中國粉體網(wǎng)訊 在新材料時(shí)代，陶瓷與無機(jī)材料領(lǐng)域，先進(jìn)陶瓷是當(dāng)下最為重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。與金屬和高分子材料相比，先進(jìn)陶瓷材料具有無可比擬的高硬度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等結(jié)構(gòu)特性，以及優(yōu)異的電絕緣、透光、透波等功能特性，因此在航天航空、信息技術(shù)、國防軍工、生物醫(yī)療與新能源等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，基本上保持7%~10%的年增長率。
先進(jìn)陶瓷之所以具備如此優(yōu)異的特性，是因?yàn)榕c傳統(tǒng)陶瓷相比，其采用了純度更高、粒度更細(xì)小的原料以及更復(fù)雜的制備工藝。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)拓展，對(duì)先進(jìn)陶瓷性能的要求也在不斷提升。為此，研究者們?cè)趥鹘y(tǒng)制備工藝的基礎(chǔ)上，不斷開發(fā)出新的技術(shù)，專門用于提升特種陶瓷的性能，以推動(dòng)其進(jìn)一步發(fā)展。在這些新技術(shù)中，成型與燒結(jié)技術(shù)因引入了真空技術(shù)而實(shí)現(xiàn)了顯著的提升和飛躍。
真空技術(shù)在陶瓷成型中的應(yīng)用
良好的成型技術(shù)是獲得高質(zhì)量陶瓷產(chǎn)品的關(guān)鍵。坯體成型方法主要分為干法成型、塑法成型和濕法成型三類。其中，濕法成型是目前常用的成型方法，適合制備形狀復(fù)雜和成分均勻的陶瓷制品，其制備過程是將粉料制備成具有一定流動(dòng)性的漿料，然后充填模型，經(jīng)干燥后成型，包括注漿成型、流延成型、離心成型和凝膠注模成型等。
漿料的質(zhì)量是決定成型過程的關(guān)鍵，要求漿料應(yīng)具備良好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，還需要降低漿料的氣泡含量。由于漿料制備常采用水作為溶劑，而水溶劑表面張力大，對(duì)粉料的潤濕性較差，因此在漿料配置過程中容易產(chǎn)生大量氣泡，從而嚴(yán)重影響成型的坯體質(zhì)量。為此，研究者們?cè)谥苽渲幸肓苏婵占夹g(shù)。
陶瓷漿料，來源：浙江中科立德新材料有限公司
注漿成型方法中引入真空技術(shù)的方式主要有兩種：一種是在石膏模外面抽真空，增大模內(nèi)外壓差；另一種是在真空室中，處于負(fù)壓下注漿。這兩種方式都可以有效減少漿料中的氣泡。
流延成型法常被用于制備片狀陶瓷材料，具有可連續(xù)成型、操作簡單、工藝穩(wěn)定、基片缺陷少等優(yōu)點(diǎn)。其制備過程是首先將粉體原料與粘結(jié)劑、增塑劑和分散劑溶于水基或有機(jī)溶劑中，混合后得到均勻穩(wěn)定的懸浮漿料；再將漿料放入流延機(jī)的料斗中使其下流至傳送帶，并在傳送帶上被刮刀刮壓涂敷，經(jīng)干燥、固化后便得到薄膜生坯。為減少氣泡的影響，在倒入流延機(jī)前對(duì)漿料進(jìn)行攪拌與真空脫氣處理，可以有效提高坯體致密度，改善坯體質(zhì)量。
潮州三環(huán)流延成型生產(chǎn)線
凝膠注模成型是由美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)90年代初開發(fā)的一種新型陶瓷成型工藝。其核心是使用有機(jī)單體溶液，該溶液能聚合成為高強(qiáng)度的、橫向連接的聚合物-溶劑的凝膠。該方法制得的坯體均勻性好、強(qiáng)度較高，而且燒結(jié)時(shí)收縮率小，適用于精準(zhǔn)尺寸陶瓷的成型。但該方法在制備漿料過程中需要長時(shí)間的機(jī)械攪拌，由于存在大量有機(jī)添加劑，高速攪拌會(huì)使?jié){料中混入大量氣泡，而在漿料固含量較高時(shí)，這些氣泡通常難以依靠自身浮力脫出液體表面，氣泡的存在勢(shì)必會(huì)在交聯(lián)過程中形成缺陷，影響坯體質(zhì)量。
對(duì)此，研究者們選擇引入真空技術(shù)以排出漿料中的氣泡。Yao等在凝膠注模成型方法中引入了“真空消泡+引發(fā)劑”技術(shù)，該方法可以有效改善凝膠體的均勻性，降低成型件的缺陷含量，所制備的YAG透明陶瓷具有良好的光學(xué)性能，在1064nm的直線透過率高達(dá)82.8%，極大地促進(jìn)了凝膠注模工藝在YAG透明陶瓷制備中的應(yīng)用。
真空技術(shù)在陶瓷燒結(jié)中的應(yīng)用
燒結(jié)是先進(jìn)陶瓷制備過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其本質(zhì)是坯體排除氣孔完成致密化的過程。而燒結(jié)過程對(duì)于晶粒尺寸與氣孔含量有著直接影響，決定著先進(jìn)陶瓷樣品的最終性能。先進(jìn)陶瓷制備技術(shù)發(fā)展至少，燒結(jié)方法有很多，按照壓力、燒結(jié)氣氛等要素的不同可以分為真空燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)等。在這些燒結(jié)方法中，真空技術(shù)都發(fā)揮著重要作用。
1.真空燒結(jié)
燒結(jié)過程中，氣氛的影響是復(fù)雜且重要的。燒結(jié)氣氛一般分為氧化、還原和中性3種。一般而言還原氣氛促進(jìn)陰離子從晶體表面脫離，增加擴(kuò)散系數(shù)，利于燒結(jié)；而氧化氣氛則利于陽離子擴(kuò)散。由于氧化物燒結(jié)多受O2-擴(kuò)散控制，所以還原氣氛（尤其是真空）更合適。真空還促進(jìn)坯體內(nèi)部氣體排出，加速致密化，從而在真空氣氛下加熱可得致密陶瓷。
真空燒結(jié)爐，來源：上海皓越電爐技術(shù)有限公司
真空燒結(jié)技術(shù)的出現(xiàn)為多種光功能陶瓷的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1995年，Ikesue 等將細(xì)化處理過的Y2O3與高純Al2O3和Nd2O3粉末混合，添加球磨助劑、分散劑等，采用球磨方法混合均勻，等靜壓成型后經(jīng)過1700～1800℃真空燒結(jié)得到相對(duì)密度為99.98％的高透明YAG:Nd陶瓷，其平均晶粒尺寸為50µm，并且首次實(shí)現(xiàn)了激光輸出。
2.真空熱壓燒結(jié)
熱壓燒結(jié)是對(duì)較難燒結(jié)的粉體在模具內(nèi)施加壓力，同時(shí)升溫?zé)Y(jié)的工藝。模具要求能導(dǎo)電且耐壓強(qiáng)，目前選用石墨作模具材料最為廣泛。石墨在高溫下容易發(fā)生氧化，而恰好在密閉的真空條件下能夠很好地延長石墨的使用壽命。同時(shí)，真空條件又能夠促進(jìn)陰離子擴(kuò)散。因此，目前真空熱壓燒結(jié)已成為重要的燒結(jié)手段。
光功能陶瓷可以應(yīng)用真空熱壓法制備，外加壓力的輔助能夠有效促進(jìn)致密化，縮短燒結(jié)時(shí)間，減少能耗。此外，針對(duì)其他常壓下難以燒結(jié)致密的陶瓷，采用真空熱壓技術(shù)也得到了較好的性能，例如應(yīng)用較廣泛的ZnO和MgO陶瓷。
3.放電等離子體燒結(jié)（SPS）
放電等離子體燒結(jié)技術(shù)是在熱壓燒結(jié)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，引入了等離子體的活化作用，提高了加熱效率。SPS技術(shù)采用的依然是與熱壓燒結(jié)相近的石墨模具，因此真空氣氛仍是影響燒結(jié)過程的重要條件。在真空條件下進(jìn)行燒結(jié)，一方面可以保護(hù)材料本身免受氧化，另一方面可以避免因石墨氧化導(dǎo)致的電阻變化，防止影響脈沖電流的傳輸和致密化過程。
放電等離子體燒結(jié)爐示意圖
SPS可以高效率地制備難燒結(jié)的陶瓷材料，除Al2O3、ZrO2等常見陶瓷外，SPS 技術(shù)也可用于許多難燒結(jié)材料的制備，ZrB2、HfB2、ZrC、TiN等超高溫陶瓷以及W，Ｒe，Ta，Mo 等難熔金屬及其合金。
小結(jié)
隨著先進(jìn)陶瓷在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用日益廣泛，其性能需求日益提高，這對(duì)于陶瓷的制備技術(shù)也提出了更高的要求，真空技術(shù)的引入為先進(jìn)陶瓷的制備帶來了多角度和多層面的提升。在濕法成型工藝中，采用真空除泡技術(shù)能夠提升漿料的均勻程度，并有效減少成型部件中的缺陷，這一技術(shù)現(xiàn)已成為生產(chǎn)高質(zhì)量陶瓷不可或缺的一環(huán)。至于燒結(jié)環(huán)節(jié)，真空氣氛則為陶瓷的致密化過程提供了關(guān)鍵的燒結(jié)動(dòng)力。
來源：
劉詩夢(mèng)等：真空技術(shù)在先進(jìn)陶瓷制備中的應(yīng)用
CERADIR：一文認(rèn)識(shí)下先進(jìn)陶瓷各類燒結(jié)爐的工作原理和性能特點(diǎn)
JAD電介質(zhì)學(xué)術(shù)交流：先進(jìn)陶瓷新型快速燒結(jié)技術(shù)總結(jié)
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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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