第九章 功能陶瓷材料的烧结
陶瓷烧结
目前，微波烧结技术已经被广泛用于多种陶瓷复合 材料的试验研究材料直接耦合导致整体加热。
（2）微波烧结升温速度快，烧结时间短。 （3）安全无污染。 （4）能实现空间选择性烧结。
材料与微波场的作用类型
材料与微波的作用方式示意图
微波烧结系统
5 ）反应烧结
反应烧结（reaction-bonded sintering）是让原料混合 物发生固相反应或原料混合物与外加气（液）体发生 围—气（液）反应，以合成材料，或者对反应后的反应 体施加其它处理工艺以加工成所需材料的一种技术 。
是将粉末压坯或装入包套的粉料装入高压容器中，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。 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。
（2）具备快熔快冷性，有利于保持粉末的优异特性；
（3）可以使 Si3N4，SiC 等非热熔性陶瓷在无需添加
烧结助剂的情况下 发生烧结。
间接法爆炸烧结装置（a.单面飞片； b.单活塞；c.双活塞）
直接法爆炸烧结装置
谢谢大家！
1）热压烧结
热压烧结（hot pressing）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。
热压烧结的优点
（1）所需的成型压力仅为冷压法的1/10
烧结装置
烧结系统大致由 四个部分组成：真空 烧结腔（图中6）， 加压系统（图中3）， 测温系统（图中7） 和控制反馈系统。图 中1示意石墨模具，2 代表用于电流传导的 石墨板，4是石墨模 具中的压头，5是烧 结样品。
第九章 陶瓷的烧结原理与工艺
ZKL系列真空氮气氛烧响因素 烧结方法
普通烧结 热压烧结 气氛烧结 反应烧结 液相烧结 其它方法
型号: 180/250-2200-100型号: FPW 180/250-2200-100-SP 生产厂家: 德国KCE公司 KCE公司 生产厂家: 德国KCE 经费来源: 经费来源: 世行贷款 使用日期: 使用日期: 1995.5 常用工作温度: <2000°C 常用工作温度: <2000° 最高工作温度: 2200° 最高工作温度: 2200°C 最高工作压力: 最高工作压力: 100bar. 最高真空度: 10(最高真空度: 10(-2)mbar. 工作气体: 工作气体: Ar/N2
5.液相烧结： 液相烧结： 液相烧结 烧结原理 影响因素 烧结方法
普通烧结 热压烧结 气氛烧结 反应烧结 液相烧结 其它方法
许多氧化物陶瓷采用低熔点助剂促进材料烧 结。助剂的加入一般不会影响材料的性能或反而为 某种功能产生良好影响。 某种功能产生良好影响。作为高温结构使用的添加 剂，要注意到晶界玻璃是造成高温力学性能下降的 主要因素。 主要因素。如果通过选择使液相有很高的熔点或高 粘度，或者选择合适的液相组成， 粘度，或者选择合适的液相组成，然后作高温热处 使某些晶相在晶界上析出， 理，使某些晶相在晶界上析出，以提高材料的抗蠕 变能力。 变能力。
烧结原理 影响因素 烧结方法
普通烧结 热压烧结 气氛烧结 反应烧结 液相烧结 其它方法
全自动高压自蔓延反应烧结炉
用途： 用途： 该设备利用高放热反应自身放出的热合成材料， 该设备利用高放热反应自身放出的热合成材料， 用于陶冶材料合成， 用于陶冶材料合成，金属间化合物复合材料及梯 度功能材料的合成等。 度功能材料的合成等。 主要技术参数： 主要技术参数： 1、冷态极限真空：6.67*10-2 Pa 、冷态极限真空： 2、炉膛容积：∮100*100mm 、炉膛容积： 3、测量精度：±2℃ 、测量精度： ℃ 4、压力：6.4MPa 、压力：
陶瓷烧结PPT课件
未来研究方向与展望
新材料与新工艺的开发
跨学科合作与技术融合
智能化与数字化技术的 应用
未来，研究者们将继续探索新型陶瓷 材料，研究新的烧结工艺和技术，以 满足各种应用需求。同时，如何实现 陶瓷材料的绿色生产和降低成本也是 未来的重要研究方向。
陶瓷烧结技术涉及到材料科学、物理 学、化学等多个学科领域，未来的研 究将更加注重跨学科的合作和技术融 合，以推动陶瓷材料的发展和应用。
还原气氛
可以还原杂质，提高陶瓷的纯度。
压力的影响
常压烧结
是最常见的烧结方式，适用于大多数 陶瓷材料。
加压烧结
在加压条件下，可以促进陶瓷的致密 化，提高其性能。
05
陶瓷烧结的质量控制与检测
质量控制方法
原料质量控制
对原料的化学成分、粒度、含水 率等指标进行严格检测和控制，
确保原料质量稳定。
工艺参数控制
在烧结过程中，对温度、压力、气 氛等工艺参数进行精确控制，以获 得最佳的烧结效果。
设备维护与校准
定期对烧结设备进行维护和校准， 确保设备运行稳定，提高产品的重 复性和可靠性。
性能检测与评价
物理性能检测
检测产品的密度、气孔率、热膨 胀系数等物理性能指标，确保产
品性能符合要求。
力学性能检测
通过抗弯强度、抗压强度等力学 性能试验，评估产品的机械性能
和可靠性。
耐腐蚀性能检测
对产品的耐酸、耐碱、耐热等性 能进行检测，以适应不同环境下
的使用要求。
缺陷分析与改进
缺陷识别
通过外观检查、无损检测等方法，识别产品中的 缺陷和问题。
原因分析
对缺陷产生的原因进行深入分析，找出根本原因 并制定相应的改进措施。
《功能陶瓷材料》PPT课件
第7章
功能陶瓷材料物理
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1
前言
材料可以分成三大类，金属、陶瓷、有机高分子。
金属材料的基本特征是：由金属元素原子构成，原子之间 的结合是金属键，含有许多自由电子。
有机高分子材料的基本特征是：主要由碳、氧、氢、硅等 非金属元素原子构成，原子之间的结合主要是共价键，一般 没有自由电子。
为了提高陶瓷质量，人们对粉料制备进行了许 多研究，发明了多种制备超细陶瓷粉料的方法。其 中，湿化学法尤其重要。
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1、共沉淀法
共沉淀是指溶液中一种不溶或难溶成分在形成沉淀过程中， 将共存的某些其它组分一起带着沉淀下去的现象。
共沉淀的原理基于表面吸附、形成混晶、异电核胶态物质相 互作用及包藏等。
金属蒸汽真空弧离子源离子注入离子束增强辅助沉积等离子源离子注入激光表面合金化激光化学气相沉积等离子体辅助化学气相沉积双层辉光等离子体表面合金化脉冲高能量等离子体表面改性技术离子注入装置举例离子注入材料表面改性的强化机理离子注入后能显著提高材料表面的硬度耐磨性耐疲劳性抗腐蚀和抗氧化等性能其改性的机理认为主要有以下几种
高度均匀性，高纯性，可降低烧结温度，可在分子水平上进
行组元控制。
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例: YSZ粉的Sol－Gel法制备 异丙醇锆 醋酸钇
↓混合搅拌 均匀溶液
↓吸水；水解－聚合反应 溶胶 ↓干燥 凝胶
↓ 煅烧
↓ YSZ粉末 纳米级大小
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三、一些特殊的烧结方法：
1、热压烧结：
就是在对样品施加压力的条件下烧结。
吸附共沉淀：特征是主沉淀成分表面积大、吸附力强， 故吸附和富集效率高。
混晶共沉淀：两种金属离子和一种沉淀剂形成的晶形、 晶核相似的晶体，称为混晶。如PbSO4-SrSO4混晶。
陶瓷烧结方法
马弗炉是一种传统的陶瓷烧成设备，具有结构简单、操作方便、加 热速度快等优点。
应用范围
适用于各种陶瓷材料的烧成、烧结和熔融等工艺过程，特别适合于 大规模生产。
使用注意事项
使用马弗炉时应注意安全，避免烫伤和火灾事故；同时应注意炉温的 控制和炉内气氛的调节，以保证烧成效果。
真空炉
特点
真空炉是在真空环境下进行加热的设备，具有高温、高真 空的特点，可以有效地去除材料中的气体和杂质，提高产 品的纯度和性能。
02
烧结方法的分类
固相烧结
01
02
03
定义
固相烧结是陶瓷材料在完 全或部分熔融状态下获得 致密化的过程。
特点
固相烧结过程中不出现液 相，致密化主要依靠颗粒 重排、扩散传质和颗粒表 面能的驱动。
应用
适用于制备高熔点、低导 热系数、低塑性的陶瓷材 料，如氧化铝、氮化硅等。
液相烧结
定义
01
液相烧结是通过添加可熔性组分（如金属、玻璃或其它陶瓷材
在复合材料中的应用
树脂基复合材料
通过烧结方法制备树脂基复合材料，提高材料的强度、刚度和耐 腐蚀性。
碳纤维复合材料
通过烧结方法制备碳纤维复合材料，实现材料的轻量化和高性能 化。
玻璃纤维复合材料
通过烧结方法制备玻璃纤维复合材料，提高材料的强度和耐热性。
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THANKS
瓷材料的致密度和力学性能。
应用
适用于制备形状复杂、细孔结构的陶 瓷制品，如蜂窝陶瓷、多层陶瓷电容
器等。
03
烧结工艺参数
温度
低温烧结
低温烧结通常在1000℃以下进行，适用于对热敏感的材料，如某些玻璃或陶瓷。低温烧结可以减少材料内部的热应力， 降低烧结温度对材料性能的影响。
《陶瓷材料的烧结》课件
对废弃的陶瓷材料进行回收和再利用，实现资源的循环利用，降 低对自然资源的依赖。
THANKS。
致密度、均匀性和性能。
烧结设备的改进
03
随着技术的进步，烧结设备的性能和效率也将得到提升，为陶
瓷材料的制备提供更好的设备支持。
环保和可持续发展在陶瓷烧结领域的应用
环保材料的研发
为了降低陶瓷产业对环境的影响，未来将大力研发环保型的陶瓷 材料，如低毒陶瓷、可降解陶瓷等。
节能减排技术的应用
通过采用新型的节能技术，降低陶瓷烧结过程中的能耗和排放， 实现低碳、环保的生产。
04
陶瓷材料的烧结性能
烧结密度和孔隙率
烧结密度
烧结后的陶瓷材料密度，影响材料的 机械性能和热学性能。
孔隙率
陶瓷材料内部孔隙的多少，与材料的 强度、热导率和绝缘性能有关。
烧结陶瓷的力学性能
01
硬度
烧结陶瓷的硬度取决于其成分和 显微结构，硬度高的陶瓷耐磨、 耐划痕。
02
03
抗弯强度
韧性
陶瓷抵抗弯曲应力的能力，与材 料的成分、显微结构和制备工艺 有关。
航天器结构材料
陶瓷材料具有轻质、高强度和耐高温的特性，适用于航天器结构材料，如卫星天线骨架、太阳能电池板支架等。
06
未来展望
新型陶瓷材料的开发
高性能陶瓷
随着科技的发展，对陶瓷材料性能的要求越来越高，未来 将开发出具有更高强度、硬度、耐磨性、耐高温等高性能 的新型陶瓷材料。
多功能陶瓷
除了传统的结构陶瓷外，未来还将开发出具有多种功能如 导电、导热、压电、磁性等功能的新型陶瓷材料。
05
陶瓷材料的烧结应用
在电子行业的应用
电子封装
工程材料学第9章 陶瓷材料
四、陶瓷的典型组织结构
包括三种相：晶体相、玻璃相、 包括三种相：晶体相、玻璃相、气相 1.晶体 1.晶体 晶体相是陶瓷的主要组成相， 晶体相是陶瓷的主要组成相，主要有 硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。 硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。它们 的结构、数量、形态和分布， 的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷 的主要性能和应用。 的主要性能和应用。硅酸盐是是陶瓷组 织中重要的晶体相， 织中重要的晶体相，结合为离子键与共 价键的混合键。 价键的混合键。 陶瓷在室温下的组织
（1）原料制备 矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细得到坯料。 矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细得到坯料。 （2）坯料成形 ） 将坯料加工成一定形状和尺寸并有一定机械强度和致密度的半成 包括可塑成形（如传统陶瓷） 注浆成形（如形状复杂、 品 。 包括可塑成形 （ 如传统陶瓷 ） ， 注浆成形 （ 如形状复杂 、 精 度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特种陶瓷和金属陶瓷） 度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特种陶瓷和金属陶瓷）。 （3）烧成与烧结 ） 干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、 干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷 的过程。 烧成是使坯件瓷化的工艺（ 的过程 。 烧成是使坯件瓷化的工艺 （ 1250℃～ 1450℃） ； 烧结是 ℃ ℃ 指烧成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。 指烧成的制品开口气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。 （4） 陶瓷烧结的后处理 ） 表面施釉：是通过高温加热， 表面施釉：是通过高温加热，在陶瓷表面烧附一层玻璃状物质使 其表面具有光亮、美观、绝缘、防水等优异性能的工艺方法。 其表面具有光亮、美观、绝缘、防水等优异性能的工艺方法。 （5）陶瓷的加工 ） 为改善烧结后的陶瓷制件的表面光洁度、 为改善烧结后的陶瓷制件的表面光洁度、精确尺寸或去除表面 缺陷等，常利用磨削、激光以及超声波等加工方法对其进行处理 工方法对其进行处理。 缺陷等 ， 常利用磨削 、 激光以及超声波等加 工方法对其进行处理 。
实验九 陶瓷材料烧结工艺实验
实验九陶瓷材料烧结工艺实验姓名：许航学号：141190093 姓名：王颖婷学号：141190083系别：材料科学与工程系专业：材料物理组号：A9 实验时间：5月11号1实验目的1）掌握陶瓷主要制备工艺的原理、方法与一定的操作技能。
2）通过实验了解陶瓷产品的设计程序与工艺过程。
3）掌握制备陶瓷材料的典型工艺流程，包括配方计算、称量、混料、筛分、造粒、成型、排塑、烧结、加工、性能测试等4）利用实验找出材料的最优烧结工艺，包括烧结温度和烧结时间5）了解压敏陶瓷等功能陶瓷的制备和性能检测2 实验背景知识2.1陶瓷陶瓷（ceramics）是我们日常生活接触较多，在国民经济中有许多重要应用的无机非金属材料之一。
传统概念的陶瓷是指所有以粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎混和成型烧成等过程而制得的制品,主要是常见的日用陶瓷、建筑卫生陶瓷等普通陶瓷(ordinary ceramics )。
随着社会的发展，出现了一类性能特殊，在电子、航空、生物医学等领域有广泛用途的陶瓷材料，称之为特种陶瓷(specieal ceramics )。
所有的陶瓷（材料及其制品）都有其特定的性能要求。
如：日用餐具要有一定的强度（strength）、白度（whiteness）、抗热冲击性（热稳定性）；对于电瓷有强度和介电性能要求；而特种陶瓷对性能及其热稳定性要求更高。
陶瓷的性能一方面受到其本征物理量（如热稳定系数、电阻率、弹性模量等）的影响，同时又与其显微结构密切相关。
而决定显微结构和本征物理量的是陶瓷的组成及其加工工艺过程。
其中陶瓷组成对显微结构、性能起决定作用。
2.2 陶瓷材料制备工艺陶瓷材料制备的一般工艺流程如图1所示。
图1. 陶瓷材料制备的一般工艺流程2.2.1 配方设计陶瓷坯料（body material）一般是由几种不同的原料配制而成。
性能不同的陶瓷产品，其所用原料的种类和配比不同，也即所谓坯料组成或配方不同。
陶瓷成分设计原则有：1）根据科研需要或用户的要求确定产品（充分考虑产品的物理化学性能和实用性能要求）；2）参考前人的经验和数据；3）了解各种原料对产品性质的影响；4）应满足生产工艺的要求；5）了解原料的品位、来源和到厂价格。
陶瓷材料的烧结与原理
陶瓷材料烧结原理与工艺摘要：到目前为止，陶瓷烧结技术一直是人们不断突破的领域，本文从陶瓷烧结的分类、影响因素、反应机理分别加以介绍，并列举了一些传统和先进的烧结技术，分析了它们的优缺点及应用的范围。
关键词：陶瓷材料；影响因素；反应机理；烧结方法；Sintering Theory and Technology of Ceramics Abstract:So far, the people of ceramic sintering technology has been constantly breaking the field, this paper classification of ceramic sintering, influence factors, reaction mechanism be introduced separately, and listed some of the traditional and advanced sintering tech- nology, analyzes their advantages and disadvantages and application Range.Key words:Ceramic materials; factors; reaction mechanism; sintering method;0 前言陶瓷(Ceramic)的主要制备工艺过程包括坯料制备、成型和烧结。
其生产工艺过程可简单地表示为：坯料制备、成型、干燥、烧结、后处理、成品。
制备：通过机械或物理或化学方法制备坯料，在制备坯料时，要控制坯料粉的粒度、形状、纯度及脱水脱气，以及配料比例和混料均匀等质量要求。
按不同的成型工艺要求，坯料可以是粉料、浆料或可塑泥团；成型：将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）；烧结：生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。
第九章烧结
（１）常压烧结：又称无压烧结。
属于在大气压条件下坯体自由烧结的过程。
在无外加动力下材料开始烧结，温度一般达到材料的熔点０．５－０．８即可。
在此温度下固相烧结能引起足够原子扩散，液相烧结可促使液相形成或由化学反应产生液相促进扩散和粘滞流动的发生。
常压烧结中准确制定烧成曲线至关重要。
合适的升温制度方能保证制品减少开裂与结构缺陷现象，提高成品率。
（２）热压烧结与热等静压烧结：热压烧结指在烧成过程中施加一定的压力（在１０～４０ＭＰａ），促使材料加速流动、重排与致密化。
采用热压烧结方法一般比常压烧结温度低１００ºC左右，主要根据不同制品及有无液相生成而异。
热压烧结采用预成型或将粉料直接装在模内，工艺方法较简单。
该烧结法制品密度高，理论密度可达９９％，制品性能优良。
不过此烧结法不易生产形状复杂制品，烧结生产规模较小，成本高。
作为陶瓷烧结手段，利用来自于表面能的表面应力而达到致密化的常压烧结法虽是一般常用的方法，但是，不依赖于表面应力，而在高温下借助于外压的方法，也是可以采用的。
这就是称为热压法的烧结方法。
广义来说，在加压下进行烧结的方法包括所有这类方法，超高压烧结和热等静压（HIP）烧结也属于这类方法。
不过，一般都作为在高温下施加单轴压力进行烧结的方法来理解。
其基本结构示于图1。
首先，制备粉体试料，置于模型中，在规定温度下加热、加压，获得烧结体。
由于下述原因而采用这种方法：（1）烧结温度降低；（2）烧结速度提高；（3）使难烧结物质达到致密化。
因为能够在颗粒成长或重新结晶不大可能进行的温度范围达到致密化，所以，可获得由微小晶粒构成的高强度、高密度烧结体。
图2所示，是热压对陶瓷致密化影响效果之一例。
将热压作为制造制品的手段而加以利用的实例有：氧化铝、铁氧体、碳化硼、氮化硼等工程陶瓷。
连续热压烧结生产效率高，但设备与模具费用较高，又不利于过高过厚制品的烧制。
热等静压烧结可克服上述弊缺，适合形状复杂制品生产。
功能陶瓷材料
功能陶瓷材料功能陶瓷材料是指对电、磁、光、热、化学、生物等现象或物理量有很强反应，或能使上述某些现象或量值发生相互转化的陶瓷材料。
功能陶瓷是一类颇具灵性的材料，它们或能感知光线，或能区分气味，或能储存信息……因此，说它们多才多能一点都不过分．它们在电、磁、声、光、热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及，有的功能陶瓷材料还是一材多能呢！而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构，又称电子陶瓷。
功能陶瓷材料是陶瓷材料的一种，与大多数陶瓷材料的制备工艺步骤基本相似，一般包括以下步骤：配料→混合→预烧→粉碎→成型→排塑→烧结→后处理（极化、磁化等）。
1、配料：根据配方（化学反应的配比）和生产需要的数量计算出各种原料所需的质量。
用天平称取各原料。
为使后面的化学反应顺利进行，原料的颗粒尽量小些（不要超过2 m，.最好为纳米粉），纯度要高。
对于配料中用量多的原料，最好先清除其中的有害杂质。
2、混合：通常使用转动球磨机或振动球磨机进行，有用干法的，也有用湿法的，所用的球大多是玛瑙球。
用球磨法不但可以混合，同时还可以使原料颗粒进一步被粉碎。
球磨要足够长时间以使各成分原料均匀混合，最大限度地彼此接触，以利于后面的化学反应。
当然，混合也可以采用其它方法，只要达到各原料的均匀混合就行。
3、预烧：混合好的料进行预烧，目的是让各成分间进行化学反应，生成目标化合物。
不同的化学反应有不同的条件（温度、压力、气氛等）要弄清这些条件。
4、粉碎、成型：将预烧后的材料粉碎是为了成型。
成型是按使用要求将材料做成某种特定形状的坯体。
成型根据不同要求可以采用模压、轧膜等方式。
为便于成型，成型前通常要在粉碎的料中加入某种粘合剂。
常用粘合剂的配方及重量比为：聚乙烯醇15%，甘油7%，酒精3%，蒸馏水75%；在90℃下搅拌溶化。
对模压、粘合剂一般是料粉重量的5%，而对轧膜，则粘合剂要达料粉重量的15～20%。
5、排塑：去除成型坯体中的水分、粘合剂的过程称排塑或排胶，一般采取加温办法。
陶瓷材料的微波烧结特性及应用
1.2 陶瓷材料的微波烧结设备及工艺参数
典型的微波烧结设备主要由微波发生器、波导管和加热腔 体等组成如图1所示微波源产生的微波能量由传输系统导入 加热腔中，对放置在腔体中的试样进行加热和烧结。由于 传输系统并不总是与加热腔完全匹配，因此会有一部分微 波能被反射回来，而环行器的作用就是将反射回来的微波 导向水负载，以保护微波源。
2. 降低烧结温度
在微波电磁能的作用下，材料内部分子或离子动能增 加，降低了烧结活化能，从而加速了陶瓷材料的致密化速 度，缩短了烧结时间，同时由于扩散系数的提高，使得材 料晶界扩散加强，提高了陶瓷材料的致密度，从而实现了 材料的低温快速烧结。因此，采用微波烧结，烧结温度可 以低于常规烧结且材料性能会更优，并能实现一些常规烧 结方法难以做到的新型陶瓷烧结工艺，有可能部分取代目 前使用的极为复杂和昂贵的热压法和热等静压法，为高技 术新陶瓷的大规模工业化生产开辟新的途径。例如，在 1100℃微波烧结Al2O3陶瓷1h，材料密度可达96%以 上，而常规烧结仅为60%。
前言
而微波非热效应则一直处于争论之中。一些人认为，即使 在相同的温度下，通过微波加热可以极大地促进化学反应 的进行，然而通过常规加热方法却无法实现，另一些人认 为微波化学实验中，很容易出现微波加热的过热现象，溶 剂温度可以超过沸点而不沸腾，也不能避免局部热点（ Hot spot）效应，所以很多实验中的异常现象都可以通过 热效应进行解释。微波化学中温度测量是一个难题，因此 在研究微波化学机理时一定要注意温度的测量和控制，这 样才可能得到与常规加热对比的可靠结果。在密闭容器中 进行的微波化学反应，还要注意温度和压力的变化，防止 出现爆炸现象。
通过构造适当的微波烧成环境，在l720℃保温 120 min，快速烧结并获得了致密的AlN陶瓷 。与传统烧结相比，AlN陶瓷的微波烧结效率高 ，节能优势明显，在微波烧结AlN陶瓷的过程中 ，微波的非热效应显著。在微波烧结环境中，碳 热还原气氛在AlN陶瓷致密过程中作用明显，它 一方面极大地促进了烧结，另一方面易在烧结体 晶界相内产生气孔而使AlN陶瓷的热导率降低。
实验九陶瓷材料烧结工艺实验
3）了解各种原料对产品性质的影响；
4）应满足生产工艺的要求 ；
5）了解原料的品位、来源和到厂价格。
陶瓷坯体组成的表示方法可分为4种：
1）配料量表示法
配料量表示法也称配料比表示法，是生产中常用的方法。它直接列出所用原料的名称和质量比（各种原料质量比之和应为100）。这种方法便于工厂计量配料，直观方便。
所有的陶瓷（材料及其制品）都有其特定的性能要求。如：日用餐具要有一定的强度（strength）、白度（whiteness）、抗热冲击性（热稳定性）；对于电瓷有强度和介电性能要求；而特种陶瓷对性能及其热稳定性要求更高。
陶瓷的性能一方面受到其本征物理量（如热稳定系数、电阻率、弹性模量等）的影响，同时又与其显微结构密切相关。而决定显微结构和本征物理量的是陶瓷的组成及其加工工艺过程。其中陶瓷组成对显微结构、性能起决定作用。
① 粘结剂：常用的粘结剂有：聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、石蜡等。
② 增塑剂：常用的增塑剂有：甘油、酞酸二丁酯、草酸、乙酸二甘醇、水玻璃、粘土、磷酸铝等。
③ 溶剂：能溶解粘结剂、增塑剂，并能和物料构成可塑物质的液体。如水、乙醇、丙酮、苯、醋酸乙酯等。
4) 实验式表示法
实验式表示法也称坯式表示法，它是采用各种氧化物摩尔数来表示坯料组成的一种方法，将坯料中的氧化物分为碱性、中性和酸性氧化物，并计算出其摩尔数后按比例排列。
坯式是陶瓷理论研究中常用的方法，它可以明显地表示出各组分之间的数量关系，进而分析坯料的性能。实际工作中，往往是同时用两种或两种以上的方法表示组成。
陶瓷材料的微波烧结
微波烧结概念由Tinga等人于20世纪50年代提出，但直至80年代才受到重视。80年代中后期微波烧结技术被引入到材料科学领域，逐渐发展成为一种新型的粉末冶金快速烧结技术。进人90年代，该技术向着基础研究、实用化和工业化发展，尤其在陶瓷材料领域成了研究热点。目前，我国学者对微波烧结陶瓷的研究主要集中于结构陶瓷，而国外许多大学、研究机构及大公司同时开展了结构陶瓷和电子陶瓷等方面的微波烧结研究。与常规烧结相比，微波烧结具有烧结速度快、高效节能以及改善材料组织、提高材料性能等一系列优点。21世纪随着人们对纳米材料研究的重视，该技术在制备纳米块体金属材料和纳米陶瓷方面具有很大的潜力，该技术被誉为“21世纪新一代烧结技术”。
陶瓷材料烧结实用实用工艺和性能测试实验指导书
陶瓷材料烧结工艺和性能测试实验指导书1实验目的和意义1）了解陶瓷材料的烧结和性能检测的工艺流程，掌握吸水率，表面气孔率，实际密度，线收缩率的测定方法。
2）利用实验找出材料的最优烧结工艺，包括烧结温度和烧结时间。
2实验背景知识2.1烧结实验在粉体变成的型坯中，颗粒之间结合主要靠机械咬合或塑化剂的粘合，型坯的强度不高。
将型坯在一定的温度下进行加热，使颗粒间的机械咬合转变成直接依靠离子键，共价键结合，极大的提高材料的强度，这个过程就是烧结。
陶瓷材料的烧结分为三个阶段，升温阶段，保温阶段和降温阶段。
在升温阶段，坯体中往往出现挥发分排出、有机粘合剂等分解氧化、液相产生、晶粒重排与长大等微观现象。
在操作上，考虑到烧结时挥发分的排除和烧结炉的寿命，需要在不同阶段有不同的升温速率。
保温阶段指型坯在升到的最高温度（通常也叫烧结温度）下保持的过程。
粉体烧结涉及组成原子、离子或分子的扩散传质过程，是一个热激活过程，温度越高，烧结越快。
在工程上为了保证效率和质量，保温阶段的最高温度很有讲究。
烧结温度与物料的结晶化学特性有关，晶格能大，高温下质点移动困难，不利于烧结。
烧结温度与材料的熔点有关系，对陶瓷而言是其熔点的0.7 —0.9倍，对金属而言是其熔点的0.4-0.7倍。
冷却阶段是陶瓷材料从最高温度到室温的过程，冷却过程中伴随有液相凝固、析晶、相变等物理化学变化。
冷却方式、冷却速度快慢对陶瓷材料最终相的组成、结构和性能等都有很大的影响，所以所有的烧结实验需要精心设计冷却工-f-p乙。
由于烧结的温度如果过高，则可能出现材料颗粒尺寸大，相变完全等严重影响材料性能的问题，晶粒尺寸越大，材料的韧性和强度就越差，而这正是陶瓷材料的最大问题，所以要提高陶瓷的韧性，就必须降低晶粒的尺寸，降低烧结温度和时间。
但是在烧结时，如果烧结温度太低，没有充分烧结，材料颗粒间的结合不紧密，颗粒间仍然是靠机械力结合，没有发生颗粒的重排，原子的传递等过程，那么材料就是不可用的。
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无机盐类Ts≈ 0.57 Tm
硅酸盐类Ts≈（0.8－0.9）Tm
3、烧结与固相反应 相同点：均在低于材料熔点或熔融温度之下进行的；
过程自始至终都至少有一相是固态 不同点：固相反应至少有两组元参加，并发生化学反应。
烧结只有单组元或两组元参加，且不发生化学反应。
三、烧结过程及推动力
（一）烧结过程
1、烧结温度对烧结体性质的影响 1）随 T↑，电阻率↓、强度↑，表明： 在颗粒空隙被填充之前(即气孔率显著下降以前)，颗粒接触处就 已产生某种键合，使得电子可以沿着键合的地方传递，故电导率 和强度增大 2）随 T 继续↑，物质开始向空隙传递，密度↑
三种烧结模型：平面-球模型和双球模型。双球模型中：（1）颈 部的增长不引起两球间中心距离的缩短，（2）颈部增长导致两 球间中心距离缩短
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假设烧结初期，粒径r变化很小，仍为球形，颈部
半径x很小，则颈部体积V、表面积A和表面曲率
与r、x的关系如表所示
A
V
平面-球
x2/2r x3/r x4/2r
双球（中心距 不变）
➢ 烧结：仅是粉料经加热而致密化的简单过程，是烧成过程的一个 重要部分。
2、烧结与熔融
相同点：都是由原子热振动而引起的
不同点：熔融时-全部组元都转变为液相
烧结时-至少有一组元是处于固态
➢ 烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的。
➢ 泰曼指出，烧结温度Ts与其熔点Tm之间关系如下一般规律：
金属粉末Ts≈（0.3－0.4）Tm
➢ 烧结后期：传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密 度达到95%以上，制品强度提高。
（二）பைடு நூலகம்结推动力
能量差（具体表现为：压力差、空位浓度差、溶解度差）
1、能量差 粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，即能量差是烧结的 推动力，但较小。烧结不能自发进行，必须对粉料加以高温，才 能促使粉末体转变为烧结体
2、压力差：颗粒的弯曲表面上存在有压力差
P 2 r
或 P (1 1)
r1 r2
3、空位差：颗粒表面上的空位浓度与内部浓度之差
3 C kT C0
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四、烧结模型
➢ 库津斯基提出粉末压块是由等径球体作为模型。随烧 结进行，各接触点处开始形成颈部，并逐渐扩大，最 后烧结成一个整体。
➢ 因各颈部所处环境和几何条件相同，故只需确定二颗 粒形成的颈部的成长速率就基本代表了整个烧结初期 的动力学关系。
➢ 粘附力的大小直接取决于物质的表面能和接触面积，故粉状 物料间的粘附作用特别显著。
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二、物质的传递—传质过程
气相传质 — 蒸发-凝聚传质
扩散传质
C
P
结固 相 烧
流动传质 塑性流动 粘性流动
f
dv
dx
F dv
S dx
溶解-沉淀传质
Cf
结液 相 烧
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（一）蒸发-凝聚传质
1、概念
➢ 固体颗粒表面的曲率不同，高温时在系统的不同部位有不同的蒸 气压，质点通过蒸发，再凝聚实现质点的迁移，促进烧结。
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一、烧结定义及分类
1、烧结的定义 ➢ 烧结——成型的粉末坯体，
经加热收缩，在低于熔点温 度下变成致密、坚硬的烧结 体的过程。 ➢ 烧结过程为物理过程。
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通常用烧结收缩率、强度、相对密度、气孔率等物理 指标来衡量物料烧结质量的好坏。
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2、烧结的分类
1）常规烧结（是否出现液相）
➢ 固相烧结：在烧结温度下基本上无液相出现的烧结。
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例如： 粒度为1m的材料烧结后，G降低约8.3J/g（无机材料
等效于0.5 -1.5 KJ/mol)； α-石英与β-石英之间的多晶转变时，G为1.7 KJ/mol； 一般化学反应前后能量变化超过200 KJ/mol。
烧结的难易可以用GB晶界能/SV表面能比值来衡量： GB/SV越大，烧结越困难
双球（中心距 变）
x2/2r 2x3/r x4/2r x2/4r 2x3/2r x4/2r
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第二节 烧结机理
一、颗粒的粘附作用
例：不含水的沙子与含水的沙 子的行为变化。形成了水膜的 沙子的可以粘附而堆积成型。
被水膜包裹的两 固体球的粘附
➢ 粘附作用是烧结初始阶段，导致粉体颗粒间产生键合、靠拢 和重排．并开始形成接触区的一个原因。
第九章 功能陶瓷材料的制备
➢ 概述
----烧结过程
➢ 烧结机理
➢ 晶粒生长与二次再结晶
➢ 影响烧结的因素
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第一节 概 述
烧结过程是一门古老的工艺。现在，烧结过 程在许多工业部门得到广泛应用，如陶瓷、耐火 材料、粉末冶金、超高温材料等生产过程中都含 有烧结过程。
烧结的目的是把粉状材料转变为致密体。 研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化。 对指导生产、控制产品质量，研制新型材料显得 特别重要。
如：高纯氧化物之间的烧结过程
➢ 液相烧结：有液相参与下的烧结。
如：多组分物系在烧结温度下常有液相出现，< 45%
2）非常规烧结（特种烧结）
a、反应烧结
b、热压烧结
d、等静压烧结 e、活化烧结
c、电火花烧结 f、 微波烧结
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二、与烧结有关的一些概念
1、烧结与烧成
➢ 烧成：包括多种物理、化学变化，如：脱水、坯体内气体分解、 多相反应和熔融、溶解、烧结等，其包括范围较宽。
➢ 烧结时，由于传质机理各异而引起颈部增长的方式不 同。因此，双球模型的中心距有如下二种情况：
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颈部曲率半径ρ、颈部体积V、颈部表面积A、颗粒半径r、颈部半径x
双球模型
特征： 中心距L不变 坯体无收缩
中心距L缩短 坯体收缩
适用： 蒸发-凝聚传质
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扩散传质
球体-平板模型
扩散传质
➢ 烧结会引起体积的收缩和致密度增加，常用线收缩率或密度值来评
价烧结的程度。对模型(B)，烧结收缩是因颈部长大，两球心距离
缩短所引起的。故可用球心距离的缩短率
L L0
来表示线收缩率（L0-
烧结前两球心距离，L-烧结后缩短值）：
Lr(r)cos
L0
r
烧结初期很小，cos1，故： L
L0
r
由模型(B)知： L x2
L0
r 4r2
➢ 上述模型及几何参数仅适应于烧结初期，随烧结 的进行，球形颗粒会逐渐变形，故在烧结中后期 . 需采用其它模型。
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2、烧结过程的示意图
粉状成型体的烧结过程示意图
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a)烧结初期
b)烧结后期
铁粉烧结的SEM照片
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烧结过程可以分为三个阶段：烧结初期、中期和后期。
➢ 烧结初期：坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小 （即大气孔消失），固-气总表面积变化不大 。
➢ 烧结中期：传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但仍 然连通，形如隧道。