特种陶瓷材料快速烧结新技术研究

特种陶瓷作为工程材料的重要组成部分具有广阔的工业应用前景。传统烧结方法制备的特种陶瓷晶粒粗大且性能较差,高耗能和高耗时的特点也不符合绿色可持续发展的要求。快速烧结新技术的发展为这一难题提供了解决方法,利用快速烧结技术,陶瓷材料的制备时间和能耗大大降低,同时其在烧结过程中的晶粒生长也受到抑制,材料性能得以优化。主要围绕放电等离子体烧结(SPS)、高温自蔓延烧结(SHS)和基于这两种技术发展的烧结新方法(SPS Plus, SHS Plus),从烧结机理和实际应用的角度总结了特种陶瓷材料快速烧结新技术的发展。研究表明快速烧结新方法在快速制备、陶瓷连接、梯度和纳米陶瓷制备方面有独特的技术优势。     

液相烧结氧化铝陶瓷的致密化机理

以CaO-MgO-SiO2玻璃为烧结助剂,对液相烧结Al2O3陶瓷的致密化机理进行了研究.研究结果表明,烧结助剂可显著促进Al2O3陶瓷的致密化,其致密度随烧结助剂含量的增加而提高,液相烧结激活能为265kJ/mol,表明扩散控制为其致密化机理.     

冷烧结技术的研究现状及发展趋势

采用常规热烧结实现陶瓷粉体的致密化,烧结温度通常超过1000℃,这不仅需要消耗大量能源,还会使一些陶瓷材料在物相稳定性、晶界控制以及与金属电极共烧等方面面临挑战。近年来提出的冷烧结技术(Cold Sintering Process,CSP)可将烧结温度降低至400℃以下,利用液相形式的瞬态溶剂和单轴压力,通过陶瓷颗粒的溶解-沉淀过程实现陶瓷材料的快速致密化。冷烧结技术具有烧结温度低和时间短等特点,自开发以来受到广泛关注,目前已应用于近百种陶瓷及陶瓷基复合材料,涉及电介质材料、半导体材料、压敏材料和固态电解质材料等。本文介绍了冷烧结技术的发展历程、工艺技术及其致密化机理,对其在陶瓷材料及陶瓷-聚合物复合材料领域的研究现状进行了综述,其中根据溶解性的差异主要介绍了Li₂MoO₄陶瓷、ZnO陶瓷和BaTiO₃陶瓷的冷烧结现状。针对冷烧结技术工艺压力高的问题及可能的解决途径进行了探讨,并对冷烧结技术未来的发展趋势进行了展望。     

利用传统电炉低温烧结致密Si3N4陶瓷

Si3N4陶瓷具有高硬度、高耐磨以及高抗弯强度等优异特性,常常被应用于冶金、化工以及航空航天等现代化领域.Si3 N4的强共价键使其难以致密化,因此热压烧结和气压烧结是目前制备致密Si3 N4陶瓷最常见的方法.然而极高的烧结温度以及较大的N2压力需求等极其苛刻的制备条件限制了致密Si3 N4陶瓷的基础探索研究和工业化生产应用.因此,本工作提出设计以传统空气电炉作为烧结装置,通过埋碳低温制备致密Si3 N4陶瓷,研究该工艺条件下实验用坩埚、填埋Si3 N4粉体以及烧结试样的物相变化和微观结构,结果表明:(1)Si3 N4的分解使得坩埚表层生成不规则的SiC纤维堆积,较低的氧分压使所埋Si3 N4粉体经烧结后仍存在较多Si3 N4和少量Si2 N2 O;(2)烧结后的试样仅表面存在少量Si2 N2 O,而试样内部并未出现Si2 N2 O相;(3)1650℃低温烧结后试样致密度达到98％以上,显微组织均匀,且具有良好的性能.     

La2NiMnO6双钙钛矿陶瓷的等离子活化烧结

针对常压烧结La₂NiMnO₆ (简称LNMO)双钙钛矿陶瓷存在的烧结温度高、致密度低、工艺周期长等问题, 采用等离子活化烧结技术(Plasma Activated Sintering, 简称PAS)制备LNMO陶瓷, 主要研究了烧结工艺(温度、压力) 对其物相结构、显微形貌、致密度和介电性能的影响, 以期得到物相单一、结构致密、性能良好的LNMO双钙钛矿陶瓷。利用X射线衍射仪、阿基米德排水法、扫描电子显微镜、阻抗分析仪等手段, 系统测试表征了LNMO陶瓷的结构与性能。结果表明: 升高烧结温度有利于改善LNMO陶瓷的结晶性并增大晶粒尺寸, 但过高温度会导致杂相生成; 增大烧结压力对物相无明显影响, 但在一定程度上提升了致密度。确定了较适宜的PAS条件为: 烧结温度975~1000 ℃、烧结压力80 MPa, 在此条件下烧结得到的LNMO陶瓷为单一的正交结构, 致密度为92%, 具有较大的介电常数(~10 ⁶)。与常压烧结相比, 等离子活化技术集等离子体活化、压力、电阻加热为一体, 可在更低温度(降低400~500 ℃)和更短时间(缩短2~20 h)内获得较为致密的LNMO陶瓷。     

无压烧结制备高致密度AlN-BN复合陶瓷

以低温燃烧合成前驱物制备的比表面积为17.4m²/g的AlN粉末和市售BN粉末为原料, 利用无压烧结工艺制备AlN-15BN复合陶瓷, 研究了复合陶瓷的烧结行为以及制备材料的性能, 结果表明: 由于AlN粉末的烧结活性好, 复合材料的烧结致密化温度主要集中在1500～1650℃之间, 在1650℃烧结后, AlN-15BN复合陶瓷的相对密度可达95.6%. 继续升高烧结温度, 材料的致密度变化不大, 热导率继续增加. 在1850℃烧结3h后, 可以制备出相对密度为96.1%, 热导率为132.6W·m^-1·K^-1, 硬度为HRA64.2的AlN-15BN复合陶瓷. 提出了高比表面积的AlN粉末促进复合陶瓷烧结的机理, 利用XRD, SEM等手段对烧结体进行了表征.     

用于烧结碳化硼陶瓷的低温快速直流烧结设备

碳化硼新型陶瓷具有低密度、高硬度、高模量等优良特性,被广泛用来制造军工防弹装甲、航天核能材料。本文总结与分析了目前烧结碳化硼陶瓷的主要烧结方法,并就本公司研发的用于快速低温烧结碳化硼陶瓷的DCS烧结炉主要结构、参数与控制系统进行了说明与介绍,并成功探索出致密度大于99.5%的碳化硼烧结工艺,烧结温度与烧结时间均大幅下降,降低了碳化硼陶瓷烧结的时间与成本。     

石墨烯/陶瓷复合材料制备工艺研究进展

制备工艺是调控石墨烯/陶瓷复合材料结构、优化其力学和热电等性能的关键.重点综述了石墨烯/陶瓷复合材料的粉末压坯烧结工艺和3D打印工艺及其研究进展.粉末压坯烧结工艺包括无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、微波烧结和高频感应加热烧结等,具有工艺简单、材料性能好、制备参数易控制等优点,是石墨烯/陶瓷复合材料的主要制备工艺,用于制备致密的块体复合材料;主要3D打印工艺有直写成形、激光选区烧结、喷墨打印和立体光固化等,具有结构和形状可控的特点,是目前石墨烯/陶瓷复合材料的研究热点,用于成形复杂形状和特定性能的复合材料器件.另外,还简要介绍了原位生成法、碳热还原法等利用特定物理化学反应制备石墨烯/陶瓷复合材料的制备工艺,并综述了石墨烯在复合材料中的分散工艺.     

常规烧结和微波烧结的钛酸钡陶瓷介电和铁电性比较研究

采用溶胶-凝胶法制备钛酸钡粉体作为原料,分别采用常规马弗炉和家用微波炉烧结成陶瓷,研究其晶体结构,比较了两种烧结方式制备的钛酸钡陶瓷的介电和铁电性。结果表明:溶胶-凝胶法制备的钛酸钡粉体为单一赝立方相;采用家用微波炉可烧结得到致密的、单一四方相的钛酸钡陶瓷;微波烧结制备的钛酸钡陶瓷在居里点处的介电峰值远低于常规烧结的钛酸钡陶瓷;微波烧结工艺可使钛酸钡陶瓷在低频下(<800 Hz)的介质损耗有一定程度的降低;微波烧结的钛酸钡陶瓷的剩余极化强度和矫顽场强较常规烧结小。     

燃烧合成氮化物陶瓷基复合材料

氮化物陶瓷是应用广泛的特种陶瓷，但传统的氮化物陶瓷烧结方法极为消耗能源、生产周期长、成本高。为降低成本、能耗，采用燃烧合成工艺制备氮化物陶瓷基复合材料，包括氮化钛和六方氮化硼，燃烧合成工艺利用单质元素与氮气反应合成氮化物。研究结果表明：压坏与80MPa N2反应燃烧合成TiN制件致密度约75％，压坯为添加了TiN稀释剂和适量氧化铝的钛粉，压坯孔隙率45％；燃烧合成纯BN制件致密度为68％，BN基制件致密度为78％，压坯为添加了h-BN稀释剂或SiO2添加剂的B粉压坯与80MPa N2反应合成，压坯孔隙率48％；在材料体系中，稀释剂起减小晶粒尺寸和降低燃烧温度的作用，而Al2O3和SiO3添加剂则起提高强度和相对密度的作用。     

AlN陶瓷的高压烧结研究

以自蔓延高温合成的AlN粉体为原料,用六面顶压机在高压(3.1～5.0GPa)下实现了未添加烧结助剂的AlN陶瓷体的烧结.研究了烧结工艺参数对AlN烧结性能的影响.用XRD、SEM对AlN高压烧结体进行了表征.研究表明:高压烧结能够有效降低AlN陶瓷的烧结温度并缩短烧结时间,烧结体的结构致密.在5.0GPa/1300℃条件下高压烧结50min的AlN陶瓷的相对密度达94.9%.在5.0GPa/1700℃/125min条件下制备的AlN陶瓷晶格常数比其粉体减小了约0.09%.     

CuO-TiO_2复合助剂低温烧结氧化铝陶瓷的机理(Ⅰ)

向氧化铝陶瓷中添加总量固定,但m(CuO)/m(Ti02)不同的CuO-TiO2复合助剂,研究其对氧化铝陶瓷烧结性能、微观结构以及物柑组成的影响,揭示复合助剂的低温烧结机理.结果表明,CuO与Ti02不易发生化合反应,分别以液相烧结和固相反应烧结来促进氧化铝陶瓷的致密化进程;Ti02与Al2O3反应生成Al2Ti7O15的固相烧结,比CuO的液相烧结更能有效地促进陶瓷的晶粒生长与致密化.在Ti02固相烧结的基础卜适当引入CuO液相,能够最大程度地降低氧化铝陶瓷的烧结温度;当在50gA12O3粉体中添加总量为0.025mol的CuO-TiO2复合助剂,并使m(TiO2)/m(CuO+TiO2)为0.80时,氧化铝陶瓷在1250℃烧结后其密度达到理论密度的98%以上.     

烧结技术对99BeO陶瓷材料结构与性能影响

系统研究了传统烧结方法、台阶式烧结方法和两步烧结方法对99BeO陶瓷微结构和性能的影响.研究发现：台阶式烧结有助于99BeO陶瓷的晶粒细化,两步法烧结有助于提高99BeO陶瓷的热导率.实验优化了两步法中第一阶段烧结温度T1、第二阶段烧结温度T2及保温时间t等工艺参数.结果表明,在T₁为1630℃,T₂为1550℃,t为4h时可获得晶粒均匀、结构致密,热导率为308W/(m·K),密度为2.95g/cm³的99BeO陶瓷.     

碳化硼陶瓷专用粉末的制备

碳化硼是一种重要的工程材料 ,其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼 ,具有耐磨性好、比重小、耐酸碱、较好的中子吸收性能等特点 ,被国内外广泛应用于耐火材料、工程陶瓷、核工业等领域。本文从碳化硼工程陶瓷的生产工艺特点介绍了其对碳化硼粉的特殊要求以及专用碳化硼粉的制备工艺。1　碳化硼陶瓷烧结1 1　烧结过程烧结是减少气孔、增强颗粒之间结合力、提高机械性能的工艺过程 ,是一种或几种固体粉末经过成型 ,加热到一定温度后开始收缩 ,在低于熔点强度下变成致密的、坚硬的烧结体的过程。烧结过程是一个物质的传递过程。粉末体的表面能是烧…     

氧化铝复合陶瓷烧结工艺研究与力学性能改善

研究了反应结合Al₂O₃－ZrO₂－SiC复合陶瓷的烧结工艺与力学性能改善途径,对快速烧结与Ar气氛常压烧结工艺及材料力学性能进行对比,并分析了微观结构．实验结果表明,快速烧结是抑制晶粒生长、获得均匀、细微、致密结构的有效途径,材料的力学性能也达到了较好水平,但其工艺难度大,而Ar气氛常压烧结工艺简便易行,也可获得相当水平的力学性能．经热等静压使材料充分致密化,消除缺陷,力学性能大幅度提高．     

粉体表面包碳对3Y-TZP陶瓷烧结性能及微观结构的影响

采用对纳米氧化锆陶瓷粉体表面包碳,研究了在不同烧结工艺下,碳含量(0%～7.0%(wt))的变化对纳米氧化锆陶瓷烧结性能及微观结构的影响.分析结果表明:包裹少量碳能明显提高烧结活性,增大烧结坯密度.在本实验条件下,碳含量为1.5wt%的纳米氧化锆陶瓷在1250℃低温氧化气氛中烧结,可得到相对密度约为96%、晶粒尺寸约为85m的陶瓷体,此后随着碳含量的增加,致密度减小;采用真空烧结,由于碳没有被氧化,包裹层的存在阻止了晶界的扩散,延缓了陶瓷体烧结的致密化过程,烧结性能较差;同时碳的加入有效地抑制了晶粒的长大.     

热压BN掺杂SiAlON陶瓷的致密化过程研究

以Si3N4粉、AlN粉、Y2O3粉以及BN粉末为原料，采用热压烧结（HP）方法在N2气氛、1900℃条件下制备BN掺杂α-SiAlON陶瓷，研究BN掺杂SiAlON陶瓷的致密化过程。BN粉末经造粒形成粒径约为0．5mm的球形颗粒，其掺量分别为SiAlON原始粉末质量的5％和10％。研究结果表明：BN的掺量对BN／SiAlON陶瓷的收缩趋势和致密化过程的温度范围无影响，BN掺量不同的两条相对收缩量曲线吻合得非常好，收缩均始于1650℃左右，结束于1705℃；在烧结温度相同的情况下，较高的BN掺量有助于提高BN／SiAlON陶瓷烧结过程的收缩速率和样品的总收缩量，在促进致密化进程的同时能够提高陶瓷的致密度。     

新型高性能粉末冶金高速钢及其近净成形制备技术

目的研究无熔炼制备高性能近净成形粉末冶金高速钢的新工艺(SAP工艺)。方法以铁粉、钴粉和碳化物粉末为原料,通过机械球磨和真空活化烧结制备SAP 6031粉末冶金高速钢,并采用扫描电镜、X射线衍射、碳含量、相对致密度等检测方法,探讨球磨和活化烧结对试样致密化过程的影响。结果球磨后的原料粉末具有较高的烧结活性,结合后续活化烧结过程中的碳氧反应,使烧结坯在远低于液相线温度下实现烧结致密化(99.5%),材料力学性能优异,且杂质含量远低于标准值。结论 SAP工艺具有合金成分易调节、工艺流程短、生产能耗低、近净成形等优点,在特种粉末高速钢开发、异形件和非标件的灵活生产上具有显著优势。     

溶胶–凝胶法制备不同形态的半透明羟基磷灰石陶瓷

为探索制备不同形态半透明羟基磷灰石(T-HA)陶瓷的方法, 采用微米级HA粉体为原料, 甲壳素为粘结剂, 用溶胶–凝胶法制备出球状和纤维状的陶瓷初坯, 然后进行常压烧结得到纯HA陶瓷, 最后经过热等静压烧结得到T-HA陶瓷。溶胶–凝胶法赋形简单, 制备出的球状T-HA陶瓷的球形度良好, 纤维状T-HA陶瓷的纵横比高, 其致密度为99.1%, 平均晶粒尺寸为2.2 μm。其中球状半透明HA陶瓷的抗压强度为10.2 MPa, 高于常规烧结得到的球状致密和多孔HA陶瓷(分别为8.9和4.7 MPa)。仿生矿化和细胞培养的结果显示半透明HA陶瓷具有良好的生物相容性。     

碳化硅陶瓷烧结助剂的作用机制与研究进展

碳化硅(SiC)陶瓷由于其优异的高温强度、抗氧化性和化学稳定性,在石油化工、航空航天和热交换器等众多领域有广泛的用途.此外,SiC及其复合材料被认为是先进裂变反应堆和未来聚变反应堆的重要结构材料.由于Si-C键的高共价键合性和低自扩散性,纯SiC的烧结极为困难,只能通过高温高压的方式进行致密化.添加烧结助剂对促进SiC的致密化、缓和烧结条件至关重要.本文阐述了烧结助剂存在条件下碳化硅陶瓷致密化的热力学条件,总结了不同烧结机制下烧结助剂的作用机理.从助剂种类的角度综述了目前碳化硅陶瓷烧结领域的常用助剂体系及其研究进展,并展望了碳化硅致密化研究的发展方向.