特種陶瓷熱壓燒結技術及應用大起底

近幾十年來，在陶瓷燒結工藝方面，能夠研制生產出許多高性能的新材料。各種新型工藝種類繁多、其裝備結構與操作過程有很大差別。但各種燒結工藝都不外乎尋求更多的推動力激活能。其作用是促進高溫作用下的物質傳遞過程或晶粒定向、致密化等過程。推動力激活能主要包括：表面自由能的下降、化學勢的下降、相變及其化學反應活性的應用和外加機械力、電場、磁場、超聲波等能量的應用。而應用最廣泛的是外加機械的推動作用—熱壓燒結。

燒結是粉末或生坯在高溫下的致密化過程和現象的總稱。具體來說，就是隨著溫度的上升和時間的延長，固體顆粒相互鍵聯，晶粒長大，空隙（氣孔）和晶界漸趨減少，通過物質的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為堅硬的只有某種顯微結構的多晶燒結體，這種現象稱為燒結。

固相燒結(solidstatesintering)是指松散的粉末或經壓制具有一定形狀的粉末壓坯被置于不超過其熔點的設定溫度中在一定的氣氛保護下，保溫一段時間的操作過程。所設定的溫度為燒結溫度，所用的氣氛稱為燒結氣氛，所用的保溫時間稱為燒結時間。

燒結過程可以分為兩大類：不加壓燒結（不施加外壓力的燒結）和加壓燒結（施加外壓力的燒結）。對松散粉末或粉末壓坯同時施以高溫和外壓，就是所謂的加壓燒結。

熱壓燒結(HotPressingSintering，HPS)是在燒結過程中同時施加一定的外力（根據模具材料所能承受的強度，一般壓力在10~40MPa），使材料加速流動、重排和致密化。熱壓燒結溫度比常壓燒結低100℃~150℃左右，但熱壓燒結推動力卻比常壓燒結大20~100倍。

熱壓燒結的優點

熱壓燒結的缺點

熱壓燒結的生產工藝可以分為：真空熱壓、氣氛熱壓、熱等靜壓、反應熱壓、震動熱壓、均衡熱壓、超高壓燒結等。下面我們簡單介紹幾種。

對于空氣中很難燒結的制品（如透光體或非氧化物），為防止其氧化等，研究了氣氛燒結方法。即在爐膛內通入一定氣體，形成所要求的氣氛，在此氣氛下進行燒結。而真空熱壓則是將爐膛內抽成真空。

先進陶瓷中引人注目的Si₃N₄、SiC等非氧化物，由于在高溫下易被氧化，因而在氮及惰性氣體中進行燒結。對于在常壓下易于氣化的材料，可使其在稍高壓力下燒結。

熱等靜壓燒結(hotisostatic pressing,HIP)是指對裝于包套之中的松散粉末加熱的同時對其施加各向同性的等靜壓力的燒結過程。熱等靜壓的壓力傳遞介質為惰性氣體。熱等靜壓工藝是將粉末壓坯或裝入包套的粉料放入高壓容器中，使粉料經受高溫和均衡壓力的作用，被燒結成致密件。

圖2 熱等靜壓燒結爐

熱等靜壓強化了壓制和燒結過程。降低燒結溫度，消除空隙，避免晶粒長大，可獲得高的密度和強度。同熱壓法比較，熱等靜壓溫度低，制品密度提高。

這是針對高溫下在粉料中可能發生的某種化學反應過程。因勢利導，加以利用的一種熱壓燒結工藝。也就是指在燒結傳質過程中，除利用表面自由能下降和機械作用力推動外，再加上一種化學反應能作為推動力或激活能。以降低燒結溫度，亦即降低了燒結難度以獲得致密陶瓷。

熱壓燒結的致密化過程可以分為三個部分：熱壓初期、熱壓中期和熱壓后期。

  圖3 熱壓及常壓燒結的致密化過程對比

熱壓初期

熱壓中期

熱壓后期

熱壓燒結設備的結構是按加熱和加壓方法，所采用的氣氛以及其他因素來劃分的。

在熱壓過程中通常利用電加熱。最普通的方法有：對壓?；驘闪贤娭苯蛹訜?；將壓模放在電爐中對其進行間模加熱；對導電壓模進行直接感應加熱；把非導電壓模放在導電管中進行感應加熱。

 圖4 各種加熱方式熱壓示意圖

熱壓燒結與常壓燒結相比，燒結溫度要低得多，而且燒結體中氣孔率低，密度高。由于在較低溫度下燒結，就抑制了晶粒的生長，所得的燒結體晶粒較細，并具有較高的機械強度。熱壓燒結廣泛地用于在普通無壓條件下難致密化的材料的制備及納米陶瓷的制備。

在現代材料工業中，用粉體原料燒結成型的產業有兩類，一個是粉末冶金產業，一個是特種陶瓷產業。所使用的燒結工藝方法主要有兩種，一種是冷壓成型然后燒結：另一種是熱壓燒結。實驗證明，采用真空熱壓燒結可以使產品無氧化、低孔隙、少雜質、提高合金化程度，從而提高產品的綜合性能。