陶瓷材料以其優(yōu)異的高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、抗腐蝕、耐磨等性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。燒結(jié)作為制備陶瓷材料最后一道工序，是決定其最終結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵技術(shù)。目前，隨著科技的發(fā)展，研究者對陶瓷燒結(jié)工藝進(jìn)行了大量的探索與研究，發(fā)展了許多新型燒結(jié)技術(shù)。下面小編就陶瓷材料燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行簡要介紹。

燒結(jié)是一種利用熱能使粉末坯體致密化的技術(shù)。其具體的定義是指多孔狀陶瓷坯體在高溫條件下，表面積減小、孔隙率降低、機(jī)械性能提高的致密化過程。

燒結(jié)的驅(qū)動力就是總界面能的減少。燒結(jié)驅(qū)動力作用下燒結(jié)過程中主要表現(xiàn)為陶瓷材料內(nèi)部組織致密化、晶粒長大。

▲燒結(jié)驅(qū)動力作用下燒結(jié)過程中的基本現(xiàn)象

燒結(jié)影響因素主要有：原始粉料的粒度、外加劑的作用、燒結(jié)溫度和保溫時間、鹽類的選擇以及煅燒條件、氣氛的影響、成型壓力的影響。

陶瓷材料燒結(jié)方法分為：常規(guī)燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、氣氛壓力燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)及高溫自蔓延燒結(jié)等。

常規(guī)燒結(jié)一般采用常規(guī)加熱方式，在傳統(tǒng)電爐中進(jìn)行，是目前陶瓷材料生產(chǎn)中最常采用的燒結(jié)方法。

反應(yīng)燒結(jié)僅局限于少量幾個體系：氮化硅、氧氮化硅、碳化硅等。

▲反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷材料

反應(yīng)燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)是：不需添加額外的添加物；產(chǎn)品的外形和尺寸基本不變，可以制得形狀復(fù)雜尺寸精確的制品；工藝簡單、經(jīng)濟(jì)，適合大批量生產(chǎn)。

缺點(diǎn)是：燒結(jié)坯密度低，材料力學(xué)性能不高。

氣氛壓力燒結(jié)是采用專門的氣氛壓力燒結(jié)爐，在高溫?zé)Y(jié)過程中設(shè)定的時間段內(nèi)施加一定壓力的氣氛，以滿足部分特殊陶瓷材料的燒結(jié)要求。Si₃N₄有優(yōu)異的綜合性能，但在高溫情況如不采用有效防護(hù)措施，Si₃N₄在燒結(jié)完成之前業(yè)已升華分解。最常用的方法是提高氮?dú)鈿夥諌毫Γ绲璧臍鈮簾Y(jié)。

▲氣氛壓力燒結(jié)爐

氣氛壓力燒結(jié)主要應(yīng)用于部分特殊陶瓷材料的燒結(jié)，如防分解。同時在保溫階段后期，一定壓力的氣氛對燒結(jié)體產(chǎn)生一個類似于熱等靜壓過程的均向施壓過程，有利于燒結(jié)材料性能的進(jìn)一步提高。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)氮化硅制品采用氣氛壓力燒結(jié)。

另外，一些氧化物制品特別是某些半導(dǎo)體陶瓷燒結(jié)時，氣氛中的氧分壓十分重要。

熱壓燒結(jié)是采用專門的熱壓機(jī)，在高溫下單相或雙相施壓完成。溫度與壓力的交互作用使顆粒的粘性和塑性流動加強(qiáng)，有利于坯件的致密化，可獲得幾乎無孔隙的制品，因此熱壓燒結(jié)也被稱為“全致密工藝”。

熱壓燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)是：制備的陶瓷材料致密度高，同時燒結(jié)時間短，溫度低，晶粒長大受到抑制，產(chǎn)品性能得到提高。

缺點(diǎn)是：應(yīng)用范圍有限，只能制造形狀簡單的制品，同時熱壓燒結(jié)后微觀結(jié)構(gòu)具有各向異性，導(dǎo)致使用性能也具有各向異性，限制了其使用范圍。此外，由于硬度高，熱壓制品的后續(xù)加工特別困難。

▲熱壓燒結(jié)爐

熱等靜壓燒結(jié)是采用專門的熱等靜壓機(jī)，在高溫下各向均勻施壓完成。熱等靜壓燒結(jié)是高性能陶瓷制品的常用燒結(jié)方法。

熱等靜壓燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)是：產(chǎn)品密度均勻，機(jī)械性能優(yōu)異，且各向同性，特別適合復(fù)雜形狀零件，且單爐處理量大，平均成本低。

缺點(diǎn)是：熱等靜壓燒結(jié)設(shè)備昂貴，一次性投資較大。

▲熱等靜壓燒結(jié)示意圖

微波燒結(jié)是利用微波電磁場中陶瓷材料的介質(zhì)損耗而使材料至燒結(jié)溫度從而實(shí)現(xiàn)陶瓷的燒結(jié)及致密化。根據(jù)微波能的利用形式，微波燒結(jié)可分為：微波加熱燒結(jié)，微波等離子燒結(jié)，微波—等離子分布燒結(jié)等。

（1）微波加熱燒結(jié)

微波加熱與常規(guī)加熱模式不同，前者是依靠微波場中介質(zhì)材料的極化損耗產(chǎn)生本體加熱，因此微波加熱溫度場均勻，熱應(yīng)力小，適宜于快速燒結(jié)。并且微波電磁場作用促進(jìn)擴(kuò)散，加速燒結(jié)過程，可使陶瓷材料晶粒細(xì)化，有效抑制晶粒異常長大，提高材料顯微結(jié)構(gòu)的均勻性。

（2）微波等離子燒結(jié)

微波等離子燒結(jié)是通過微波電離氣體形成等離子體，然后等離子體加熱生坯得到致密的陶瓷燒結(jié)體。由于快速加熱，減小了表面擴(kuò)散（主要發(fā)生在傳統(tǒng)燒結(jié)的低溫階段）引起的晶粒粗化，為晶界擴(kuò)散和體積擴(kuò)散提供了較強(qiáng)的驅(qū)動力和較短的擴(kuò)散途徑，從而導(dǎo)致陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的細(xì)化，促進(jìn)坯體的快速致密。

微波等離子燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)是：升溫快，致密化迅速，燒結(jié)體性能良好，但是部分燒結(jié)機(jī)理目前尚不清楚，有待進(jìn)一步深入研究。

（3）微波—等離子分步燒結(jié)

微波等離子分步燒結(jié)結(jié)合前者優(yōu)點(diǎn)，首先直接用微波的能量把陶瓷生坯加熱到特定溫度，然后利用微波的能量將氣體激勵成等離子體，等離子體繼續(xù)加熱陶瓷坯體到燒結(jié)溫度，形成致密、均勻的燒結(jié)體。

高溫自蔓延燒結(jié)（SHS）基于放熱化學(xué)反應(yīng)的原理，利用外部能量誘發(fā)局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)反應(yīng)前沿(燃燒波)，此后，化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行，隨著燃燒波的推進(jìn)，燃燒蔓延至整個體系，合成所需材料。

▲高溫自蔓延燒結(jié)爐

目前，自蔓延燒結(jié)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，并成功應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)，與許多其他領(lǐng)域技術(shù)結(jié)合，形成了一系列相關(guān)技術(shù)，例如，SHS粉體合成技術(shù)、SHS燒結(jié)技術(shù)、SHS致密化技術(shù)、SHS冶金技術(shù)等。

高溫自蔓延燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備、工藝簡單，反應(yīng)迅速，產(chǎn)品純度高，能耗低。適用于合成非化學(xué)計量比的化合物、中間產(chǎn)物及亞穩(wěn)定相等。

放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)是基于脈沖放電初期粉體產(chǎn)生的火花放電現(xiàn)象(瞬間形成高溫等離子體)，利用瞬時高溫場實(shí)現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)技術(shù)。其燒結(jié)機(jī)理目前還未達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識。但一般說法認(rèn)為，SPS過程除具有熱壓燒結(jié)的焦耳熱和加壓造成的塑性變形促成燒結(jié)外，還在粉體顆粒間產(chǎn)生直流脈沖電壓，利用粉體顆粒間放電的自發(fā)熱作用，才產(chǎn)生了SPS過程特有的一些現(xiàn)象。

放電等離子燒結(jié)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：具有升溫速度快、加熱時間短、燒結(jié)溫度低等優(yōu)勢，可形成超細(xì)晶粒甚至納米晶粒材料，同時無明顯各向異性。

▲放電等離子燒結(jié)爐

熱等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于陶瓷的工業(yè)化生產(chǎn)。例如透明燈管Al₂O₃、光電傳輸材料（PLZT）、無孔的Al₂O₃陶瓷切削刀具、作為表面濾波器的Pb（ZrTi）O₃基壓電陶瓷、MoSi發(fā)熱體、微波應(yīng)用的鐵磁性陶瓷、航空應(yīng)用的碳–碳復(fù)合材料等。

▲航空應(yīng)用的碳–碳復(fù)合材料

微波燒結(jié)技術(shù)被用來生產(chǎn)光纖材料的原件、鐵氧體、超導(dǎo)材料、氫化鋰、納米材料等各類材料。加拿大Index-Tool公司利用微波燒結(jié)制造Si₃N₄刀具。美國、加拿大等國采用微波燒結(jié)來批量制造火花塞瓷、ZrO₂、Si₃N₄、SiC、Al₂O₃-TiC等。

▲超導(dǎo)電纜

自蔓延燒結(jié)技術(shù)可用于合成納米材料、準(zhǔn)晶和非準(zhǔn)晶材料、氧化功能材料等?？捎糜谥谱鞅Ｗo(hù)涂層、研磨膏、拋光粉、刀具、加熱元器件、形狀記憶合金、陶瓷-金屬的焊接等。

▲自蔓延燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用于陶瓷-金屬的焊接

放電等離子燒結(jié)技術(shù)可應(yīng)用于陶瓷各種領(lǐng)域，例如耐腐蝕、耐磨擦陶瓷材料、超硬陶瓷工具、梯度功能及復(fù)合陶瓷材料、非平衡新材料、模具等。隨著研究的不斷深入，諸如電場對SPS過程的促進(jìn)作用、非導(dǎo)體陶瓷密實(shí)化機(jī)理等基礎(chǔ)性學(xué)科問題將得到解決，未來放電等離子燒結(jié)技術(shù)將迎來廣闊的應(yīng)用前景。

▲放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備陶瓷材料