特种陶瓷 课件 3章 特种陶瓷烧结工艺（2009.11.13）

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1、第3章特种陶瓷的烧结工艺烧结（sintering）是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其具体的定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密化过程。陶瓷坯体烧结后在宏观上的变化是：体积收缩、致密度提高、强度增加。因此烧结程度可以用坯体的收缩率、气孔率或体积密度与理论密度之比等指标来衡量。陶瓷的烧结，可以分为固相烧结和液相烧结。高纯物质在烧结温度下通常无液相出现，属固相烧结，如高纯氧化物等结构陶瓷大多是通过固相烧结成瓷的。而有些在烧结时常有液相出现，属液相烧结，如滑石瓷。另外，根据有无外加压力，把烧结分为无

2、压力烧结（常压烧结）和加压烧结（热压烧结）两大类。一、低温烧结（lowtemperaturesintering）1、引入添加剂其机理可分为两类：一是添加剂的引入使晶格空位增加，易于扩散，烧结速度加快；二是添加剂的引入使液相在较低的温度下生成，出现液相后晶体能作粘性流动，因而促进了烧结。例如：Al2O3中添加TiO2、MgO、MnO等添加剂后，就显著促进了烧结。在Si3N4中添加MgO、Y2O3、Al2O3等均可加快烧结速度。2、压力烧结（pressuresintering）3、使用易于烧结的粉料：使粉末颗粒微细化。随着粉末颗粒的微细化，粉

3、体的显微结构和相关性能等将会发生变化，能加速粉料在烧结过程中动力学过程、降低烧结温度和缩短烧结时间。二、热压烧结（hotpressedsintering）热压烧结是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时间更短。热压技术已有70年历史，最早用于碳化钨和钨粉致密件的制备。现在已广泛应用于陶瓷、粉末冶金和复合材料的生产。在热压中，使用最广泛的模型材料是石墨。此外也有使用氧化铝、碳化硅，以及新开发出来的纤维增强的石墨模型等。热压法的优点：①降低坯件的成形压力：为冷法干压成型的1/10左右。②降低产品的烧

4、成温度，缩短烧成时间并提高坯体致密度。如用普通方法烧BeO陶瓷，1800℃保温15分钟只能达到90%的理论密度，用热压法，则在1600℃就可达98%理论密度。③能有效控制制品的显微结构，晶粒不易长大；气孔的分布比较均匀且气孔率低，甚至接近于零。热压法的缺点是加热、冷却时间长，而且必须进行后加工，生产效率低，成本高。（a）电阻间热式；（b）感应间热式；（c）电阻直热式；（d）感应直热式热压装置和模具热压烧结炉三、高温等静压法（highisostaticpressing）高温（热）等静压工艺（简写为HIP）是将粉末压坯或装入包套的粉料装入高压

5、容器中，使粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。其基本原理是：以气体作为压力介质，使材料（粉料、坯体或烧结体）在加热过程中经受各向均衡的压力，借助高温和高压的共同作用促进材料的致密化。通常所用的气体为氦气、氩气等惰性气体。模具材料有金属箔（低碳钢、镍、钼）、玻璃等。目前，热等静压技术的主要应用有：金属和陶瓷的固结，金刚石刀具的烧结，铸件质量的修复和改善，高性能磁性材料及靶材的致密化。（1）陶瓷材料的致密化可以在比无压烧结或热压烧结低得多的温度下完成，可以有效地抑制材料在高温下发生很多不利的反应或变化。就氧化铝陶瓷而言，常压下普通烧

6、结，必须烧至1800℃以上的高温；热压（20MPa）烧结需要烧至1500℃；而HIP（400MPa）烧结，在1000℃左右的较低温度下就已致密化了。（2）能够在减少甚至无烧结添加剂的条件下，制备出微观结构均匀且几乎不含气孔的致密陶瓷烧结体；（3）可以减少乃至消除烧结体中的剩余气孔，愈合表面裂纹，从而提高陶瓷材料的密度、强度；（4）能够精确控制产品的尺寸与形状，而不必使用费用高的金刚石切割加工，理想条件下产品无形状改变。热等静压的优点：热等静压装置：四、气氛烧结（atmospheresintering）对于空气中很难烧结的制品，为防止其氧化

7、等，研究了气氛烧结方法。即在炉膛内通入一定气体，形成所要求的气氛，在此气氛下进行烧结。1、制备透光性陶瓷的气氛烧结为使烧结体具有优异的透光性，必须使烧结体中气孔率尽量降低（直至零），但在空气中烧结时，很难消除烧结后期晶粒之间存在的孤立气孔。而在真空或氢气中烧结时，气孔内的气体被置换而很快的进行扩散，气孔就容易被消除。Al2O3、MgO、Y2O3、BeO、ZrO2等透光体均采用气氛烧结。3、引入气氛片(atmosphericpellet)的烧结锆钛酸铅压电陶瓷等含有在高温下易挥发成分的材料，在密闭烧结时，为抑制低熔点物质的挥发，常在密闭容器

8、内放入一定量的与瓷料组成相近的坯体即气氛片，也可使用与瓷料组成相近的粉料。（目的是形成较高易挥发成分的分压，以保证材料组成的稳定。）2、防止氧化的气氛烧结特种陶瓷中的Si3N4、SiC、B4C