1. 概述(shù)

作為三大(dà)材(cái)料 –無(wú)機(jī)非(fēi)金屬材(cái)料的重要一(yī)類(lèi)，陶(táo)瓷(cí)材(cái)料(liào)發展至(zhì)今天(tiān)，已從初的(dí)陶器，瓷(cí)器(qì)等傳(chuán)統陶(táo)瓷發(fā)展為可應(yīng)用(yòng)於國防(fáng)，航(háng)空航天，電子(zǐ)，機械(xiè)，醫療(liáo)等各個領(lǐng)域的陶瓷材(cái)料，是知識(shí)技術(shù)密集(jí)性產品，可滿足新技(jì)術產業的(dí)需求。

陶瓷(cí)材料的(dí)應用(yòng)發展離不開(kāi)燒(shāo)結技術(shù)的(dí)發展(zhǎn)，相(xiāng)同化學(xué)組成的(dí)陶(táo)瓷坯體(tǐ)，采用不用的(dí)燒結(jié)工藝

將(jiāng)產(chǎn)生顯微(wēi)結構及差(chà)別ji大的(dí)陶(táo)瓷(cí)材(cái)料，因此人們對(duì)陶瓷燒(shāo)結工藝進行了大量的探索(suǒ)與研究。近(jìn)些(xiē)年(nián)來，發(fā)展了(liǎo)許(xǔ)多燒(shāo)結技(jì)術，例如(rú)微(wēi)波燒結(jié)，等離子體(tǐ)燒結(jié)，自(zì)蔓延(yán)燒結等。這些燒結技(jì)術因(yīn)其(qí)潛(qián)在的(dí)節能(néng)省時(shí)而(ér)成(chéng)為當(dāng)下陶瓷材料燒結技(jì)術研究(jiū)的熱點(diǎn)。未來的(dí)燒結(jié)技(jì)術一(yī)定(dìng)是(shì)向著精(jīng)細化，可(kě)控(kòng)化(huà)，節能(néng)高(gāo)效方向發(fā)展。

2.燒結(jié)技術

  生坯(pī)經過(guò)初(chū)步(bù)幹燥(zào)後(hòu)，需(xū)要進行(háng)燒(shāo)結以提高坯(pī)體的強度，熱(rè)穩定性及(jí)化(huà)學(xué)穩(wěn)定性。在(zài)燒(shāo)結過程中陶(táo)

瓷(cí)內部會發(fā)生(shēng)一(yī)係列物理(lǐ)和化學變(biàn)化(huà)，體(tǐ)積減小，密(mì)度增加，強度和(hé)硬(yìng)度(dù)提高，晶粒發生相變(biàn)等(děng)，使陶(táo)瓷(cí)坯(pī)體達到(dào)所要(yào)求的(dí)物(wù)理(lǐ)和力學。燒結分為(wéi)固相(xiāng)燒(shāo)結及液相(xiāng)燒結(jié)。具(jù)體可(kě)分(fēn)為常(cháng)壓(yā)燒(shāo)結，熱(rè)壓燒(shāo)結，熱等(děng)靜(jìng)壓燒結(jié)，氣氛(fēn)燒(shāo)結，微(wēi)波燒(shāo)結(jié)，放電(diàn)等(děng)離子(zǐ)體燒(shāo)結等。下(xià)麵介紹幾(jī)種常用燒(shāo)結(jié)技(jì)術(shù)。

2.1熱(rè)等靜(jìng)壓(yā)燒(shāo)結(jié)

熱(rè)等(děng)靜壓 (Hot Isostatic Pressing ，簡(jiǎn)稱 HIP) 工(gōng)藝是(shì)一(yī)種(zhǒng)以氮(dàn)氣(qì)，氬(yà)氣等惰性氣(qì)體為傳(chuán)壓(yā)介質，將(jiāng)製品(pǐn)放置到密閉的(dí)容器中，在900°C~2000 °C溫(wēn)度(dù)和 100~200 MPa 壓力的(dí)共(gòng)同(tóng)作(zuò)用(yòng)下(xià)，向製品(pǐn)施(shī)加各向(xiàng)同等的壓力(lì)，對(duì)製品進行(háng)壓製(zhì)燒結(jié)處理的技術(shù)。根據(jù)帕(pà)斯(sī)卡(qiǎ)原理(lǐ)，作(zuò)用在靜態(tài)液體或(huò)氣體的(dí)外力所(suǒ)產生(shēng)的靜(jìng)壓(yā)力(lì)，將(jiāng)均(jūn)匀(yún)地在(zài)各(gè)個方向(xiàng)上(shàng)傳遞，在其(qí)作用(yòng)的表(biǎo)麵積(jī)上(shàng)所受(shòu)到(dào)的(dí)壓(yā)力與表麵(miàn)積成正(zhèng)比。在(zài)高(gāo)溫高(gāo)壓作(zuò)用(yòng)下(xià)，熱等靜壓(yā)爐(lú)內(nèi)的(dí)包套(tào)軟化並(bìng)收(shōu)縮，擠壓(yā)內部粉末使(shǐ)其與(yǔ)自己一起運動從而達到(dào)坯(pī)體的致(zhì)密(mì)化(huà)。致(zhì)密化(huà)過程(chéng)主要包括粒子靠近(jìn)及重排階段，塑性變(biàn)形(xíng)階段(duàn)，擴散蠕變階段三(sān)個階段。此燒結方法加(jiā)工產品(pǐn)的(dí)致密度高，均匀(yún)性(xìng)好(hǎo)，優異。同(tóng)時該技術具(jù)有(yǒu)生(shēng)產(chǎn)周(zhōu)期(qī)短(duǎn)，工序少，能(néng)耗(hào)低(dī)，材(cái)料損(sǔn)耗(hào)小等特(tè)點(diǎn)。

HIP 技術研(yán)究始(shǐ)於(yú) 1955 年，由(yóu)美國 Battelle 究(jiū)所(suǒ)為研製核(hé)反應堆材料而(ér)開展(zhǎn)的。1965 年(nián)美國(guó) Battelle研(yán)究所(suǒ)研製(zhì)的(dí)第yi台(tái)熱等(děng)靜(jìng)壓機(jī)的(dí)問(wèn)世(shì)，標誌(zhì)著熱(rè)靜壓技術設備的誕生(shēng)。各(gè)國(guó)開始(shǐ)對熱等靜壓(yā)技(jì)術(shù)進行(háng)深入係統的研究。

         T.R. Tsai 等采用(yòng)熱(rè)等(děng)靜壓法(fǎ)製(zhì)備的 Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O3 陶瓷，其因(yīn)數(shù)明(míng)顯低於兩步(bù)法(fǎ)製(zhì)備的陶(táo)瓷李莉等采用(yòng) HIP 技術對 Al 2O3 人工髖關(guān)節(jié)進(jìn)行研究，結(jié)果(guǒ)表明經過熱等(děng)靜壓燒(shāo)結處理(lǐ)後(hòu)，硬度提高(gāo)了8.7%，抗彎強度達(dá)到(dào)了(liǎo) 66 MPa ，密度達到了(liǎo) 3.98 g/cm 3。

經(jīng)過近 60 年(nián)的發展，熱(rè)等靜壓技(jì)術已廣(guǎng)泛(fàn)應(yīng)用(yòng)於陶(táo)瓷的工業化(huà)生(shēng)產(chǎn)。例(lì)如透(tòu)明(míng)燈(dēng)管(guǎn)Al₂O₃，光電傳輸材料 (PLZT) ，無(wú)孔(kǒng)的 Al ₂O₃ 陶瓷(cí)切(qiē)削刀(dāo)具，作(zuò)為表(biǎo)麵(miàn)濾(lǜ)波器的(dí)Pb(ZrTi)O₃基壓電陶(táo)瓷，MoSi 發熱(rè)體，微波應用的(dí)鐵磁(cí)性陶瓷，航空應用(yòng)的碳(tàn)–碳復合材料等。

2.2放電等離(lí)子(zǐ)燒(shāo)結

放(fàng)電(diàn)等離子燒結(jié)技(jì)術(shù) (SPS)是(shì)近年(nián)日(rì)本研(yán)發(fā)出的一種(zhǒng)快速燒結技術，是基於脈(mài)衝(chōng)放電初期粉(fěn)體產(chǎn)生(shēng)的火花放電現象 (瞬間形成(chéng)高溫(wēn)等(děng)離子(zǐ)體(tǐ) )，利(lì)用瞬時高(gāo)溫(wēn)場(cháng)實(shí)現致密化(huà)的快(kuài)速燒(shāo)結技術(shù)。其燒(shāo)結(jié)機理目前還(huán)未達(dá)成(chéng)統一的(dí)認識。但一般說法認為，SPS 過程除(chú)具有熱(rè)壓燒結的焦(jiāo)耳熱和加壓(yā)造(zào)成(chéng)的塑性(xìng)變形促成燒(shāo)結(jié)外(wài)，還在(zài)粉(fěn)體(tǐ)顆粒間產生直(zhí)流脈衝(chōng)電(diàn)壓(yā)，利用粉(fěn)體顆(kē)粒(lì)間放電的自(zì)發熱作(zuò)用(yòng)，才(cái)產(chǎn)生(shēng)了SPS 過程*的(dí)一(yī)些(xiē)現(xiàn)象。相比於(yú)傳統燒結(jié)技(jì)術(shù)，SPS 具有升溫(wēn)速度快，加(jiā)熱時(shí)間(jiān)短，燒(shāo)結溫(wēn)度(dù)低等優(yōu)勢(shì)，可形(xíng)成超細(xì)晶(jīng)粒甚至納米晶粒(lì)材料，同(tóng)時(shí)無明顯各向異(yì)性(xìng)。基於以上(shàng)特點，外(wài)許(xǔ)多(duō)大學(xué)及科研(yán)機構進行了 SPS 技(jì)術製(zhì)備的新(xīn)材(cái)料的(dí)研究(jiū)與開發(fā)，並(bìng)對(duì) SPS技術的(dí)機理(lǐ)及特點進行了探索(suǒ)。

Omori在(zài)利(lì)用 SPS燒結粉體時(shí)發(fā)現，燒(shāo)結過程中(zhōng)形(xíng)成(chéng)的(dí) “放(fàng)電頸部” 及粉末顆粒間(jiān)的(dí)網(wǎng)狀 “橋連”，提出了(liǎo)粉(fěn)末顆粒微區存(cún)在電(diàn)場誘導的(dí)正負極，在脈衝電(diàn)流作用下產(chǎn)生放電激發等離(lí)子體(tǐ)，對(duì)顆粒表(biǎo)麵的淨化作用促進了燒(shāo)結。金屬(shǔ)材料(liào)的 SPS 快(kuài)速致(zhì)密(mì)化(huà)解釋(shì)被借(jiè)用到非(fēi)導電陶瓷材料的(dí)燒結中(zhōng)。Wang等對 SPS 燒結(jié)溫(wēn)度場(cháng)進行模擬(nǐ)分析，認(rèn)為可(kě)能產(chǎn)生(shēng)等(děng)離(lí)子(zǐ)體的區域(yù)為模(mó)腔中電磁場*強的區(qū)域(yù)，燒結(jié)時(shí)可(kě)能產(chǎn)生等(děng)離子體的(dí)時間是(shì)電(diàn)流變化(huà)大的瞬(shùn)間。然而對於(yú)非導電材料SPS 過程中放(fàng)電與等(děng)離子體一(yī)直(zhí)缺乏有力(lì)的(dí)實驗(yàn)佐(zuǒ)證。目前(qián)，一(yī)般(bān)認為(wéi)陶(táo)瓷材料中(zhōng)放電(diàn)/等離(lí)子體(tǐ)並非材(cái)料致密化或(huò)提升(shēng)的(dí)主(zhǔ)要貢獻(xiàn)因素。

Munir 等(děng)*開發了高壓(yā)放(fàng)電等離(lí)子燒結技術，並(bìng)成功製備了(liǎo)相(xiāng)對密(mì)度(dù)大(dà)於(yú)98%，平(píng)均晶粒(lì)尺寸(cùn)約為 10 nm 的(dí)氧(yǎng)化(huà)鋯及(jí)氧化(huà)鈰(shì)陶瓷(cí)。 Xie 等利用(yòng) PL-SPS 技(jì)術(shù)首先合(hé)成了 ZrC 納米(mǐ)粉(fěn)體，並成功(gōng)實現了細(xì)晶(jīng) ZrC 密(mì)實(shí)陶瓷(cí)的低溫製(zhì)備。

SPS 放電(diàn)等離(lí)子燒結(jié)技術可應用(yòng)於陶(táo)瓷(cí)各種(zhǒng)領(lǐng)域，例(lì)如耐(nài)腐蝕，耐(nài)磨(mó)擦(cā)陶瓷材料(liào)，超硬陶瓷(cí)工(gōng)具，梯(tī)度功(gōng)能(néng)及復(fù)合陶瓷(cí)材料，非平(píng)衡(héng)新材料(liào)，模(mó)具等。隨(suí)著研究(jiū)的不斷深入(rù)，諸(zhū)如電(diàn)場對SPS 過程的促進作用(yòng)，非導體陶瓷(cí)密實化機理等(děng)基(jī)礎性學科問(wèn)題(tí)將(jiāng)得到(dào)解決(jué)，未(wèi)來放(fàng)電(diàn)等離子燒(shāo)結(jié)技術(shù)將迎(yíng)來廣闊(kuò)的(dí)應(yīng)用前(qián)景(jǐng)。

2.3微(wēi)波燒(shāo)結(jié)

微波燒(shāo)結是(shì)利用微波電磁場(cháng)中(zhōng)陶(táo)瓷材料的介質損(sǔn)耗(hào)而使(shǐ)材料至燒結溫度從(cóng)而實現陶(táo)瓷(cí)的燒(shāo)結及致密化。微波燒結時(shí)材料吸(xī)收(shōu)微波轉(zhuǎn)為材料(liào)內部(bù)分(fēn)子的(dí)動能和(hé)勢(shì)能，使材料(liào)整(zhěng)體加熱(rè)均(jūn)匀， 內部(bù)溫度梯度(dù)小，加熱(rè)和燒結速度(dù)快。可實現低溫快速(sù)燒結，顯著(zhù)提(tí)高陶(táo)瓷(cí)材料的(dí)力(lì)學。另(lìng)外(wài)，微(wēi)波燒結無需(xū)熱源(yuán)，高效(xiào)節(jié)能。生(shēng)產效(xiào)率(shuài)高，單(dān)件成本低(dī)。其(qí)在陶瓷材料(liào)製(zhì)備領域具(jù)有(yǒu)廣闊的應用前景，為製備亞米(mǐ)級(jí)甚至(zhì)微(wēi)米級(jí)陶瓷材料提(tí)供(gōng)了途(tú)徑。

20 世紀(jì) 60 年(nián)代中(zhōng)期微(wēi)波燒(shāo)結技(jì)術提(tí)出，70 年代以(yǐ)來，外對微波(bō)燒結(jié)技(jì)術(shù)進(jìn)行了(liǎo)係統(tǒng)的(dí)研究，包(bāo)括燒結(jié)機(jī)理，裝(zhuāng)置(zhì)優(yōu)化，介(jiè)電參(cān)數，燒結(jié)工(gōng)藝(yì)等。

Zuo 等(děng)用微波燒(shāo)結 Al₂O₃ 發現，減小原(yuán)始(shǐ)顆粒(lì)尺寸(cùn)或添加(jiā)Mgo可顯著提高材料的致(zhì)密化速(sù)率(shuài)，且(qiě)燒結後可得(dé)到(dào)細(xì)小(xiǎo)晶粒微觀(guān)結構(gòu)。Cheng等(děng)利(lì)用微波燒結Al ₂O_3-TiC 時發現，材料(liào)的密(mì)度(dù)，斷(duàn)裂韌度(dù)，硬度(dù)強(qiáng)烈依(yī)賴於溫度，1600℃燒(shāo)結(jié)，相(xiāng)對密(mì)度達到(dào) 99%，1700℃時(shí)相(xiāng)對密度(dù)達(dá)到(dào) 99.2%。Demirskyi等(děng)通過微波兩步(bù)燒(shāo)結法 (1180 ℃，保溫(wēn) 5 min；1100℃，保溫(wēn) 3 min) ，製(zhì)備(bèi)了晶(jīng)粒(lì)尺寸(cùn)為(wéi) 94 nm 的 TiN陶(táo)瓷(cí)，其斷裂(liè)韌度(dù)及維(wéi)氏(shì)硬度(dù)分別為(wéi) 3.6 MPa m1/2 和 22.1 GPa。

90 年代後期，微波燒(shāo)結進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段(duàn)。微波(bō)燒(shāo)結(jié)技術(shù)被用(yòng)來生產光(guāng)纖材料的(dí)原件(jiàn)，鐵氧(yǎng)體(tǐ)，超導(dǎo)材(cái)料，氫(qīng)化鋰，納(nà)米材料等(děng)各類材料(liào)。加(jiā)拿(ná)大(dà)Index Tool 公(gōng)司利用微波燒結製造(zào) Si₃N₄刀具(jù)。美國，加拿(ná)大等國采用(yòng)微(wēi)波(bō)燒(shāo)結(jié)來批量(liáng)製(zhì)造火(huǒ)花(huā)塞瓷，ZrO₂， Si₃N₄， SiC， Al ₂O_3-TiC 等。但微(wēi)波燒結技(jì)術現(xiàn)還未達到(dào)成熟(shú)的(dí)工業化(huà)水(shuǐ)平(píng)，需要(yào)針對介電等基(jī)礎參數(shù)測定(dìng)及數(shù)據庫建立，燒(shāo)結致(zhì)密機(jī)理，微觀(guān)組(zǔ)織演化(huà)過(guò)程(chéng)，爐(lú)體結構及保溫(wēn)裝置等進(jìn)行(háng)深入(rù)的研究，促(cù)進陶(táo)瓷(cí)材(cái)料(liào)微波(bō)燒(shāo)結向產業(yè)化發(fā)展。

2.4自蔓(màn)延(yán)燒結(jié)

自蔓(màn)延高溫合成 (SHS)是二十(shí)世紀中期出現(xiàn)的一種(zhǒng)材(cái)料製備技術(shù)，由前蘇聯科(kē)學(xué)家 Merzhanov 提(tí)出的一種(zhǒng)材料燒(shāo)結(jié)工藝。此方(fāng)法是基於放(fàng)熱(rè)化(huà)學反應(yīng)的原(yuán)理(lǐ)，利用(yòng)外部(bù)能(néng)量誘發局部發(fā)生化(huà)學反應(yīng)，形(xíng)成化學(xué)反應前(qián)沿 (燃(rán)燒波 )，此(cǐ)後，化(huà)學反應在(zài)自身放出熱量的支持(chí)下繼續進行，隨著(zhuó)燃(rán)燒(shāo)波的推(tuī)進，燃(rán)燒蔓(màn)延至(zhì)整(zhěng)個(gè)體(tǐ)係，合成(chéng)所需材料。該(gāi)方法設備，工(gōng)藝(yì)簡單(dān)，反應迅(xùn)速，產品純度(dù)高(gāo)，能(néng)耗(hào)低。適用於(yú)合成(chéng)非化(huà)學(xué)計(jì)量(liáng)比的(dí)化合物，中(zhōng)間產物及亞(yà)穩(wěn)定(dìng)相(xiāng)等。

20 世紀 80 年代以來，自蔓(màn)延(yán)燒結技術得到了(liǎo)飛(fēi)速(sù)發展，並(bìng)成功(gōng)應用到(dào)工業化生產，與許(xǔ)多其(qí)他(tā)領(lǐng)域(yù)技術(shù)結合，形成了(liǎo)一(yī)係列(liè)相(xiāng)關(guān)技術，例如(rú)，SHS 粉體合成(chéng)技(jì)術，SHS燒(shāo)結技(jì)術(shù)，SHS 致密(mì)化技(jì)術，SHS冶金技(jì)術等(děng)。

中(zhōng)南(nán)大(dà)學郭睿倩等(děng)將(jiāng)溶(róng)膠(jiāo) -凝(níng)膠(jiāo)法(fǎ)與自蔓延技(jì)術(shù)結合(hé)， 製備出(chū)了稀土摻雜鋇鐵氧(yǎng)體(tǐ) BaLaxFe _12-xO₉超細微粉，粉(fěn)末粒徑小於(yú) 300 nm，其(qí)中(zhōng) La 3+的加入可明顯改變 BaFe₁₂O₁₉ 的(dí)電磁。遼(liáo)寧工(gōng)程(chéng)技術大(dà)學陳永君等(děng)使用(yòng) HL-1500 無(wú)氦橫流(liú) CO₂ 激光(guāng)加工機(jī)成功製備(bèi)了(liǎo)Fe-Al 合(hé)金，並(bìng)研(yán)究了原料(liào)配(pèi)比(bǐ)對合金(jīn)的影(yǐng)響(xiǎng)，當 70at%Al 時，試(shì)樣(yàng)的(dí)顯微(wēi)硬(yìng)度大。當(dāng) 50at%Al 時，試驗(yàn)的(dí)耐磨性*好。張力利(lì)用自(zì)蔓(màn)延(yán)高溫合成法(fǎ)製(zhì)備(bèi)了碳化硼陶(táo)瓷，平均粒徑(jìng)為100 nm。

SHS 技術可用(yòng)於(yú)合成(chéng)納米材(cái)料，準(zhǔn)晶(jīng)和(hé)非準(zhǔn)晶材料(liào)，氧化功能材料等。可用(yòng)於製作(zuò)保護(hù)塗(tú)層，研磨(mó)膏，拋(pāo)光(guāng)粉，刀具(jù)，加(jiā)熱(rè)元器件(jiàn)，形狀記(jì)憶合金(jīn)，陶瓷 -金屬(shǔ)的(dí)焊(hàn)接等。但 SHS 的工(gōng)藝(yì)研(yán)究還需進(jìn)一步深化，加(jiā)強對產品致密(mì)化，一(yī)步淨(jìng)成(chéng)型(xíng)製品(pǐn)等工藝(yì)的研究。充(chōng)分發(fā)揮其高(gāo)效，節(jié)能(néng)的優(yōu)點(diǎn)，使其從(cóng)實(shí)驗階段(duàn)邁(mài)向(xiàng)工業(yè)化生(shēng)產。

陶瓷燒(shāo)結(jié)技術的發展直接影響著陶(táo)瓷(cí)材(cái)料(liào)的進展，是陶瓷製品成(chéng)品中(zhōng)*的(dí)關鍵(jiàn)一步(bù)。近(jìn)些年發(fā)展(zhǎn)起來(lái)的(dí)燒(shāo)結新(xīn)技術都存在(zài)的(dí)各自的優勢與(yǔ)劣勢(shì)，與工(gōng)業(yè)化(huà)，大規(guī)模應(yīng)用存(cún)在(zài)著(zhuó)一(yī)定的距(jù)離(lí)。所以(yǐ)對於燒(shāo)結(jié)技術的改(gǎi)進(jìn)優(yōu)化及(jí)新技術(shù)的研(yán)究(jiū)還需(xū)要進一步深入(rù)。燒結技(jì)術(shù)的(dí)改(gǎi)進，等研究主(zhǔ)要集(jí)中在(zài)以(yǐ)下(xià)幾(jī)點：

(1)機理(lǐ)，工(gōng)藝等(děng)基礎理(lǐ)論研(yán)究需要加(jiā)強；

(2)反應可控，可(kě)生(shēng)成規(guī)定尺寸(cùn)或功(gōng)能的(dí)陶瓷(cí)，精(jīng)細化生(shēng)產；

(3)節能環保，成(chéng)本(běn)低(dī)；

(4)可(kě)應用工業(yè)化大(dà)批(pī)量生產。