陶瓷烧结过程及影响因素分析

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　　中图分类号：J527　文献标识码：A　文章编号：1003-8809(2010)10-0198-01
　　
　　烧结是陶瓷烧成中重要的一环。在高温下伴随烧结过程发生的主要变化是颗粒间接触界面扩大并逐渐形成晶界；连通的气孔逐渐变成孤立的气孔并缩小，最后大部分甚至全部从坯体中排除，使成型体的致密度和强度增加，成为具有一定性能和几何外形的整体。因此，烧结总是意味着固体粉状成型体在低于其熔点温度下加热，使物质自发地充填颗粒间隙而致密化的过程。烧结可以发生在单纯的固体之间，也可以在液相参与下进行。前者称故相烧结；后者称液相烧结。烧结过程可能包含某些化学反应的作用，但重要的是，烧结并不依赖于化学反应的作用。它可以在不发生任何化学反应的情况下。简单地将固体粉料加热，转变成坚实的致密烧结体，这是烧结区别于固相反应的一个重要方面。因此烧结可代替液态成型方法，在远低于固体物料的熔点温度下，制成接近于理论密度的大件异型无机材料制品，并改善其物理性能。
　　
　　一、烧结过程
　　
　　烧结前，成型体中有些颗粒彼此之间以点接触，有的则相互分开，保留着较多的空隙。随着温度的升高和时间的延长，开始产生颗粒间的键合和重排过程，这时粒子因重排而相互靠拢，大空隙逐渐消失，气孔的总体积迅速减小，但颗粒之间仍以点接触为主，总表面积并没有缩小。当颗粒间由点接触逐渐扩大为面接触，粒界面积增加，固气表面积相应减小，但空隙仍然是连通的，开始有明显的传质过程。随着传质过程的继续进行，粒界进一步发育扩大，气孔则逐渐缩小和变形，最终转变成孤立的闭气孔。与此同时颗粒粒界开始移动。粒子长大，气孔逐渐迁移至Ⅱ粒界而消失，烧结体致密度增高。
　　
　　　二、影响烧结的因素
　　
　　　影响烧结的因素很多，大致可归纳为三类，即前段因素(包括母盐的种类、制备条件、分解温度、预烧温度、预烧时间)、内因(晶体结构及变化、大小、分布、形状、表面状态、表面能大小、扩散系数、粘度和杂质的种类、数量、结构缺陷、结构位错变形、状态的安定程度)、外因(加人物的种类、加入量、粉碎处理、爆发冲击处理、高能照射处理、超音波处理、储藏影响、成型方法、成型压力、烧结温度、加热速度、烧结时间、烧结加压、烧结气氛)。以下就主要影响因素进行分析：
　　1、物料活性的影响。烧结是基于在表面张力作用下的物质迁移而实现的。高温氧化物较难烧结，重要的原因之一，就在于它们有较大的晶格能和较稳定的结构状态，质点迁移需较高的活化能，即活性较低。因此可以通过降低物料粒度来提高活性，但单纯依靠机械粉碎来提高物料分散度是有限度的，并且能量消耗也多。于是开始用化学方法来提高物料活性和加速烧结的工艺，即活性烧结。活性氧化物通常是用其相应的盐类热分解制成的。实践表明，采用不同形式的母盐以及热分解条件，对所得氧化物的活性有着重要影响。在300-400％低温分解Mg(0H)2制得的MgO，比高温分解的具有较高的热容、溶解度和酸溶解度，并表现出很高的烧结活性。因此，合理选择分解温度很重要。一般来说来对于给定的物料有着一个最适宜的分解温度。温度过高会使结晶度增高、粒径变大、比表面和活性下降；温度过低则可能因残留有未分解的母盐而妨碍颗粒的紧密充填和烧结。
　　2、添加物的影响。少量添加物常会明显地改变烧结速度。当添加物能与烧结物形成固溶体时，将使晶格畸变而得到活化，故可降低烧结温度，使扩散和烧结速度增大，这对于形成缺位型或间隙型固溶体尤为强烈。有些氧化物在烧结时发生晶型转变并伴有较大体积效应，这会使烧结致密化发生困难，并容易引起坯体开裂。这时若能选用适宜的添加物加以抑制，即可促进烧结。烧结后期的晶粒长大，对烧结致密化有重要作用。但如果二次再结晶或间断性晶粒长大过快，又会因晶粒变粗、晶界变宽而出现反致密化现象并影响制品的显微结构。这时，可通过加入能抑制品粒异常长大的添加物，来促进致密化过程。
　　3、气氛的影响。气愤对烧结的影响是复杂的。同一种气体介质对于不同物料的烧结，往往表现出不同的甚至相反的效果。然而，就作用机理而言，不外乎是物理和化学的两方面作用。
　　①物理作用。在烧结后期，坯体中孤立闭气孔逐渐缩小，压力增大，逐步抵消了作为烧结推动力的表面张力作用，烧结趋于缓慢，致使在通常条件下难于达到完全烧结。这时继续致密化过程除了取决于气孔表面的过剩空位的扩散外，闭气孔中的气体在固体中的溶解和扩散等过程也起着重要作用。当烧结气氛不同时，闭气孔内的气体成分和性质不同，它们在固体中的扩散、溶解能力也不相同。气体原子尺寸越大，扩散系数就小，反之亦然。
　　②化学作用。主要表现在气体介质与烧结物之间的化学反应。在氧气氛中，由于氧被烧结物表面吸附或发生化学作用，使晶体表面形成正离子缺位型的非化学计量化合物，正离子空位增加，扩散和烧结被加速，同时使闭气孔中的氧可以直接进入晶格，并和O2-空位一样沿表面进行扩散，故凡是正离子扩散起控制作用的烧结过程，氧气氛或氧分压较高是有利的，例如A1203和ZnO的烧结等。反之，对于那些容易变价的金属氧化物，则还原气氛可以使它们部分被还原形成氧缺位型的非化学计量化合物，也会因O2-缺位增多而加速烧结。
　　4、压力的影响。外压对烧结的影响主要表现在两个方面：生坯成型压力和烧结时的外加压力(热压)。从烧结和固相反应机理容易理解，成形压力增大，坯体中颗粒堆积就较紧密，接触面积增大，烧结被加速。与此相比，热压的作用更为重要。与普通烧结相比，在1.5×107Pa压力下，热压烧结温度降低200℃，烧结体密度却提高2％，并且这种趋势随压力增高而加剧。
　　综上所述，为了获得致密制品，必须注意烧结过程中的影响因素，控制好整个烧结过程。

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