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      about

      先進陶瓷六大燒結工藝總匯

      2019-12-19 作者:碳化硅研究員

        一、先進陶瓷燒結技術概述

      陶瓷素坯在燒結前是由許許多多單個的固體顆粒所組成的,坯體中存在大量氣孔,氣孔率一般為35%~60%(即素坯相對密度為40%~65%),具體數值取決于粉料自身特征和所使用的成型方法和技術。當對固態素坯進行高溫加熱時,素坯中的顆粒發生物質遷移,達到某一溫度后坯體發生收縮,出現晶粒長大,伴隨氣孔排除,最終在低于熔點的溫度下(一般在熔點的0.5~0.7倍)素坯變成致密的多晶陶瓷材料,這種過程稱為燒結。

      陶瓷燒結依據是否產生液相分為固相燒結和液相燒結。同時,陶瓷燒結涉及到溫度、氣氛、壓力等因素及其調控,由此產生了常壓燒結、真空燒結、氣氛燒結及各種壓力燒結技術。下面,尚美新材小編就來主要介紹一下先進陶瓷燒結的六大工藝。

        二、先進陶瓷六大燒結工藝

      1、熱壓燒結工藝介紹:

      熱壓燒結(hot-pressing,HP)是一種機械加壓的燒結方法,此法是先把陶瓷粉末裝在模腔內,在加壓的同時將粉末加熱到燒成溫度,由于從外部施加壓力而補充了驅動了,因此可在較短時間內達到致密化,并且獲得具有細小均勻晶粒的顯微結構。對于共價鍵難燒結的高溫陶瓷材料(如Si3N4、B4C、SiC、TiB2、ZrB2),熱壓燒結是一種有效的致密化技術。

        條件:

        (1)粉末的粒徑和均勻性也對熱壓致密化速率有顯著影響,要求粉末粒度應為亞微米級(<1μm),且粒徑分布窄,并且無硬團聚。
             
              (2)適當的壓力和升溫制度;

        (3對于某些難燒結的陶瓷材料,也需要加入燒結助劑

        

        優點:

        (1)可獲得更好的材料力學性能;(2)可減少燒結時間或降低燒結溫度;(3)可減少共價鍵陶瓷燒結助劑的用量,從而提高材料的高溫力學性能。

        缺點:

        (1)成本較高(2)只能用于制備形式簡單和比較扁平的制品;(3)一次燒結的制品數量有限。

        因此熱壓燒結常用于生產單個或多個形狀簡單的產品,如圓片狀、柱狀或者棱柱狀的棒。

        

        2、熱等靜壓燒結

      熱等靜壓(hot isostatic pressing,HIP)是工程陶瓷快速致密化燒結最有效的一種方法,其基本原理是以高壓氣體作為壓力介質作用于陶瓷材料(包封的粉末和素坯,或燒結體),使其在加熱過程中經受各向均衡的壓力,借助于高溫和高壓的共同作用達到材料致密化。

        優點:

        (1)提高陶瓷性能和可靠性;
              (2)降低燒結溫度、縮短燒結時間;
              (3)減少或不使用燒結助劑;
              (4)便于制造復雜形狀產品
              (5)提高陶瓷性能和可靠性;

       

      3、氣壓燒結氣壓燒結(gas pressure sintering,GPS)是指陶瓷在高溫燒結過程中,施加一定的氣體壓力,通常為N2,壓力范圍在1~10MPa,以便抑制在高溫下陶瓷材料的分解和失重,從而可提高燒結溫度,進一步促進材料的致密化,獲得高密度的陶瓷制品。

      氣壓燒結和熱等靜壓燒結都是采用氣體作為傳遞壓力的方法,但是兩者的壓力大小和壓力作用是不同的。HIP燒結中氣氛壓力大(100~300MPa),主要作用是促進陶瓷完全致密化。而GPS燒結中,施加的氣體壓力小(1~10MPa),主要是抑制Si3N4或其他氮化物類高溫材料的熱分解。

        優點:與熱壓工藝、熱等靜壓工藝比較,氣壓燒結工藝最大的優勢是可以以較低的成本制備性能較好,形狀復雜的產品,并實現批量化生產。

      4、微波燒結微波燒結是利用微波與材料相互作用,導致介電損耗而使陶瓷表面和內部同時受熱(即材料自身發熱,也稱體積性加熱),因此與傳統的外熱源常規加熱吸相比,微波加熱具有快速、均勻、能效高、無熱源污染等許多優點。

      傳統加熱和燒結是利用外熱源,通過輻射、對流、傳到對陶瓷樣品進行由表面到內部的加熱模式,速率慢、能效低,存在溫度梯度和熱應力。而微波燒結陶瓷的加熱是微波電磁場與材料介質的相互作用,導致介電損耗而是陶瓷材料表面和內部同時受熱,這樣溫度梯度小,避免熱應力和熱沖擊的出現。

      微波加熱和燒結的優點:(1)升溫速率快,可以實現陶瓷的快速燒結與晶粒變化;(2)整體均勻加熱,內部溫度場均勻,顯著改善材料的顯微結構;(3)微波加熱不存在熱慣性,燒結周期短;(4)利用微波對材料的選擇性加熱,可以對材料某些部位進行加熱修復或缺陷愈合;(5)自身加熱,不存在來自外熱源的污染;(6)微波能向熱能的轉化效率可達80%~90%,高效節能。

      大量研究探索證明,許多結構陶瓷可以應用微波燒結,氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及透明陶瓷用微波燒結,可以得到致密的性能優良的制品,且燒結時間縮短、燒結溫度降低。

      但是由于微波燒結陶瓷過程既涉及材料學,又涉及電磁場、固體電解質等理論,還有許多技術問題有待解決,因此,微波燒結工程陶瓷的產業化還有一段路要走。

      5、自蔓延致密化燒結自蔓延高溫合成(SHS)制備材料的工藝,最先是1967年前蘇聯科學家A G Merzhanov等人提出,隨后在各種粉體合成中廣泛應用。經過半個世紀國內外科研單位及人員的研究,已取得很大進展,該技術可直接制備陶瓷、金屬陶瓷、硬質合金和復合管等致密陶瓷,制品也開始工業化生產。

      SHS致密化技術是指SHS過程中產物處于熾熱塑性狀態下借助外部載荷,可以是靜載或動載甚至爆炸沖擊載荷來實現致密化,有時也借助于高壓惰性氣氛來促進致密化。這是因為通常自蔓延高溫合成得到的產物為疏松狀態,一般含有40%~50%的殘余孔隙。

      目前研究較多的SHS致密化工藝包括:①SHS-準等靜壓法(SHS-PIP);②熱爆-加壓法;③高壓自燃燒燒結法(HPCS);④氣壓燃燒燒結法(GPCS);⑤SHS-爆炸沖擊加載法(SHS/DC);⑥SHS-離心致密化等。其中,方法①、②為外加機械壓力的作用,方法⑥為離心力的作用,而方法③、④、⑤為氣體壓力的作用。

      特點:速度快,產量高,能充分利用資源;設備、工藝簡單;產品純度高;易于實現機械化和自動化;成本低,經濟效益好;能夠生成新產品。

      6、放電等離子燒結放電等離子燒結(spark plasma sintering,SPS)又稱“等離子活化燒結”

      該技術是在模具或樣品中直接施加大的脈沖電流,通過熱效應或其他場效應,從而實現材料燒結的一種全新的材料制備技術。

      在SPS燒結過程中,電極通入直流脈沖電流時瞬間產生的放電等離子體,使燒結體內部各個顆粒均勻的自身產生焦耳熱并使顆粒表面活化。與自身加熱反應合成法(SHS)和微波燒結法類似,SPS是有效利用粉末內部的自身發熱作用而進行燒結的。SPS燒結過程中可以看作是顆粒放電、導電加熱和加壓綜合作用的結果。除了加熱和加壓這兩個促進因素外,在SPS技術中,顆粒間的有效放電可產生局部高溫,可以使表面局部熔化、表面物質剝落;高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(如去除表面氧化物等)和吸附的氣體。電場的作用是加快擴散過程。

      優點:加熱均勻,升溫速度快,燒結溫度低,燒結時間短,生產效率高,產品組織細小均勻,能保持原材料的自然狀態,可以得到高致密度的材料,可以燒結梯度材料以及復雜工件。與HP和HIP相比,SPS裝置操作簡單,不需要專門的熟練技術http://www.buku-mimpi-togel.com

      以上六大燒結工藝就是目前先進陶瓷的全部燒結工藝,也是今天小編要跟大家分享的關于“先進陶瓷六大燒結工藝匯總”的全部內容,感謝大家閱讀!

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