中國粉體網(wǎng)訊 先進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)用仍面臨許多問題與挑戰(zhàn)，其中可靠性、致密度和強度是主要的制約因素。如何在較低燒結(jié)溫度下實現(xiàn)材料的快速致密化，制備出完全無氣孔、結(jié)構(gòu)均勻、晶粒細小且晶界強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。
1、先進陶瓷燒結(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，主要是通過將陶瓷粉體在高溫?zé)狎?qū)動力的作用下長時間保溫，利用原子擴散排出晶粒間的氣孔從而致密化的過程。但在高溫條件下，原子擴散在促進材料致密化的同時，也會不可避免地導(dǎo)致晶粒長大現(xiàn)象，從而劣化材料的性能。長達數(shù)小時甚至數(shù)天的保溫時間對能源來說是極大的消耗，也不利于工業(yè)生產(chǎn)。
在先進陶瓷制備技術(shù)和制造裝備的革新當中，陶瓷燒結(jié)設(shè)備與燒結(jié)技術(shù)的創(chuàng)新是進一步提高先進陶瓷材料性能的最關(guān)鍵因素之一。對此，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)時間以實現(xiàn)快速致密化；或能提升材料各項性能。
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)過程，壓頭在向材料施加壓力的同時也充當電流通過的載體。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)借助大電流通過模具或?qū)щ姌悠樊a(chǎn)生的熱效應(yīng)來加熱材料。
對于絕緣樣品，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；對于導(dǎo)電樣品，則可以使用絕緣模具，使電流直接通過樣品進行加熱。其升溫速率可達1000℃/min，當樣品溫度達到設(shè)定值后，經(jīng)過短時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等首次報道，其來源于對電場輔助燒結(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”，兩端通過鉑絲懸掛在經(jīng)過改造的爐體內(nèi)，向材料施加一定的直流或交流電場。爐體內(nèi)有熱電偶用于測溫，底部有CCD相機可實時記錄樣品尺寸。
圖2：FS裝置示意圖
圖3：直流電場對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：縮短燒結(jié)時間并降低燒結(jié)所需爐溫，抑制晶粒生長，能夠?qū)崿F(xiàn)非平衡燒結(jié)，設(shè)備簡單，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)過程中引入動態(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)計思想，并在國際上率先研發(fā)出一種OPS技術(shù)和設(shè)備，其基本原理是在一個比較大的恒定壓力作用下，疊加一個頻率和振幅均可調(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過程與動態(tài)快速機械軸壓結(jié)合起來，一次完成材料的合成與密實化過程的新工藝成為研究的熱點。
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。
如果您需要了解以上新型燒結(jié)技術(shù)的最新研究進展，可查閱以下文獻：
《先進陶瓷材料燒結(jié)新技術(shù)研究進展》，新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室，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)國家重點實驗室，傅正義教授等。
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