中國粉體網(wǎng)訊 陶瓷燒結是指通過物質遷移，使陶瓷粉體固結成致密塊體的過程，是坯體轉變?yōu)楦邚姸戎旅艽审w的必經(jīng)之路。低溫燒結技術將電場、溶劑、壓力等外場引入以改變燒結熱力學和動力學條件，自20世紀以來，一直備受全球學者關注。目前常見有冷燒結、放電等離子體燒結、熱等靜壓燒結、閃燒、微波燒結等燒結工藝。其中，冷燒結因設備簡單、操作方便、燒結溫度低等優(yōu)勢獲得了廣泛的關注。
冷燒結技術的基本原理
1、冷燒結（CSP）工藝基本原理
從已有的報道來看，所有材料冷燒結都涉及溶劑引入、單軸壓力加壓、加熱等幾個要素，主要過程如下：
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，以促進液相和固相之間緊密接觸。
第二步：將潤濕的陶瓷原料倒入室溫或者經(jīng)過預熱后的模具，通過液壓機或機械壓力施加單軸壓力；當壓力達到最大負載時，通過模具上、下方的熱壓板或包裹在模具周圍的電控加熱套施加熱能（＜400℃），得到結構較密的陶瓷燒結體。
有些研究報道表示，冷燒結的陶瓷晶粒發(fā)育不完善，晶界存在非晶相，還需對樣品進行后處理來進一步提高致密度，從而獲得最佳的結構與性能。
在這些過程中，不難看出，CSP所用的裝置為開放式體系，允許溶劑通過模具間隙蒸發(fā)，與其他需要專用密封反應釜(如HHP)或昂貴電極(如FS)的低溫燒結技術相比，這種簡單的設備使CSP成為一種更方便易行的燒結技術。
2、冷燒結（CSP）致密化機理
第一階段為溶解－重排過程，水溶液形式的中間液相將陶瓷粉體均勻潤濕，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，并作為潤滑劑促進顆粒重排和滑動。
第二、第三階段分別是陶瓷顆粒的溶解-沉淀和晶體生長階段，在高于水溶液沸點的溫度下，通過蒸發(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到過飽和狀態(tài)，并使顆粒接觸區(qū)的化學勢高于晶體，此時溶解的原子或離子簇將在晶體處析出，從而促進陶瓷材料的致密化。
溶解－沉淀過程中形成的沉淀物可能是結晶相，也可能是非結晶相。非結晶相包覆在晶粒的周圍從而抑制晶粒的進一步生長，因此冷燒結技術在一定條件下可以實現(xiàn)納米陶瓷或者亞微米陶瓷的致密化燒結。
冷燒結機制和冷燒結過程中陶瓷顆粒微觀結構的演變示意圖
冷燒結技術在陶瓷材料中的應用
冷燒結技術已被廣泛應用于氯化物、氧化物、磷酸鹽等70余種陶瓷材料的燒結，涉及微波電介質、固態(tài)電解質和半導體材料等。采用冷燒結技術制得的大部分陶瓷材料具有較高的致密度，并且可以達到與傳統(tǒng)高溫燒結技術相媲美的性能。
1、Li2MoO4陶瓷
堿金屬鉬酸鹽(Li2MoO4、Na2Mo2O7和K2Mo2O7等)不僅具有較低的熔點(<1000℃)，而且在水中具有較高的溶解度，這些特點有助于其在冷燒結過程中更充分地進行溶解-沉淀，實現(xiàn)低溫下的充分致密化，是應用冷燒結技術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濕Li2MoO4粉末，同時施加130MPa的單軸壓力，在室溫和120℃條件下分別保溫4h進行恒溫恒壓致密化。所制得的試樣均為純Li2MoO4相，致密度為87%~93%，可與540℃常規(guī)高溫燒結相媲美。
2、ZnO陶瓷
ZnO由于地球資源豐富、價格低廉、表面化學可調控、電學性能優(yōu)良等優(yōu)勢，在半導體、電化學和催化等領域有著廣泛的應用，越來越受到材料科學界的關注與重視。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CSP制備的陶瓷材料。
Funahashi等首次采用冷燒結技術制備了ZnO陶瓷，采用乙酸溶液作為瞬態(tài)液相，300℃燒結后，試樣致密性達98%，電導率與傳統(tǒng)1400℃燒結材料相當，模擬計算的冷燒結晶粒生長活化能為43kJ·mol-1，遠低于常規(guī)燒結報道值。
3、BaTiO3陶瓷
BaTiO3因其高介電常數(shù)和低介電損耗等特性，在電介質陶瓷材料領域占有舉足輕重的地位，是電子陶瓷領域內應用最廣泛的材料之一。因此，BaTiO3陶瓷冷燒結技術的研究在材料科學領域備受關注。
Guo等采用冷燒結技術180℃制備了BaTiO3陶瓷，然后經(jīng)過900℃后熱處理，得到的BaTiO3陶瓷晶粒尺寸為亞微米級，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，并且無需后續(xù)熱處理。可以發(fā)現(xiàn)樣品無明顯的孔隙和非晶相，致密度可達98%~99%，晶粒尺寸為75~150nm。由試樣的介電溫譜圖，冷燒結BaTiO3陶瓷具有與常規(guī)熱燒結相差不大的優(yōu)良介電性能。
當前，冷燒結技術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，而對結構陶瓷材料的制備研究較少。
冷燒結技術的發(fā)展趨勢
冷燒結技術的出現(xiàn)極大地推動了低溫燒結技術的發(fā)展，不僅解決了相關材料的低溫制備問題，同時也實現(xiàn)了能源節(jié)約和環(huán)境保護，也規(guī)避不可控的晶界缺陷問題。作為一種新型燒結技術，對冷燒結技術的探索仍處于早期階段，尚面臨著多方面的挑戰(zhàn)：
（1）冷燒結技術的復雜燒結機制尚待進一步明確。需要對其致密化機理以及微觀結構的變化機制進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題是冷燒結技術改進的重點。
（3）改造、優(yōu)化冷燒結裝備，增大冷燒結試樣尺寸。
（4）冷燒結技術的應用領域需進一步拓展。
參考來源：
馮靜靜等：冷燒結技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
付長利等：基于冷燒結技術的電介質材料研究進展
江潤族等：陶瓷材料冷燒結技術研究進展
吳明威等：冷燒結技術制備陶瓷材料綜述
康晟淋等：冷燒結技術的研究進展以及在電工領域的潛在應用
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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