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A12O3陶瓷的烧结方法正确地选择烧结方法,是使Al2O3陶瓷具有理想的结构及预定性能的关键。如在通常的大气条件下(无特殊气氛、常压下)烧结,无论怎 样选择烧结条件,也很难获得无气孔或高强度制品。下面简介几种A12O3陶瓷及其特种陶瓷的烧结工艺方法。 低温烧结在尽可能低的温度下制备陶瓷是人们早有的愿望,这种方法可以降低能耗,使烧结成本降低。低温烧结方法主要有以下两种。(1)引入添加剂这种子选手方法根据添加剂作用机理可分为如下两类:一是添加剂的引入使晶格空位增加,易于扩散,烧结速度加快;二 是添加剂的引入使液相在较低的温度下生成,出现液相后晶体能作粘性流动,因而促进了烧结。当不存在液相时,陶瓷粉料通常是通过传 质而烧结的。实际上,理想晶体是不存在的,晶体总是存在一定数量的空位,颈部的空位浓度高,其它的部分空位浓度低,空位浓度梯度 的存在,导致空位浓度高的部分(通常是两颗粒的接界处-颈部)向空位浓度低的部分扩散,而质点(离子)向相反方向扩散,使物料 易于烧结,A12O3添加TiO2、MgO、MnO等添加剂后,就显着地促进了烧结。(2)使用易于烧结的粉料易于烧结的粉料制备方法大致分为以下两类:a通过粉料制备工艺规程;b特殊粉料制备法。这里所指的制备工艺过程是粉料的化学组成、 制备条件、煅烧条件、粉碎条件等。由于这些工艺过程的变化,使所得的陶瓷粉料的烧结性能发生微妙的变化。总之,随着粉末颗粒的微 细化,粉体的显微结构和性能将会发生很大的变化,尤其是对微米、纳米级的粉体来说,它在内部压力、表面活性等方面都会有意想不到 的性能。因此在加速粉料在烧结过程中的动力学过程、降低烧结温度和缩短烧结时间; .热压烧结如果加热粉体同时进行加压,那么烧结主要取决塑性流动,而不是扩散。对于同种材料而言,压力烧结与常压烧结相比,烧结温度低的多, 而且烧结体中气孔率也低。另外,由于在较低的温度下烧结,就抑制了晶粒成长,所得的烧结体致密,且具有较高的强度(晶粒细小的陶 瓷,强度较高)。在热压中最重要的是模型材料的选择,使用最广泛的模型材料是石墨,但因目的的不同也有使用氧化铝和氮化硅的,最近还开发了纤维增 强的石墨模型,这种模型壁薄,可经受30-50MPa的压力,下表列出了单轴加压的热压模型材料。模型材料最高使用温度/C最高使用压力/MPa备注石墨250070中性气氛氧化铝1200210氧化锆1180机械加工困难,抗热冲击性弱,易产生蠕变氧化铍1000105碳化硅1500280碳化钽120056机械加工困难,有反应性,价高碳化钨140070碳化钛二硼化钛1200105钨1500245机械加工困难,价高,易氧化,易产生蠕变钼110021耐腐蚀高温镍合金不锈钢1100易产生蠕变加热方式几乎都采用高频感应方法,对于性能好的模型,可采用低电压、大电流的直接加热方式。热压法的缺点是加热、冷却时间长,而 且必须进行后加工,生产效率低,只能生产形状不太复杂的制品。如我们用热压法制备强度很高的陶瓷车刀等。就A12O3陶瓷烧结体而言, 常压烧结制品的抗折强度约为350MPa,热压制品的抗折强度约为700MPa左右。 高温等静压法高温等静压(HIP)法,就受等静压作用这一点而言,类似于成形方法中所述的橡皮模加压成形。调温等静压法中用金属箔代替橡皮模, 用气体代替液体,使金属箔内的粉料均匀受压,如上图所示,通常所用的气体为氦气、氩气等惰性气体,模具材料有金属箔(低碳钢、镍、 钼)、玻璃等。也可先在大气压下烧成具有一定形状的非致密体,然后进行调温等静压烧结(可不用金属箔模具)。一般在100-300MPa 气压下,将被处理物体升到几百到二千摄氏度的高温下压缩烧结。HIP法和一般的热压法相比,HIP法使物体各向受到同性的压力,因而陶瓷的显微结构均匀,另外,HIP法施加的压力高,这样就能使陶 瓷坯体在较低的温度下烧结。就Al2O3陶瓷而言,常压下普通烧结,必须烧至1800r以上的高温,热压20MPa烧结也需要烧至1500C左右;而在HIP (400MPa) 烧结,在1000C左右的较低温度下就已致密化了。 气氛烧结对于空气中很难烧结的制品为了防止其氧化等,研究和提出了气氛烧结方法,即在炉膛内通入一定气体,形成所要求的气氛,在些气氛下 进行烧结。 其它烧结方法随着科学不断发展,特种陶瓷的烧结方法不断地推出,如:(1)电场烧结:即把陶瓷胚体在直流电场下烧结。(2)超高压烧结:即在几 十万个以上的大气压下进行烧结。其特点是,不仅能够使材料达到高密度、具有细晶粒,而且使晶粒结构甚至原子、电子状态发生变化, 从而赋予材料在通常烧结或热压烧结工艺下所达不到的活性。
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