陶瓷的烧结方法1.doc

陶瓷材料的烧结方法 摘要：陶瓷材料的烧结方法是决定其最终性能的关键技术，本文系统的介绍、分析了目前陶瓷材料所采用的各种烧结方法的机理、工艺、影响因素、特点及其使用范围，为陶瓷材料烧结方法的选择提供参考。 关键词：陶瓷材料，烧结方法 前言 1:作为“面向二十一世纪的新材料”，陶瓷材料的开发与研究是目前世界各主要工业国共同共注的焦点之一。烧结是陶瓷材料坯件生产的最后一道工序，也决定着坯件的最终性能。因而，谨慎的选择烧结方法、严格的控制烧结过程是十分重要的。 2：陶瓷材料的烧结方法 陶瓷材料的烧结方法一般可分为：常规烧结、反应烧结、气氛压力烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结、放电等离子烧结及高温自蔓延烧结等。 2.1： 常规烧结： 常规烧结一般采用常规加热方式，在传统电炉中进行，是目前陶瓷材料生产中最常采用的烧结方法。 由于纯的陶瓷材料有时很难烧结，所以性能允许的条件下，通常引入一些烧结助剂，以期形成部分低熔点的固溶体、玻璃相或其他液相，促进颗粒的重排和粘性流动，从而获得致密的产品，同时也可以降低烧结温度。在氧化铝的烧结中加入TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2等可形成固溶体，这类氧化物有与氧化物相近的晶格常数，同时是变价氧化物。由于变价作用，使氧化铝内部产生晶体缺陷，活化晶格，促进烧结。例如：加入0.5~1%的二氧化钛、钛离子和铝离子的离子半径相近（钛离子半径0,064n、铝离子半径0.057n）因此钛离子极易取代铝离子而形成二氧化钛—三氧化二铝固溶体，并引起晶格畸变。另外为了达到电荷平衡，必定会留下空位，这就更有利于烧结。同时，当二氧化钛—三氧化二铝到高温时，Ti4+会还原为Ti3+，而Ti3+ 的离子半径更大，这使得三氧化二铝晶格的歪斜、扭曲比Ti4+引起的更严重。由于Ti4+和Ti3+的综合作用，可使烧结温度降低150~200度。在Si3N4的烧结中可加入适量的MgO、Y2O3—Al2O3稀土元素氧化物、碳化物、硅化物添加剂。 尽可能的降低粉末粒度也是促进烧结的重要措施之一。因为粉末越细，表面能越高，烧结越容易。例如：普通二氧化钛的烧结温度为1300~1400度，用四乙醇钛为原料制得的粒度为0.3微米的二氧化钛，其烧结温度为1050度，用四异丙醇钛为原料制得的粒度为0.15u的二氧化钛，其烧结温度为800度，比普通粉末降低500度。烧结温度的降低不仅仅使生产容易进行，经济上合算，而且常常可以改善产品的性能。对于普通性能要求的陶瓷材料及制品，常规烧结是最方便、经济、可行的烧结方法。但是由于陶瓷材料极难烧结，常规烧结通常引入低温的晶间玻璃相以提高其烧结性能，这对高温结构陶瓷来说是不利的，而且其致密化也受工艺限制，不能充分满足高性能产品的需求。 2.2 反应烧结： 反应烧结仅局限于少量几个体系：氮化硅、氧氮化硅、碳化硅等。氮化硅的反应烧结基于如下反应： 将i粉或i 与i3N4粉的混合粉末成型后在1200左右通2进行预氮化，机加工成所需零件，然后在1400度左右进行最终氮化烧结。i粉压坯一般有30~50%的孔隙度，i粉氮化有22%的体积增量，因此整个压坯在烧结过程中的形状和尺寸基本不变。烧结坯仍有15~30%的孔隙度和1~5%的残留i。反应烧结的优点是不需添加额外的添加物，因此高温下材料的强度不会明显降低；产品的外形和尺寸基本不变，可以制得形状复杂尺寸精确的制品；要把两个零件焊接在一起，只需将其连接在一起进行氮化即可；同时工艺简单、经济，适合大批量生产。缺点是烧结坯密度低，材料力学性能不高。 2.3 气氛压力烧结 气氛压力烧结采用专门的气氛压力烧结炉，在高温烧结过程中设定的时间段内施加一定压力的气氛，以满足部分特殊陶瓷材料的烧结要求。Si34有优异的综合性能，但在高温情况如不采用有效防护措施，i3N4在烧结完成之前业已升华分解。最常用的方法是提高氮气气氛压力，例如氮化硅的气压烧结。 将i3N4刀片坯体在真空状态下升温至400度，加入2pa的N2保护；然后升温至1750度时温1h，随炉冷却。在烧结中，前期的真空有利于坯体水分的排除及进一步彻底排胶，后期的氮气压一方面可防止氮化硅的分解，另一方面有利于窑炉内的温度均匀。气压烧结后坯体的密度可达理论密度93~98%。埋粉也可以抑制i3N4)在高温下的热分解，常见的埋粉为Si34+Bn+Mgo或与烧结体同组分的粉料加入氮化硼的混合物等。另外，一些氧化物制品特别是某些半导体陶瓷烧结时，气氛中的氧分压十分重要. 气氛压力烧结满足了部分特殊陶瓷材料的烧结需要，如防分解。同时在保温阶段后期，一定压力的气氛对烧结体产生一个类似于热等静压过程的均向施压过程，有利于烧结材料性能的进一步提高。故被国内绝大多数氮化硅制品厂家采用。 2.4 热压烧结 热压烧结采用专门的热压机