无机材料科学基础《烧结》知识点

（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。

目前一些高科技制品，如陶瓷轴承、反射镜及军工需用的核燃料、枪管等、亦可采用此种烧结工艺。

热等静压（HIP）: 尽管热压烧结有许多优点．但由于是单轴向加压。

故只能制得形状简单如片状或环状的样品。

另外，对非等轴晶系的样品，热压后片状或住状晶粒严重择优取向而产生各向异性。

热等静压是综合了冷等静压、热压烧结和无压烧结法三者优点的烧结方法。

加压方式与冷等静压相似．只是将其高压容器中的介质由液体技成气体（Ar）。

加热方式为电阻加热。

样品的表面应加一层耐高温密封不透气的且在高压下可压缩变形的包套，相当于冷等静压的橡胶模具。

否则，高压气体将渗入作品内部而使样品无法致密化。

粉料可以不经冷成型直接装人包套中。

进行热等静压。

也可经冷成型之后装入包套，再进行热等静压。

经无压烧结或热压烧结的样品也可以再进行热等静压．以进一步提高样品致密度和消除有害缺陷。

这时可以不加包套．因气孔率低巨开放气孔很久封闭气孔在热等静
任中全消除，但开放气孔仍然保留。

目前的HIP装置压力可达2000 MPa温度可达2000℃或更高。

发热体的选择取决于烧结温度和样品的种类。

热等静压与热压和无底烧结一样．已成功地用于多种结构陶瓷，如A12O3、Si3N4、ZrO2等陶瓷的烧结或后处理。

此外热等静压还可以用于金属铸件、金属基复合材料、喷射沉积成型材料、机械合金化与粉末冶金材料和产品零部件的致密化处见
（３）反应烧结：这是通过气相或液相与基体材料相互反应而导致材料烧结的方法。

最典型的代表性产品是反应烧结碳化硅和反应烧结氮化硅制品。

此种烧结优点是工艺简单，制品可稍微加工或不加工，也可制备形状复杂制品。

缺点是制品中最终有残余未反应产物，结构不易控制，太厚制品不易完全反应烧结。

除碳化硅、氮化硅反应烧结外，最近又出现反应烧结三氧化二铝方法，可以利用Ａl粉氧化反应制备A12O3和A12O3-Ａl复合材料，材料性能好。

（４）液相烧结：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。

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。

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，然后作高温热处理，使某些晶相在晶界上析出，以提高材料的抗蠕变能力。

（５）微波烧结法：微波烧结是利用微波加热来对材料进行烧结。

它同传统的加热方式不同。

传统的加热是依靠发热体将热能通过对流、传导或辐射方式传递至被加热物而使其达到某一温度，热量从外向内传递，烧结时间长，也很能得到细晶。

而微波烧结则是利用
微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。

目前已有内容积１立方米，烧成温度可达１６５０ºC的微波烧结炉。

如果使用控制气氛石墨辅助加热炉，温度可高达２０００ºC 以上。

并出现微波连续加热１５米长的隧道炉装置。

使用微波炉烧结精细陶瓷，在产品质量与降低能耗方面，均比其它窑炉优越。

（６）等离子放电烧结法（SPS：Spark plasma Sintering）：等离子放电烧结是一种固态压缩脉冲通电烧结技术。

能量控制性好，可以在短时间内烧结出均质的批次重复性好的快速烧结法之一，受到人们的重视，具有能够把纳米材料以纳米尺度整体化的特点。

SPS法的加工原理及特点:这是一种直接向压缩粉体粒子间隙中通入脉冲电流，利用火花放电把瞬间产生的高温等离子(放电等离子)的高能量有效地应用到热扩散和电场扩散等方面的技术。

与常规的方法相比，在大约200～500℃的温度范围内，包括升温和保温时间在内，仅用5～20min便能完成“烧结”或“烧结接合”，是一种新型材料合成加工技术。

这种方法虽然也是使用ON－OFF直流脉冲通电加压烧结法，但与热压烧结法 (HP)、热等静压烧结（HIP）、常压烧结法（PLS）等常规方法相比，在烧结能的控制性好，处理操作容易，不需要熟练的技术，烧结迅速，再现性高，安全性、准确性好，节省场地，设备成本低等方面有优势。

利用SPS法的纳米材料固化成形实例
氧化硅系纳米陶瓷材料的合成——在平均粒径280nm的β－
Si3N4中加入5wt% Y2O3和2wt% MgO,使用球磨机湿式混合的原料粉末，在SPS烧结温度为1823～1873K,升温速度270～280K/min,保温时间约8min及49MPa条件下，可以获得相对密度为98%以上的烧结体。

该烧结体由200～300nm的粒子组成，是致密、完整的烧结体。

镍纳米材料——对被氧化处理过的镍超微粉（平均粒晶约
60nm，粒度分布10～130nm）实施SPS，条件为压力69MPa，升温速度为560K/min脉冲通电。

结果制成了直径20mm,厚约2mm的几乎完全致密的烧结体。

该烧结体的平均粒径约210nm，在粒内和粒界间分布着约40nm的分散粒子为NiO。

其加热方法与热压不同，它在施加应力同时，还施加一脉冲电源在制品上，材料被韧化同时也致密化。

实验已证明此种方法烧结快速，能使材料形成细晶高致密结构，预计对纳米级材料烧结更适合。

但迄今为止仍处于研究开发阶段，许多问题仍需深入探讨。

（７）自蔓延烧结法：是通过材料自身快速化学放热反应而制成精密陶瓷材料制品。

此方法节能并可减少费用。

国外有报道说可用此法合成２００多种化合物，如碳化物、氮化物、氧化物、金属间化合物与复合材料等。

（８）气相沉积法：分物理气相法与化学气相法两类。

物理法中最
主要有溅射和蒸发沉积法两种。

溅射法是在真空中将电子轰击一平整靶材上，将靶材原子激发后涂覆在样品基板上。

虽然涂覆速度慢且仅用于薄涂层，但能够控制纯度且底材不需要加热。

化学气相沉积法是在底材加热同时，引入反应气体或气体混合物，在高温下分解或发生反应生成的产物沉积在底材上，形成致密材料。

此法的优点是能够生产出高致密细晶结构，材料的透光性及力学性能比其它烧结工艺获得的制品更佳。