精細陶瓷燒結主要有以下幾種技術方法:
(1)常壓燒結:又稱無壓燒結。屬于在大氣壓條件下坯體自由燒結的過程。在無外加動力下材料開始燒結,溫度一般達到材料的熔點0.5-0.8即可。在此溫度下固相燒結能引起足夠原子擴散,液相燒結可促使液相形成或由化學反應產(chǎn)生液相促進擴散和粘滯流動的發(fā)生。常壓燒結中準確制定燒成曲線至關重要。合適的升溫制度方能保證制品減少開裂與結構缺陷現(xiàn)象,提高成品率。
(2)熱壓燒結與熱等靜壓燒結:熱壓燒結指在燒成過程中施加一定的壓力(在10~40MPa),促使材料加速流動、重排與致密化。采用熱壓燒結方法一般比常壓燒結溫度低100oC左右,主要根據(jù)不同制品及有無液相生成而異。熱壓燒結采用預成型或將粉料直接裝在模內(nèi),工藝方法較簡單。該燒結法制品密度高,理論密度可達99%,制品性能優(yōu)良。不過此燒結法不易生產(chǎn)形狀復雜制品,燒結生產(chǎn)規(guī)模較小,成本高。
連續(xù)熱壓燒結生產(chǎn)效率高,但設備與模具費用較高,又不利于過高過厚制品的燒制。熱等靜壓燒結可克服上述弊缺,適合形狀復雜制品生產(chǎn)。目前一些高科技制品,如陶瓷軸承、反射鏡及軍工需用的核燃料、槍管等、亦可采用此種燒結工藝。
(3)反應燒結:這是通過氣相或液相與基體材料相互反應而導致材料燒結的方法。最典型的代表性產(chǎn)品是反應燒結碳化硅和反應燒結氮化硅制品。此種燒結優(yōu)點是工藝簡單,制品可稍微加工或不加工,也可制備形狀復雜制品。缺點是制品中最終有殘余未反應產(chǎn)物,結構不易控制,太厚制品不易完全反應燒結。
除碳化硅、氮化硅反應燒結外,最近又出現(xiàn)反應燒結三氧化二鋁方法,可以利用Al粉氧化反應制備Al2O3和Al2O3-Al復合材料,材料性能好。
(4)液相燒結:許多氧化物陶瓷采用低熔點助劑促進材料燒結。助劑的加入一般不會影響材料的性能或反而為某種功能產(chǎn)生良好影響。作為高溫結構使用的添加劑,要注意到晶界玻璃是造成高溫力學性能下降的主要因素。如果通過選擇使液相有很高的熔點或高粘度。或者選擇合適的液相組成,然后作高溫熱處理,使某些晶相在晶界上析出,以提高材料的抗蠕變能力。
(5)微波燒結法:系采用微波能進行直接加熱進行燒結的方法。目前已有內(nèi)容積1立方米,燒成溫度可達1650oC的微波燒結爐。如果使用控制氣氛石墨輔助加熱爐,溫度可高達2000oC以上。并出現(xiàn)微波連續(xù)加熱15米長的隧道爐裝置。使用微波爐燒結精細陶瓷,在產(chǎn)品質(zhì)量與降低能耗方面,均比其它窯爐優(yōu)越。
(6)電弧等離子燒結法:其加熱方法與熱壓不同,它在施加應力同時,還施加一脈沖電源在制品上,材料被韌化同時也致密化。實驗已證明此種方法燒結快速,能使材料形成細晶高致密結構,預計對納米級材料燒結更適合。但迄今為止仍處于研究開發(fā)階段,許多問題仍需深入探討。
(7)自蔓延燒結法:是通過材料自身快速化學放熱反應而制成精密陶瓷材料制品。此方法節(jié)能并可減少費用。國外有報道說可用此法合成200多種化合物,如碳化物、氮化物、氧化物、金屬間化合物與復合材料等。
(8)氣相沉積法:分物理氣相法與化學氣相法兩類。物理法中最主要有濺射和蒸發(fā)沉積法兩種。濺射法是在真空中將電子轟擊一平整靶材上,將靶材原子激發(fā)后涂覆在樣品基板上。雖然涂覆速度慢且僅用于薄涂層,但能夠控制純度且底材不需要加熱。
化學氣相沉積法是在底材加熱同時,引入反應氣體或氣體混合物,在高溫下分解或發(fā)生反應生成的產(chǎn)物沉積在底材上,形成致密材料。此法的優(yōu)點是能夠生產(chǎn)出高致密細晶結構,材料的透光性及力學性能比其它燒結工藝獲得的制品更佳。
隨著微電子、數(shù)據(jù)存儲、先進顯示與光學涂層越來越多的需求,對精密陶瓷薄膜的需求大幅增長。
社會需求與高科技發(fā)展是精密陶瓷燒結水平不斷提高與優(yōu)化的原動力,精密陶瓷燒結技術將不斷取得新進步。