等离子体烧结陶瓷材料

等离子体烧结陶瓷材料

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彭金辉　普靖中　朱祖泽　何蔼平

(昆明理工大学冶金系,昆明　650093)摘要　对近年来等离子体烧结陶瓷材料的研究进行了简要论述.

关键词　等离子体;烧结;陶瓷材料

中图分类号　TF112

0　前言

近年来,由于微波烧结技术具有快速加热、细化晶粒等特性,该技术已引起研究者们的极大兴趣.然而,微波具有选择性加热的特性,如对吸收微波能较弱的材料(如γ-Al 2O 3)进行烧结时,则需添加辅助性手段,从中也显示了微波烧结的不足之处.而采用等离子体进行烧结,则避免了上述的缺点,因此,等离子体烧结陶瓷材料的研究具有实际应用价值.本文对近年来等离子体烧结陶瓷材料的研究进行了简要论述.

样品:氧化铝图1　烧结温度与相对理论密度关系1　等离子体烧结陶瓷材料

自1996年,R. A.Dugdale [1]提

出等离子体可用于材料的烧结之后,

C. E.G.Bennett [2,3]在1968年率先

对微波等离子体烧结氧化铝、氧化铍、

氧化铪、氧化镁、氧化钍等研究进行了

报导,并把等离子体烧结与传统烧结方

法进行了比较.图1和图2分别把2种

方法烧结氧化铝的烧结速率和抗张强度

进行了比较.图1表明,等离子体烧结氧化铝的

烧结速率较传统方法快得多.例如,在1500℃下,对同样的氧化铝用微波等离子体和传统方法烧结20min ,传统方法烧结后氧化铝的相对理论密度为70%左右,而微波等离子体烧结后的相对理论密度接近90%.Bennett 的实验结果指出,在1525～1550℃的温度下,样品在空气等离子体中烧结25min ,其相对理论密度达到9013%.而在相同的时间,1700℃温度条件下,用传统方法进行烧结,其相对理论密度仅达到8715%.他们还进行了一个有趣的对比实验,先把样品用等离子体在1300℃下烧结20min ,其样品的理论密度达到7414%,又把该样品接着用传统方法在1300℃下烧结100min ,样品的理论密度仅

第23卷　第3期 昆　明　理　工　大　学　学　报 Vol.23No.31998年6月　JOURNAL OF KUNMIN G UN IV ERSIT Y OF SCIENCE AND TECHNOLO GY J un.1998

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云南省自然科学基金重点项目

收稿日期:1998-02-23

仅只达到7417%,之后,再把该样品继续在1300℃下用等离子体烧结的100min ,其理论密达到8311%.

样品:氧化品图2　相对理论密度与抗张强度的关系

从图2中可看出,在较高的理论密

度下,等离子体烧结的样品能保持较高

的抗张强度,而传统烧结样品的抗张强

度则明显下降.这与等离子体烧结后样

品的颗粒尺寸较小(4～10μm ),传统

烧结后样品的颗粒尺寸较大(50～150

μm )是相吻合的.

上述的比较结果充分显示了等离子

体烧结陶瓷材料的优越性.

1972年,L.G.G ordone 等[4]用

直流等离子体烧结了氧化铝(温度

2500°F ,时间少于5min ),其样品收缩

率达15%,相对理论密度为96%.1973年,G.Thomes 等[5]用直流等离子体烧结了UO 2(温度2500°

F ,时间小于5min )样品收缩率为12%,相对理论密度为90%.

1980年以来,D.L.Johnson 等[6～9]用等离子体烧结了α-Al 2O 3,β″-Al 2O 3,Al 2O 3+MgO ,2,TiO 2+Cr 2O 3,TiO 2+Ta 2O 5,Y 2O 3等,并对不同等离子气氛(Ar ,O 2,N 2,H 2O 等)条件下的烧结,进行了研究,其结论为,样品的加热和烧结取决于热转换率、样品成份和等离子体气体的成份,在较低功率的等离子体烧结过程中,Y 2O 3的烧结可用纯氩气等离子体,Al 2O 3的烧结需加水蒸汽,而TiO 3的烧结则取决于等离子体中氧的含量.

W.X.Pang [10]用射频等离子体烧结了金属Mo ,α-Al 2O 3和α-Si 3N 4,所选择的等离子体气体有N 2,H 2,Ar 和Ar +H 2.经过烧结之后,金属Mo 的相对理论密度可达9415%,颗粒为011μm 的Al 2O 3能在60s 内相对理论密度上升到9615%,而Si 3N 4则很难被烧结,样品没有明显地收缩.

P.K ong [11～12]用4MHz 的射频等离子体烧结了ZrO 2,MgO 等材料,考查了不同压力下的样品烧结密度,认为等离子体气体和压力对样品烧结密度较敏感,低压条件下的烧结(小于5Torr ),提高了MgO 的理论密度,而在高压条件下,等离子体焓影响了样品的固化程度;等离子体烧结不仅加快了烧结速率,而且烧结后样品的颗粒尺寸均匀,且能够受到抑制.

N.Tamari 等[13]把93%SiC +5%Al 2O 4+2Y 2O 3粉末放在石墨模中进行轴向加压(压力30MPa ),并同时使用脉冲电压,产生等离子体对粉末进行加热(加热时间5min ,由于石墨压模也同时受到加热,致使粉末从内到外均受到加热,从而加快了加热速度,缩短了时间.该方法在1800℃的温度下便可得到致密的碳化硅,与传统热压烧结法相比较,烧结温度降低了200℃,并且该方法烧结的样品的强度和韧度要比传统热压烧结法的好.T.Nishimura 等[14]用同样的方法烧结了纳米级氮化硅,结果表明,该方法适用于烧结超细颗粒的β氮化硅.

・16・第3期 彭金辉等:等离子体烧结陶瓷材料

2　结束语

等离子体烧结具有加快烧结速率,烧结样品颗粒均匀,抑制样品颗粒长大的优越性,显行了其应用前景.而等离子体气体的种类、成分,压力与烧结样品的理论密度,各种机械特性之间的相互关系及今后如何工业化等问题仍待于进一步研究.

参　考　文　献

1　C. E.G.Bennett et al.Sintering in G as Discharge ,Nature ,Vol.217,March 30,1968,1287～1289

2　C. E.G.Bennett et al.K inetics of Reaction in Inoic Systems ,Edited by T.J.Gray and V. D.Frechette ,Plenum Press ,New Y ork ,1969,408～412

3　L.G.Cordone et al.G low -Discharge Apparatus for Papid Sintering of Al 2O 3.J.Am.Ceram.S oc.,53(7),1973,380

4　G.Thomas et al.Rapid Sintering of UO 2in a G low Discharge ,Transds.Am.Nucl.S oc.17,1973,17

5　D.L.Johnos et al.Plasma Sintering of β″-Alumia ,Aim.Ceram.S oc.Bull.59(4)1980,467～472

6　J.S.K im et al.Plasma Sintering of Alumina ,G eram.Bull.,Vol.62,No.5,1983,620～6227　M.P.Sweeney et al.Microwaves :Theory and Application in Materids Processing ,Ceram.Trans ,Vol.21,365～372

8　D.L.Johnson.Plasma Sintering of Ceramics ,Proceeding of the International Institute for the

Science of Sintering Symposium Vol.1,in Tokyo ,Japan ,Nov.4～6,1987,499～504

9　W.X.Pang et al.Plasma Sintering Proceeding of the International Institute for the Science of Sintering Symposium ,Vol.1,in Tokyo ,Japan ,Nov.4～6,1987,505～510

10　P.K ong et al.Plasma G as Composition and Pressure E ffects on the Sintering of Stabilized Z irconia ,

Mat.Res.Symp.Proc.Vol.190,1991,72～76

11　P.K ong et al.The E ffects of G as Complosction and Pressure on RF Plasmoc Sinteving of MgO.

Mat.Resd.Symp.Proc.Vol.98,1987,372～375.

12　E.Pfender et al.Heat Tranfer Analysis of Plasma Sintoring Process ,Mat.Res.S oc.Sym.Proc.

Vol.30,1984

13　N.Tamari.J.of the G eram.S oc.of Japan ,Vol.103,1995,728～730

14　T.Nishimura.J.of Mat.Sci.Lett.14,1995,1046～1047

Plasma Sintering of Ceramic Meterials

Peng Jinhui Pu Jingzhong Zhu Zuze He Aiping

(Department of Metallurgy ,Kunming University of Science and Technology ,Kunming 650093)Abstarct In this paper ,plasma sintering of ceramic materials has been reviewed

K ey w ords Plasma ;sintering ;ceramic ;materials ・26・昆　明　理　工　大　学　学　报 1998年