1、先進(jìn)陶瓷新型快速燒結(jié)技術(shù)一覽導(dǎo)讀如何在較低燒結(jié)溫度下實(shí)現(xiàn)材料的快速致密化，制備出完全無氣孔、結(jié)構(gòu)均勻、晶粒細(xì)小且晶界強(qiáng)化的陶瓷塊體仍是陶瓷材料科學(xué)工作者不斷追求的目標(biāo)。先進(jìn)陶瓷材料以其一系列優(yōu)異的性能，在工業(yè)領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，然而目前陶瓷材料的廣泛應(yīng)用仍面臨許多問題與挑戰(zhàn)，其中可靠性、致密度和強(qiáng)度是主要的制約因素。如何在較低燒結(jié)溫度下實(shí)現(xiàn)材料的快速致密化，制備出完全無氣孔、結(jié)構(gòu)均勻、晶粒細(xì)小且晶界強(qiáng)化的陶瓷塊體仍是陶瓷材料科學(xué)工作者不斷追求的目標(biāo)。先進(jìn)陶瓷燒結(jié)概況傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)技術(shù)，包括氣氛燒結(jié)、真空燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)等，主要是通過將陶瓷粉體在高溫?zé)狎?qū)動(dòng)力的作用下長時(shí)間保溫，

2、利用原子擴(kuò)散排出晶粒間的氣孔從而致密化的過程。但在高溫條件下，原子擴(kuò)散在促進(jìn)材料致密化的同時(shí)，也會(huì)不可避免地導(dǎo)致晶粒長大現(xiàn)象，從而劣化材料的性能。長達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的保溫時(shí)間對(duì)能源來說是極大的消耗，也不利于工業(yè)生產(chǎn)。在先進(jìn)陶瓷制備技術(shù)和制造裝備的革新當(dāng)中，陶瓷燒結(jié)設(shè)備與燒結(jié)技術(shù)的創(chuàng)新是進(jìn)一步提高先進(jìn)陶瓷材料性能的最關(guān)鍵因素之一。對(duì)此，科研工作者成功開發(fā)了多種陶瓷燒結(jié)制備新工藝，它們或可降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時(shí)間以實(shí)現(xiàn)快速致密化；或能提升材料各項(xiàng)性能。近20年來，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了多種能夠顯著改善陶瓷材料燒結(jié)狀況的新工藝，例如放電等離子燒結(jié)（sparkplasmasintering,SPS、閃燒（

3、flashsintering,FS、冷燒結(jié)（coldsintering,CS、以及振蕩壓力燒結(jié)（oscillatorypressuresintering,OPS等。這些燒結(jié)新技術(shù)的產(chǎn)生為高性能陶瓷材料的制備開辟了新方法，并且豐富了陶瓷材料的燒結(jié)理論。1、放電等離子燒結(jié)(SPS)SPS技術(shù)開創(chuàng)性地將直流脈沖電流引入燒結(jié)過程，壓頭在向材料施加壓力的同時(shí)也充當(dāng)電流通過的載體。與傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)通常利用發(fā)熱體輻射加熱不同，SPS技術(shù)借助大電流通過模具或?qū)щ姌悠樊a(chǎn)生的熱效應(yīng)來加熱材料。對(duì)于絕緣樣品，通常使用導(dǎo)電性良好的石墨作為模具材料，利用模具的電阻熱使樣品快速升溫；對(duì)于導(dǎo)電樣品，則可以使用絕緣模具，使電流

4、直接通過樣品進(jìn)行加熱。其升溫速率可達(dá)1000c/min,當(dāng)樣品溫度達(dá)到設(shè)定值后，經(jīng)過短時(shí)間保溫即可完成燒結(jié)。Pyrometer圖1:SPS設(shè)備的工作原理示意圖SPSS術(shù)具有燒結(jié)溫度低、保溫時(shí)間短、升溫速率快、燒結(jié)壓力可調(diào)控、可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合(電-力-熱)等突出的優(yōu)點(diǎn)。除A12Q、ZrO2等常見陶瓷外，SPS技術(shù)也可用于許多難燒結(jié)材料的制備，如ZrB2、HfB2、ZrC、TiN等超高溫陶瓷以及WReTaMo等難熔金屬及其合金。通過使用階梯狀等經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的模具改變流經(jīng)模具的電流密度，可人為地在樣品中制造溫度梯度，因此SPSft術(shù)還可以用于制備功能梯度材料。此外，納米晶透明陶瓷、介電陶瓷等功能材料也

5、可利用SPS技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)。2、閃燒(FS)FS技術(shù)于2010年由科羅拉多大學(xué)的Cologna等首次報(bào)道，具來源于對(duì)電場(chǎng)輔助燒結(jié)技術(shù)(field-assistedsin-teringtechnology,FAST)的研究。圖2是一種典型的FS裝置示意圖，待燒結(jié)陶瓷素坯被制成“骨頭狀”，兩端通過鋁絲懸掛在經(jīng)過改造的爐體內(nèi)，向材料施加一定的直流或交流電場(chǎng)。爐體內(nèi)有熱電偶用于測(cè)溫，底部有CCDffi機(jī)可實(shí)時(shí)記錄樣品尺寸。©0800®圖2:FS裝置示意圖W修(VI以3YSZ為例，研究人員發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)燒結(jié)相比，若在爐體內(nèi)以恒定速率升溫時(shí)，對(duì)其施加20V/cm的直流電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，可以在一定程度

6、上提高燒結(jié)速率，降低燒結(jié)所需的爐溫，如圖3所示。隨著場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)，燒結(jié)所需的爐溫持續(xù)降低。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)為60V/cm時(shí)，樣品會(huì)在爐溫升高至約102WC時(shí)瞬間致密化；當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)提高至120V/cm時(shí)，燒結(jié)爐溫甚至可以降低至8500C。這一全新的燒結(jié)技術(shù)被稱為“閃燒”，即在一定溫度和電場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)材料低溫極速燒結(jié)的新型燒結(jié)技術(shù)。FLA1HSINTERIHO圖3:直流電場(chǎng)對(duì)3YSZ燒結(jié)速率的影響與傳統(tǒng)燒結(jié)相比，F(xiàn)S主要有以下優(yōu)勢(shì)：縮短燒結(jié)時(shí)間并降低燒結(jié)所需爐溫,抑制晶粒生長，能夠?qū)崿F(xiàn)非平衡燒結(jié)，設(shè)備簡單，成本較低。3、冷燒結(jié)(CS)美國賓夕法尼亞州立大學(xué)Randall課題組受水熱輔助熱壓工藝啟發(fā)，提出一種“陶瓷

7、CS工藝”新技術(shù)。與傳統(tǒng)的高溫?zé)Y(jié)工藝不同，陶瓷CS工藝通過向粉體中添加一種瞬時(shí)溶劑并施加較大壓力(350-500MPa從而增強(qiáng)顆粒間的重排和擴(kuò)散使陶瓷粉體在較低的溫度(120-3000C)和較短的時(shí)間下實(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化，為低溫?zé)Y(jié)制造高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷創(chuàng)造了可能。圖4:CS工藝所用設(shè)備4、振蕩壓力燒結(jié)(OPS)謝志鵬教授課題組提出在粉末燒結(jié)過程中引入動(dòng)態(tài)振蕩壓力替代現(xiàn)有的包定靜態(tài)壓力這一全新的設(shè)計(jì)思想，并在國際上率先研發(fā)出一種OPSK術(shù)和設(shè)備,其基本原理是在一個(gè)比較大的恒定壓力作用下，疊加一個(gè)頻率和振幅均可調(diào)的振蕩壓力，將傳統(tǒng)燒結(jié)中施加的“死力”變?yōu)椤盎盍Α保袷帀毫︸詈涎b置和原理示意圖

8、如圖5所示。卜DeciIJ4laryPressure.CcnstantPr-ur甘.幾034Tk/I*圖5:振蕩壓力耦合裝置(a)和原理示意圖(b)6、SHS/QP技術(shù)利用高溫自蔓延燒結(jié)技術(shù)(SHS)可以在短時(shí)間里合成材料，但是直接獲得的產(chǎn)品往往是多孔、疏松狀的，不能作為結(jié)構(gòu)件用。將SHS過程與動(dòng)態(tài)快速機(jī)械軸壓結(jié)合起來，一次完成材料的合成與密實(shí)化過程的新工藝成為研究的熱點(diǎn)。其實(shí)際過程是：當(dāng)SHS反應(yīng)剛剛完成，在SHST物還處于高溫軟化狀態(tài)時(shí)，快速對(duì)其施加一個(gè)大的壓力，通過晶粒的重排和金屬液相的毛細(xì)流動(dòng)獲取密實(shí)材料，此方法實(shí)際上是SHS過程上一個(gè)快速加壓過程(quickpressing),被稱為自蔓延高溫合成結(jié)合快速力壓(self-propagatinghihg-temperaturesynthesisplusquickpressing,SHS/QP技術(shù)，其設(shè)備工作原理如圖6所示。研究人員認(rèn)為這一方法有兩個(gè)技術(shù)要點(diǎn)：第一、自蔓延高溫合成反應(yīng)過程與加壓時(shí)機(jī)的匹配對(duì)于樣品有效致密化是非常重要的；第二、對(duì)于自蔓延高溫合成反應(yīng)整個(gè)過程的掌控和對(duì)其各個(gè)細(xì)節(jié)參數(shù)的設(shè)計(jì)和控制同等重要。通過SHS/QP技術(shù)可以制備金屬陶瓷材料、功能梯度材料、高性能納米