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行业新闻
除了SPS放电等离子烧结还有更多的先进烧结方法
发布时间:2020-07-3

先进陶瓷新型快速烧结技术一览


[导读]  如何在较低烧结温度下实现材料的快速致密化,制备出完全无气孔、结构均匀、晶粒细小且晶界强化的陶瓷块体仍是陶瓷材料科学工作者不断追求的目标。


先进陶瓷材料以其一系列优异的性能,在工业领域扮演着至关重要的角色,然而目前陶瓷材料的广泛应用仍面临许多问题与挑战,其中可靠性、致密度和强度是主要的制约因素。如何在较低烧结温度下实现材料的快速致密化,制备出完全无气孔、结构均匀、晶粒细小且晶界强化的陶瓷块体仍是陶瓷材料科学工作者不断追求的目标。

先进陶瓷烧结概况

传统的陶瓷烧结技术,包括气氛烧结、德赢官方烧结、热压烧结和热等静压烧结等,主要是通过将陶瓷粉体在高温热驱动力的作用下长时间保温,利用原子扩散排出晶粒间的气孔从而致密化的过程。但在高温条件下,原子扩散在促进材料致密化的同时,也会不可避免地导致晶粒长大现象,从而劣化材料的性能。长达数小时甚至数天的保温时间对能源来说是极大的消耗,也不利于工业生产。

在先进陶瓷制备技术和制造装备的革新当中,陶瓷烧结设备与烧结技术的创新是进一步提高先进陶瓷材料性能的最关键因素之一。对此,科研工作者成功开发了多种陶瓷烧结制备新工艺,它们或可降低烧结温度、缩短烧结时间以实现快速致密化;或能提升材料各项性能。

20年来,国内外学者开发了多种能够显著改善陶瓷材料烧结状况的新工艺,例如放电等离子烧结(spark plasma sinteringSPS)、闪烧(flash sinteringFS)、冷烧结(cold sinteringCS)、以及振荡压力烧结(oscillatory pressure sinteringOPS)等。这些烧结新技术的产生为高性能陶瓷材料的制备开辟了新方法,并且丰富了陶瓷材料的烧结理论。


1、放电等离子烧结(SPS)

SPS技术开创性地将直流脉冲电流引入烧结过程,压头在向材料施加压力的同时也充当电流通过的载体。与传统烧结技术通常利用发热体辐射加热不同,SPS技术借助大电流通过模具或导电样品产生的热效应来加热材料。

对于绝缘样品,通常使用导电性良好的石墨作为模具材料,利用模具的电阻热使样品快速升温;对于导电样品,则可以使用绝缘模具,使电流直接通过样品进行加热。其升温速率可达1000℃/min,当样品温度达到设定值后,经过短时间保温即可完成烧结。


SPS技术具有烧结温度低、保温时间短、升温速率快、烧结压力可调控、可实现多场耦合(电-力-热)等突出的优点。除Al2O3  ZrO2 等常见陶瓷外,SPS技术也可用于许多难烧结材料的制备,如ZrB2  HfB2 ZrC、TiN等超高温陶瓷以及W、Re、Ta、Mo等难熔金属及其合金。    


通过使用阶梯状等经过特殊设计的模具改变流经模具的电流密度,可人为地在样品中制造温度梯度,因此SPS技术还可以用于制备功能梯度材料。此外,纳米晶透明陶瓷、介电陶瓷等功能材料也可利用SPS技术进行烧结。


2、闪烧(FS)

FS技术于2010年由科罗拉多大学的Cologna等首次报道,其来源于对电场辅助烧结技术(field-assisted sin-tering technology,FAST)的研究。图2是一种典型的FS装置示意图,待烧结陶瓷素坯被制成“骨头状”,两端通过铂丝悬挂在经过改造的炉体内,向材料施加一定的直流或交流电场。炉体内有热电偶用于测温,底部有CCD相机可实时记录样品尺寸。


以3YSZ为例,研究人员发现与传统烧结相比,若在炉体内以恒定速率升温时,对其施加20V/cm的直流电场场强,可以在一定程度上提高烧结速率,降低烧结所需的炉温,如图3所示。随着场强的增强,烧结所需的炉温持续降低。当场强为60V/cm时,样品会在炉温升高至约10250C时瞬间致密化;当场强提高至120V/cm时,vwin国际官网温甚至可以降低至8500C。这一全新的烧结技术被称为“闪烧”,即在一定温度和电场作用下实现材料低温极速烧结的新型烧结技术。



与传统烧结相比,FS主要有以下优势:缩短烧结时间并降低烧结所需炉温,抑制晶粒生长,能够实现非平衡烧结,设备简单,成本较低。

2、冷烧结(CS)

美国宾夕法尼亚州立大学Randall课题组受水热辅助热压工艺启发,提出一种“陶瓷CS工艺”新技术。与传统的高温烧结工艺不同,陶瓷CS工艺通过向粉体中添加一种瞬时溶剂并施加较大压力(350-500MPa)从而增强颗粒间的重排和扩散使陶瓷粉体在较低的温度(120-3000C)和较短的时间下实现烧结致密化,为低温烧结制造高性能结构陶瓷和功能陶瓷创造了可能。



4振荡压力烧结(OPS)

谢志鹏教授课题组提出在粉末烧结过程中引入动态振荡压力替代现有的恒定静态压力这一全新的设计思想,并在国际上率先研发出一种OPS技术和设备,其基本原理是在一个比较大的恒定压力作用下,叠加一个频率和振幅均可调的振荡压力,将传统烧结中施加的“死力”变为“活力”,振荡压力耦合装置和原理示意图如图5所示。


6SHS/QP技术

利用高温自蔓延烧结技术(SHS)可以在短时间里合成材料,但是直接获得的产品往往是多孔、疏松状的,不能作为结构件用。将SHS过程与动态快速机械轴压结合起来,一次完成材料的合成与密实化过程的新工艺成为研究的热点。


其实际过程是:当SHS反应刚刚完成,在SHS产物还处于高温软化状态时,快速对其施加一个大的压力,通过晶粒的重排和金属液相的毛细流动获取密实材料,此方法实际上是SHS过程上一个快速加压过程(quick pressing),被称为自蔓延高温合成结合快速加压(self-propagating hihg-temperature synthesis plus quick pressing,SHS/QP)技术,其设备工作原理如图6所示。

研究人员认为这一方法有两个技术要点:第一、自蔓延高温合成反应过程与加压时机的匹配对于样品有效致密化是非常重要的;第二、对于自蔓延高温合成反应整个过程的掌控和对其各个细节参数的设计和控制同等重要。通过SHS/QP技术可以制备金属陶瓷材料、功能梯度材料、高性能纳米陶瓷材料。



小结

先进陶瓷材料作为工程材料的重要一员,其广泛使用依然受限于传统烧结技术高耗能、高耗时以及产品性能低劣等因素的制约。新型快速烧结技术在特种陶瓷快速制备、材料连接、梯度和纳米陶瓷制备等方面己经体现出其巨大的优势。


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