陶瓷材料烧结原理与工艺
摘要：到目前为止，陶瓷烧结技术一直是人们不断突破的领域，本文从陶瓷烧结的分类、影响因素、反应机理分别加以介绍，并列举了一些传统和先进的烧结技术，分析了它们的优缺点及应用的范围。
关键词：陶瓷材料；影响因素；反应机理；烧结方法；
Sintering Theory and Technology of Ceramics Abstract:So far, the people of ceramic sintering technology has been constantly breaking the field, this paper classification of ceramic sintering, influence factors, reaction mechanism be introduced separately, and listed some of the traditional and advanced sintering tech- nology, analyzes their advantages and disadvantages and application Range.
Key words:Ceramic materials; factors; reaction mechanism; sintering method;
0 前言
陶瓷(Ceramic)的主要制备工艺过程包括坯料制备、成型和烧结。其生产工艺过程可简单地表示为：坯料制备、成型、干燥、烧结、后处理、成品。制备：通过机械或物理或化学方法制备坯料，在制备坯料时，要控制坯料粉的粒度、形状、纯度及脱水脱气，以及配料比例和混料均匀等质量要求。按不同的成型工艺要求，坯料可以是粉料、浆料或可塑泥团；成型：将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和强度的制品坯型（亦称生坯）；烧结：生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。高温烧结时，陶瓷内部会发生一系列物理化学变化及相变，如体积减小，密度增加，强度、硬度提高，晶粒发生相变等，使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能[1]。
烧结是指成型后的坯体在低于熔点的高温作用下、通过坯体间颗粒相互粘结和物质传递，气孔排除，体积收缩，强度提高、逐渐变成具有一定的几何形状和坚固烧结体的致密化过程。
1 分类
人们根据不同的依据分别对陶瓷的烧结进行分类，通常体现在以下几个方面：
表1 陶瓷烧结分类
2 影响因素
影响陶瓷烧结程度的因素较多，可从以下几个方面加以考虑[2,3]：
2.1 烧结温度及保温时间
烧结温度是影响烧结的重要因素，一般来说，提高烧结温度，延长保温时间，会不同程度地促进烧结完成，完善坯体的显微结构。但若烧结温度过高、保温时间过长，易导致晶粒异常长大，出现过烧现象，反而使烧结体的性能下降。所以选择适当的烧结温度和保温时间是十分重要的[4]。2.2 添加剂
纯陶瓷材料有时很难烧结，所以有时常添加一些烧结助剂，以降低烧结温度，改变烧结速度。当添加剂能与烧结物形成固溶体时，将使晶格畸变而得到活化，使扩散和烧结速度增大，烧结温度降低。
2.3 阻滞剂
烧结速度超出一定范围时，也不利于陶瓷的成型，为了控制烧结速度，常添加阻滞剂。一方面可以控制速度，另一方面也可以阻碍晶粒长大，使粉体较细。
2.4 烧结气氛
气氛对烧结的影响是复杂的。在空气中烧结，会使晶体生成空位、造成缺陷，所以烧结不同的基体材料要对气氛进行选择。一般材料如TiO2、BeO、Al2O3等，在还原气氛中烧结，氧可以直接从晶体表面逸出，形成缺陷结构，利于扩散，从而利于烧结[4]；非氧化物陶瓷，由于在高温下易被氧化，因而在氮气及惰性气体中进行烧结；PZT陶瓷，为防止Pb的挥发，要求加气氛片或气氛粉体进行密闭烧结[3]。
2.5 压力
压力对烧结的影响主要表现在两个方面：生坯成型时的压力和烧结时的外加压力(热压)。成型
压力增大，坯体中颗粒的堆积就较紧密，相互的接触点和接触面积增大，烧结也被加速；热压的作用则更为明显，与普通烧结相比，MgO在15MPa压力下，烧结温度降低了200 C，烧结体密度提高了2%，而且这种趋势随压力的增高而加剧。
2.6颗粒大小
烧结时间随着颗粒尺寸减小而降低，同时，小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高，同时降低烧结温度。而且粉体越细、表面能越高，烧结越容易。
3 烧结原理
烧结理论研究的主要目的是确定烧结过程中物质的迁移机制和烧结工艺参数对烧结过程物质
微观结构的影响，以便制定更好的烧结工艺。烧结理论的研究主要集中在研究材料的致密化过程的热力学和动力学问题、显微结构发展以及致密化和显微结构发展之间的关系。[5]
3.1 烧结现象
人们在宏观和微观上对烧结现象进行观察，可以看到宏观上，烧结后的产物体积收缩，致密度提高，强度增加。而在微观上观察，气孔形状改变，晶体长大，成份变化（掺杂元素）。
3.2 主要阶段
3.2.1 前期阶段
①粘结剂等的脱除；
②随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔隙变得封闭，并孤立分布；
③小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。
3.2.2 后期阶段
①孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处，使孔隙逐渐消除；
②晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。
3.3 烧结原理
固相、液相烧结分别对应着不同的反应机理，液相烧结的反应机理可简单归纳（1）熔化（2）重排（3）溶解-沉淀;及（4）气孔排除。按照烧结体的结构特征，常将固相烧结机理划分为3个阶段：烧结初期、烧结中期和烧结后期。
烧结前期在烧结初期，颗粒相互靠近，不同颗粒间接触点通过物质扩散和坯体收缩形成颈部。在这个阶段，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒的外形基本保持不变。
烧结中期烧结颈部开始长大，原子向颗粒结合面迁移，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络。该阶段烧结体的密度和强度都增加。
烧结后期一般当烧结体密度达到90%，烧结就进入烧结后期。此时，大多数孔隙被分隔，晶界上的物质继续向气孔扩散、填充，随着致密化继续进行，晶粒也继续长大。这个阶段烧结体主要通过小孔隙的消失和孔隙数量的减少来实现收缩，收缩缓慢。
4 烧结方法（列表）
陶瓷因其具有相当多的物性，故即使作为多晶体，制造方法也不只一种。因此，烧结方法也有多种。
