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**陶瓷材料的四种烧结新技术,各有什么优势?

所属分类:行业资讯    发布时间: 2022-11-24    作者:admin
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..陶瓷材料作为工程材料和功能材料的重要组成部分,在新能源、通信电子、半导体、航空航天等工业领域具有广阔的应用前景。但由于陶瓷粉末多为离子键或共价键,传统烧结工艺制备致密陶瓷材料所需的烧结温度和保温时间较高,必然导致晶粒粗化和气孔残留,从而影响陶瓷材料的性能。

为了降低烧结温度,缩短烧结时间,提高烧结密度和材料性能,..各国研究人员开发了多种新型烧结技术。

01放电等离子烧结(SPS)

SPS技术创造性地将直流电流引入烧结过程,压头在对材料施加压力的同时充当电流通过的载体。SPS是一种受到学术界广泛关注和研究的新型快速烧结技术。与传统烧结技术通常采用发热体辐射加热不同,SPS技术利用大电流通过模具或导电样品产生的热效应来加热材料。

SPS设备工作原理示意图

对于绝缘样品,通常采用导电性好的石墨作为模具材料,利用模具的电阻热快速升高样品温度。对于导电样品,可以使用绝缘模具来加热直接通过样品的电流。升温速率可达1000℃/min。当样品温度达到设定值时,经过短时间的保温即可完成烧结。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、多场耦合(电-力-热)等突出优点。

02闪存(FS)

FS技术来源于电场辅助烧结技术(FAST)的研究。将待烧结的陶瓷素坯制成“骨状”,其两端通过铂丝悬挂在重整炉内,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。随着场强的增强,烧结所需炉温持续降低。当场强为60V/cm时,样品会在炉温升高至约1025℃时瞬间致密化;当场强提高至120V/cm时,烧结炉温甚至可以降低至850℃。

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                                                                                 (a)FS装置的示意图(b)直流电场对3YSZ烧结速率的影响

这种全新的烧结技术被称为“闪速烧结”,即在一定的温度和电场作用下,可以实现材料低温、高速烧结的烧结新技术。通常会伴有材料内部热失控、材料本身电阻率骤降、强闪等现象。

FS技术主要涉及三个工艺参数,即炉温(Tf)、场强(E)和电流(J)。在传统的FS模式下,向材料施加稳定的电场,炉温以恒定的速率上升。炉温低时,材料电阻率高,流过材料的电流小。随着炉温的升高,样品的电阻率降低,电流逐渐变大。这个阶段称为孵化阶段,系统由电压控制。当炉温升至临界温度时,材料电阻率急剧下降,电流急剧上升,出现FS。此时场强仍然稳定,所以系统的功率(W=EJ)会很快达到电源的功率上限,系统由电压控制变为电流控制,称为FS阶段。当材料电阻率不再增加时,场强又变得稳定,烧结进入稳定阶段,即FS的保温阶段。在保温阶段之后,一个完整的FS过程结束。

与传统烧结相比,FS具有以下优点:缩短烧结时间,降低炉温,遏制晶粒长大,实现非平衡烧结,设备简单,成本低。

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