陶瓷烧成过程

发布时间： 2013-7-20

  烧结（sintering）是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其具体的定义是指随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体，这种现象称为烧结。烧结是减少成形体中气孔，增强颗粒之间结合，提高机械强度的工艺过程。
1、 在烧结过程中，随着温度升高和热处理时间延长，气孔不断减少，颗粒之间结合力不断增加，当达到一定温度和一定热处理时间，颗粒之间结合力呈现极大值。超过极大值后，就出现气孔微增的倾向，同时晶粒增大，机械强度减小。
2、在热力学上，烧结是指系统总能量减少的过程。 
一、材料参数对烧结的影响

(1)烧结参数对于烧结样品性能的影响：

1)烧成参数
1、20-200℃预热排除残余水分
2、200-500℃排除结构水
3、500-600℃石英晶型转化：β-SiO2→α-SiO2，体积膨胀控制不当（温度不均）导致开裂
4、600-1050℃氧化阶段：硫化铁、有机物中碳的氧化，碳酸盐分解等
5、1050-1200℃还原阶段：氧化铁还原为氧化亚铁
6、1200-1300℃烧结阶段：
7、冷却阶段：①1300-700℃急冷段②700-400℃缓冷段石英晶型转化③400-80℃
2）烧成制度的确定原则 包括：温度制度、气氛制度、压力制度
1、合理的温度变化速率：考虑制品内部温度均匀及物理-化学变化所需时间
2、适宜的保温时间
3、气氛控制：
4、合理的压力制度：
2)颗粒形状对烧结的影响：只有在大量液相存在的情况下，才能使具有一定棱角形状的陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。在烧结过程中，球形颗粒易于运动，颗粒间不易形成拱桥，降低空隙度，有利于致密化。在烧结过程中，球形颗粒易于运动，颗粒间不易形成拱桥，降低空隙度，有利于致密化。片状结构，易造成颗粒在坯体中呈取向排列，成型时不紧密，烧结时在一个方向上收缩大，而与之垂直的方向上收缩小，产生裂纹，致密度下降。异形结构的颗粒在烧结时，颗粒间的附着力较大，且互相啮合，颗粒间不易运动，坯体中空隙多，制品致密度差。
3)颗粒尺寸分布对烧结的影响：颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力学过程来研究，即分析由不同尺寸分布的坯体内部，在烧结过程中“拉出气孔”（pore drag）和晶粒生长驱动力之间力的平衡作用。研究表明，较小的颗粒尺寸分布范围是获取高烧结密度的必要条件。

二、影响陶瓷材料烧结的工艺参数

1)烧成温度对产品性能的影响：烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即操作时的止火温度。烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸和数量。对固相扩散或液相重结晶来说，提高烧成温度是有益的。然而过高的烧成温度对特瓷来说，会因总体晶粒过大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，因而产品的机电性能变差。
2)保温时间对产品性能的影响：在烧成的最高温度保持一定的时间，一方面使物理化学变化更趋完全，使坯体具有足够液相量和适当的晶粒尺寸，另一方面组织结构亦趋均一。但保温时间过长，则晶粒溶解，不利于在坯中形成坚强骨架，而降低机械性能。
3)烧成气氛对产品性能的影响：气氛会影响陶瓷坯体高温下的物化反应速度，体积变化，晶粒尺寸与气孔大小，甚至相组成。
4)升温与降温速度对产品性能的影响：普通瓷坯在快 速加热时因液相产生，气孔率减少而形成的收缩要比缓慢加热时的小。冷却制度不同，性能可能会有较大不同。

三、烧结机理

1、 在烧结过程中，主要发生晶粒和气孔尺寸及其形状的变化。
2、  在表面能减少的推动力下，物质通过不同的扩散途径向颗粒间的颈部和气孔部位填充，使颈部渐渐长大，并逐步减少气孔所占的体积，细小的颗粒之间开始逐渐形成晶界，并不断扩大晶界的面积，使坯体变得致密化。在这个相当长的过程中，连通的气孔不断缩小：两个颗粒之间晶界与相邻的晶界相遇，形成晶界网络；晶界移动，晶粒逐步长大。其结果是气孔缩小，致密化程度提高，直至气孔相互不再连通，形成孤立的气孔分布于几个晶粒相交的位置。如图所示

  这时坯体的密度达到理论密度的90％以上，烧结前期到此结束。接着进入烧结后期阶段。进入烧结后期阶段，孤立的气孔扩散到晶界上消除，或者说晶界上的物质继续向气孔扩散填充，使致密化继续进行，同时晶粒继续均匀长大，一般气孔随晶界一起移 动，直至致密化，得到致密的陶瓷材料，此后，如继续在高温下烧结，就是单纯的晶界移动，晶粒长大过程了。晶粒长大不是小晶粒的互相粘结，而是晶界移动的结果。陶瓷坯体烧结后在宏观上的变化是：体积收缩、致密度提高、强度增加。因此烧结程度可以用坯体的收缩率、气孔率或体积密度与理论密度之比值等指标来衡量。泰曼指出，纯物质的烧结与其熔点间有一近似关系。如金属粉末的开始烧结温度约为0.3 ～ 0.4Tm(熔点)，无机盐类约为0.57Tm，硅酸盐类约为0.8～0.9Tm。由此可见，开始烧结温度都低于其熔融温度。固体粉末的烧结与固相反应不同，前者主要突出物理变化，而后者则为化学反应。从结晶化学观点来看，烧结体除宏观形态变化及晶粒生长，气孔形状改变外，还有掺杂物固溶或偏析等微观结构变化。另外，固相反应、分解反应、新相的产生、晶型转变等往往也伴随烧结过程出现。而主晶相在显微组织上排列得更致密，结晶程度更为完善。在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关：
① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物
② 材料中存在较高的各向异性的界面能，例如固/液界面能或者是薄膜的表面能等
③ 材料内存在较高的化学不平衡性。