特種陶瓷熱壓燒結技術及應用大起底

發布時間 | 2018-01-19 11:40 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 11192

石墨金剛石氧化鎂氮化硼

導讀：近幾十年來，在陶瓷燒結工藝方面，能夠研制生產出許多高性能的新材料。各種新型工藝種類繁多、其裝備結構與操作過程有很大差別。但各種燒結工藝都不外乎尋求更多的推動力激活能。

近幾十年來，在陶瓷燒結工藝方面，能夠研制生產出許多高性能的新材料。各種新型工藝種類繁多、其裝備結構與操作過程有很大差別。但各種燒結工藝都不外乎尋求更多的推動力激活能。其作用是促進高溫作用下的物質傳遞過程或晶粒定向、致密化等過程。推動力激活能主要包括：表面自由能的下降、化學勢的下降、相變及其化學反應活性的應用和外加機械力、電場、磁場、超聲波等能量的應用。而應用最廣泛的是外加機械的推動作用—熱壓燒結。

圖1 真空熱壓爐實物圖及簡圖

1. 熱壓燒結的定義及優缺點

1.1 熱壓燒結的定義

燒結是粉末或生坯在高溫下的致密化過程和現象的總稱。具體來說，就是隨著溫度的上升和時間的延長，固體顆粒相互鍵聯，晶粒長大，空隙（氣孔）和晶界漸趨減少，通過物質的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為堅硬的只有某種顯微結構的多晶燒結體，這種現象稱為燒結。

固相燒結(solid state sintering)是指松散的粉末或經壓制具有一定形狀的粉末壓坯被置于不超過其熔點的設定溫度中在一定的氣氛保護下，保溫一段時間的操作過程。所設定的溫度為燒結溫度，所用的氣氛稱為燒結氣氛，所用的保溫時間稱為燒結時間。

燒結過程可以分為兩大類：不加壓燒結（不施加外壓力的燒結）和加壓燒結（施加外壓力的燒結）。對松散粉末或粉末壓坯同時施以高溫和外壓，就是所謂的加壓燒結。

熱壓燒結(Hot Pressing Sintering，HPS)是在燒結過程中同時施加一定的外力（根據模具材料所能承受的強度，一般壓力在10~40MPa），使材料加速流動、重排和致密化。熱壓燒結溫度比常壓燒結低100℃~150℃左右，但熱壓燒結推動力卻比常壓燒結大20~100倍。

1.2 熱壓燒結的優缺點

熱壓燒結的優點：

(1) 熱壓時，由于粉料處于熱塑性狀態，形變阻力小，易于塑性流動和致密化，因此，所需的成型壓力僅為冷壓法的1/10，可以成型大尺寸的A1₂O₃、BeO、BN和TiB₂等產品。

(2) 由于同時加溫、加壓，有助于粉末顆粒的接觸和擴散、流動等傳質過程，降低燒結溫度和縮短燒結時間，因而抑制了晶粒的長大。

(3) 熱壓法容易獲得接近理論密度、氣孔率接近于零的燒結體，容易得到細晶粒的組織，容易實現晶體的取向效應和控制含有高蒸氣壓成分納系統的組成變化，因而容易得到具有良好機械性能、電學性能的產品。

(4) 能生產形狀較復雜、尺寸較精確的產品。

熱壓燒結的缺點：

生產率低、成本高。

2. 熱壓燒結的生產工藝種類

熱壓燒結的生產工藝可以分為：真空熱壓、氣氛熱壓、熱等靜壓、反應熱壓、震動熱壓、均衡熱壓、超高壓燒結等。下面我們簡單介紹幾種。

2.1 真空和氣氛熱壓燒結

對于空氣中很難燒結的制品（如透光體或非氧化物），為防止其氧化等，研究了氣氛燒結方法。即在爐膛內通入一定氣體，形成所要求的氣氛，在此氣氛下進行燒結。而真空熱壓則是將爐膛內抽成真空。

先進陶瓷中引人注目的Si₃N₄、SiC等非氧化物，由于在高溫下易被氧化，因而在氮及惰性氣體中進行燒結。對于在常壓下易于氣化的材料，可使其在稍高壓力下燒結。

2.2 熱等靜壓燒結

熱等靜壓燒結(hot isostatic pressing, HIP)是指對裝于包套之中的松散粉末加熱的同時對其施加各向同性的等靜壓力的燒結過程。熱等靜壓的壓力傳遞介質為惰性氣體。熱等靜壓工藝是將粉末壓坯或裝入包套的粉料放入高壓容器中，使粉料經受高溫和均衡壓力的作用，被燒結成致密件。

圖2 熱等靜壓燒結爐

熱等靜壓強化了壓制和燒結過程。降低燒結溫度，消除空隙，避免晶粒長大，可獲得高的密度和強度。同熱壓法比較，熱等靜壓溫度低，制品密度提高。

2.3 反應熱壓燒結

這是針對高溫下在粉料中可能發生的某種化學反應過程。因勢利導，加以利用的一種熱壓燒結工藝。也就是指在燒結傳質過程中，除利用表面自由能下降和機械作用力推動外，再加上一種化學反應能作為推動力或激活能。以降低燒結溫度，亦即降低了燒結難度以獲得致密陶瓷。

3. 熱壓燒結的致密化過程

熱壓燒結的致密化過程可以分為三個部分：熱壓初期、熱壓中期和熱壓后期。

圖3 熱壓及常壓燒結的致密化過程對比

? 熱壓初期

主要指高溫下加壓后的最初十幾到幾十分鐘的時間，這時相對密度從5~60%猛增到90%左右。和常態燒結相比，這一時期的特點是：密度的快速增長，大部分氣孔都在這一時間消失掉。在坯體內主要發生了以下變化：壓力作用下的粉粒重排、晶界滑移引起的局部碎裂或塑流傳質，大型堆集間隙被填充。溫度越高，壓力越大則密度增加越快。但隨著密度的增加粉粒接觸面顯著加大，單位表面分配到的作用力大為下降，粒界滑移不易，轉而大量出現擠壓粒界，致密化的速度便緩慢下來。

? 熱壓中期

在這一時間雖然并不排斥有少量的界面滑移與粉粒重排，但大面積，長距離的粒界滑動已不可能出現，主要的傳質機構應該是壓力作用下的空格點擴散，以及與此相伴隨的粒界中氣孔的消失。在擠壓初期，粒界之間的壓力差較大，因而空格點濃度及擴散速度也比較大。故密度增加還不算慢。但到擠壓后期，各處粒界壓已趨近平衡，這種蠕變式的傳質已不明顯，致密化速度大為下降。

? 熱壓后期

在這一時期里，外加壓力的作用已很不明顯，主要傳質推動力與傳質機構，是和常態燒結時期相似的，界面壓力差推動下的粒界移動和氣孔沿粒界的進一步排除。由于這時作為推動力的表面曲率差，是與外加壓力無關的，故粒界移動速度基本上與外加壓力無關。只不過在外加壓力的作用下時晶粒間貼得更緊，粒界較密實，更有利于質點躍過粒界而進行再結晶罷了。

4. 熱壓燒結生產設備

熱壓燒結設備的結構是按加熱和加壓方法，所采用的氣氛以及其他因素來劃分的。

在熱壓過程中通常利用電加熱。最普通的方法有：對壓模或燒成料通電直接加熱；將壓模放在電爐中對其進行間模加熱；對導電壓模進行直接感應加熱；把非導電壓模放在導電管中進行感應加熱。

圖4 各種加熱方式熱壓示意圖

熱壓裝備用的模具材料中，石墨得到了最廣泛的應用。石墨的價格不太貴，易于機械加工，在較大的溫度范圍內具有較低密度，電阻較低，熱穩定性好和具有足夠的機械強度，且能形成保護氣氛。實際壓模采用的石墨的抗壓強度為35-45MPa。高強石墨，可以在壓力達70MPa條件下應用。石墨壓模的局限性是它的機械強度較低（不能在高壓下工作）以及能還原某些材料，尤其是氧化物。石墨還能和過渡族金屬，以及過渡族金屬的氮化物和硅化物發生反應。