高致密度的材料,可以烧结梯度材料以及复杂工件。与HP和HIP相比,SPS装置操作简单,不需要专门的熟练技术http://bellartesingers.com

以上六大烧结工艺就是目前先进陶瓷的全部烧结工艺,也是今天小编要跟大家分享的关于“先进陶瓷六大烧结工艺汇总”的全部内容,感谢大家阅读!