陶瓷烧结工艺技术

陶瓷烧结是把粉末或颗粒状原料经高温加热转变为致密陶瓷体的关键工艺，涉及一系列物理化学变化和多种技术方法

一、烧结目的与基本原理

目的：排除孔隙、提高密度和强度，获得所需的晶相与微观结构，使陶瓷具备设计性能。

原理：在高温下颗粒间发生扩散、重排、再结晶等，使孔隙缩小甚至消失，晶粒长大，坯体收缩致密化。

二、常用烧结技术

常压（固相）烧结：常压、高温（通常 1200–1800 °C），靠固相扩散致密；设备简单、成本低，但对温度均匀性要求高。

液相烧结：配方中加入烧结助剂，形成少量液相促进颗粒重排与溶解-沉淀，可降低烧结温度，提高致密度。

热压烧结（HP）：同时施加高温与单轴压力（数十 MPa），加速致密化，适合高硬度、难烧结材料。

热等静压烧结（HIP）：在 900–2000 °C、100–200 MPa 惰性气压下等向加压，致密度高、性能优，生产周期短。

气氛/真空烧结：通入保护气体（N2、Ar）或抽真空，防止氧化、挥发或实现还原；例如 SiC、Al?O? 对氧分压敏感。

微波烧结：微波能量直接耦合到材料内部，升温快、节能，可实现体积加热，减少温度梯度。

放电等离子烧结（SPS）：脉冲直流+单轴压力，升温速率可达数百 °C min?1，几分钟内完成致密化，晶粒细小。

冷烧结（CSP）：在 <400 °C 下施加单轴压力并引入少量溶剂，通过溶解-重排-沉淀实现低温致密化，适合柔性/复合集成。

三、关键工艺参数

温度：不同材料有特定“烧结窗口”，如 Al2O31600–1700 °C，ZrO21450–1550 °C，SiC 2100–2200 °C；窗口宽度一般 100 °C，控制精度需 ≤ ±5 °C。

升温速率：低温段 10–50 °C h?1 避免变形开裂，高温段可适当加快；ZrO? 推荐 4–10 °C min?1。

保温时间：1–4 h，厚件或微结构要求高的产品适当延长，保证充分扩散与孔隙排除。

冷却速率：1–5 °C min?1 分段降温，防止热应力开裂；对高硬度、低韧性陶瓷尤为重要。

气氛/压力：氧分压、惰性或还原气氛按材料选择；HIP 需 100–200 MPa 惰性气压。

四、缺陷与质量控制

温度偏低→致密度不足（<90 %）、强度低；温度偏高→晶粒粗大、强度下降。

氧分压不当可造成 Al?O? 分解、SiC 表面氧化结壳，阻碍致密化。

炉温均匀性要求 ≤ ±5 °C；对薄片/大尺寸件需分层或分区控温，减少翘曲、变形。

智能温控+在线监测（热电偶/红外/高速采集）成为趋势，可实时反馈、自动补偿，提升批次一致性。

五、典型应用

结构陶瓷：轴承、刀具、发动机部件——高强度、耐磨（HP、HIP、SPS 常用）。

功能陶瓷：压电、热电、电解质、磁性器件——需精确晶相与界面，常采用气氛/真空烧结、SPS。

日用/建筑陶瓷：瓷砖、卫生洁具——常压或液相烧结，成本低、产量大。

薄片/多层器件：流延成型+低温或快速烧结（微波、CSP），满足高精度、低翘曲需求