粉体材料烧结技术交流

2021-03-19 09:24:47 117

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    近几十年来,在粉末烧结过程中,开发出了许多性能优良的新型材料。新工艺的种类繁多,设备结构和操作过程也不尽相同。但各种烧结工艺无非是寻求更大的驱动力。其作用是促进材料在高温或晶粒取向下的转移、致密化等过程。驱动力激活能主要包括表面自由能、化学势的降低、相变和化学反应性的应用、以及外力、电场、磁场、超声能量的应用。最广泛的应用是推广外部机械——烧结窑设备。


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     烧结是高温下粉末或坯体的致密化过程和现象的总称。具体而言,随着温度和时间的增加,固体颗粒相互结合,晶粒长大,空隙(孔隙)和晶界逐渐减小,通过材料的转移,其整体体积收缩、密度增大,最终成为具有刚性的多晶烧结体。只有一定的微观结构,这种现象才叫做烧结。


    固态烧结(SSS)是在一定气氛的保护下,在不超过其熔点的设定温度下,将具有一定形状的松散粉末或致密粉末保持一段时间的过程。设定温度是烧结温度,使用的气氛称为烧结气氛,使用的保温时间称为烧结时间。

    烧结过程可分为两类:无压烧结(无外压烧结)和加压烧结(有外压烧结)。同时对松散粉末或粉末压坯施加高压和外压,称为压力烧结。

    热压烧结(HPS)是指在一定的外力(根据模具材料的强度,一般压力为10~40MPa)下,使材料加速流动、重排和致密化的烧结过程。热压烧结温度比常压烧结温度低100-150℃,但热压烧结的驱动力比常压烧结的驱动力大20-100倍。


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    粉末烧结设备的结构按加热加压方式、气氛等因素进行划分。在粉末烧结过程中,通常采用电加热。最常见的方法是:将粉体材料经过喂料机导入烧结窑的筒体直接回转加热;在电炉中加热模具;对导电模具进行直接感应加热;对非导电模具在导电管内进行感应加热。

微波烧结是利用微波电磁场中陶瓷材料的介质损耗而使材料至烧结温度从而实现陶瓷的烧结及致密化。根据微波能的利用形式,微波烧结可分为:微波加热烧结,微波等离子烧结,微波—等离子分布烧结等

(1)微波加热烧结

    微波加热与常规加热模式不同,前者是依靠微波场中介质材料的极化损耗产生本体加热,因此微波加热温度场均匀,热应力小,适宜于快速烧结。并且微波电磁场作用促进扩散,加速烧结过程,可使陶瓷材料晶粒细化,有效抑制晶粒异常长大,提高材料显微结构的均匀性。

图片关键词烧结示意图

(2)微波等离子烧结

    微波等离子烧结是通过微波电离气体形成等离子体,然后等离子体加热生坯得到致密的陶瓷烧结体。由于快速加热,减小了表面扩散(主要发生在传统烧结的低温阶段)引起的晶粒粗化,为晶界扩散和体积扩散提供了较强的驱动力和较短的扩散途径,从而导致陶瓷显微结构的细化,促进坯体的快速致密。

    微波等离子烧结优点是:升温快,致密化迅速,烧结体性能良好,但是部分烧结机理目前尚不清楚,有待进一步深入研究。

图片关键词微波等离子烧结

(3)微波—等离子分步烧结

微波等离子分步烧结结合前者优点,首先直接用微波的能量把陶瓷生坯加热到特定温度,然后利用微波的能量将气体激励成等离子体,等离子体继续加热陶瓷坯体到烧结温度,形成致密、均匀的烧结体。


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