中國(guó)粉體網(wǎng)訊 先進(jìn)陶瓷材料以其一系列優(yōu)異的性能，在工業(yè)領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，然而目前陶瓷材料的廣泛應(yīng)用仍面臨許多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，其中可靠性、致密度和強(qiáng)度是主要的制約因素。如何在較低燒結(jié)溫度下實(shí)現(xiàn)材料的快速致密化，制備出完全無(wú)氣孔、結(jié)構(gòu)均勻、晶粒細(xì)小且晶界強(qiáng)化的陶瓷塊體仍是陶瓷材料科學(xué)工作者不斷追求的目標(biāo)。
1、先進(jìn)陶瓷燒結(jié)概況
傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)技術(shù)，包括氣氛燒結(jié)、真空燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)等，主要是通過(guò)將陶瓷粉體在高溫?zé)狎?qū)動(dòng)力的作用下長(zhǎng)時(shí)間保溫，利用原子擴(kuò)散排出晶粒間的氣孔從而致密化的過(guò)程。但在高溫條件下，原子擴(kuò)散在促進(jìn)材料致密化的同時(shí)，也會(huì)不可避免地導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，從而劣化材料的性能。長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的保溫時(shí)間對(duì)能源來(lái)說(shuō)是極大的消耗，也不利于工業(yè)生產(chǎn)。
在先進(jìn)陶瓷制備技術(shù)和制造裝備的革新當(dāng)中，陶瓷燒結(jié)設(shè)備與燒結(jié)技術(shù)的創(chuàng)新是進(jìn)一步提高先進(jìn)陶瓷材料性能的最關(guān)鍵因素之一。對(duì)此，科研工作者成功開發(fā)了多種陶瓷燒結(jié)制備新工藝，它們或可降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時(shí)間以實(shí)現(xiàn)快速致密化；或能提升材料各項(xiàng)性能。
2、放電等離子燒結(jié)(SPS)
SPS技術(shù)開創(chuàng)性地將直流脈沖電流引入燒結(jié)過(guò)程，壓頭在向材料施加壓力的同時(shí)也充當(dāng)電流通過(guò)的載體。與傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)通常利用發(fā)熱體輻射加熱不同，SPS技術(shù)借助大電流通過(guò)模具或?qū)щ姌悠樊a(chǎn)生的熱效應(yīng)來(lái)加熱材料。
對(duì)于絕緣樣品，通常使用導(dǎo)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(duì)于導(dǎo)電樣品，則可以使用絕緣模具，使電流直接通過(guò)樣品進(jìn)行加熱。其升溫速率可達(dá)1000℃/min，當(dāng)樣品溫度達(dá)到設(shè)定值后，經(jīng)過(guò)短時(shí)間保溫即可完成燒結(jié)。
圖1：SPS設(shè)備的工作原理示意圖
3、閃燒(FS)
FS技術(shù)于2010年由科羅拉多大學(xué)的Cologna等首次報(bào)道，其來(lái)源于對(duì)電場(chǎng)輔助燒結(jié)技術(shù)(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(jié)陶瓷素坯被制成“骨頭狀”，兩端通過(guò)鉑絲懸掛在經(jīng)過(guò)改造的爐體內(nèi)，向材料施加一定的直流或交流電場(chǎng)。爐體內(nèi)有熱電偶用于測(cè)溫，底部有CCD相機(jī)可實(shí)時(shí)記錄樣品尺寸。
圖2：FS裝置示意圖
圖3：直流電場(chǎng)對(duì)3YSZ燒結(jié)速率的影響
與傳統(tǒng)燒結(jié)相比，F(xiàn)S主要有以下優(yōu)勢(shì)：縮短燒結(jié)時(shí)間并降低燒結(jié)所需爐溫，抑制晶粒生長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)非平衡燒結(jié)，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低。
4、冷燒結(jié)(CS)
圖4：CS工藝所用設(shè)備
5、振蕩壓力燒結(jié)(OPS)
謝志鵬教授課題組提出在粉末燒結(jié)過(guò)程中引入動(dòng)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(shè)計(jì)思想，并在國(guó)際上率先研發(fā)出一種OPS技術(shù)和設(shè)備，其基本原理是在一個(gè)比較大的恒定壓力作用下，疊加一個(gè)頻率和振幅均可調(diào)的振蕩壓力，將傳統(tǒng)燒結(jié)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(shù)
利用高溫自蔓延燒結(jié)技術(shù)(SHS)可以在短時(shí)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(jié)構(gòu)件用。將SHS過(guò)程與動(dòng)態(tài)快速機(jī)械軸壓結(jié)合起來(lái)，一次完成材料的合成與密實(shí)化過(guò)程的新工藝成為研究的熱點(diǎn)。
圖6：“自蔓延高溫合成結(jié)合快速加壓技術(shù)”設(shè)備的工作原理圖
小結(jié)
先進(jìn)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(jié)技術(shù)高耗能、高耗時(shí)以及產(chǎn)品性能低劣等因素的制約。新型快速燒結(jié)技術(shù)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(shì)。
如果您需要了解以上新型燒結(jié)技術(shù)的最新研究進(jìn)展，可查閱以下文獻(xiàn)：
《先進(jìn)陶瓷材料燒結(jié)新技術(shù)研究進(jìn)展》，新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，謝志鵬教授等；
《特種陶瓷材料快速燒結(jié)新技術(shù)研究》，材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，傅正義教授等。
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