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陶瓷烧结技术
奇材馆 / 2023-12-27     阅读次数:73

陶瓷材料一直以其高温稳定性、优异的电绝缘性能和耐腐蚀性受到广泛关注。然而,传统的陶瓷烧结技术存在着诸多挑战,如高温能耗、制程周期长等问题。为了克服这些限制,科学家们不断努力,推动着陶瓷烧结技术的创新与发展。本文将详细介绍一些新型的陶瓷烧结技术,包括微波烧结技术、电场烧结技术、闪烧技术(SPS)、压力烧结技术、冷烧结技术以及气氛控制烧结技术。

 

1.微波烧结技术

 

      微波烧结技术是一种利用微波辐射来实现陶瓷材料烧结的先进方法。相比传统的烧结方式,微波烧结具有烧结温度低、周期短、能耗少等优势。其基本原理是通过微波与陶瓷粉末发生相互作用,将微波能量转化为热能,实现材料的均匀加热。微波加热的快速性使得烧结时间大幅缩短,同时还能提高陶瓷制品的致密度和性能。

 

 


2.电场烧结技术(field activated sintering technique,FAST)

 

      电场烧结技术利用外加电场来促使陶瓷粉末颗粒的迅速结合。通过在陶瓷粉末之间施加电场,可以在相对较低的温度下实现高密度的烧结。这项技术的独特之处在于电场的作用有助于加速粒子扩散和结合,从而在较低的温度下完成整个烧结过程。这不仅有助于节能,还能保持材料微观结构的稳定性。

 

 

 

3. 闪烧技术(Flash sintering)

 

      闪烧技术是近几年出现的一种新型电场辅助陶瓷烧结方法。“Flash sintering”一词最早的出现于1952年Hill的文章中,文中描述了一种在压力辅助条件下,将直流电直接通过迅速升温的金属陶瓷坯体,来制备金属陶瓷块材料的方法。

 

 

 

4.放电等离子烧结(SPS)

 

  SPS 技术开创性地将直流脉冲电流引入烧结过程,压头在向材料施加压力的同时也充当电流通过的载体。与传统烧结技术通常利用发热体辐射加热不同,SPS 技术借助大电流通过模具或导电样品产生的热效应来加热材料。

 

 

 

5. 冷烧结技术(CS)

 

     冷烧结技术是在相对较低的温度下进行的烧结过程。通过精确控制化学成分和添加适量助剂,可以在低温下实现高致密度的陶瓷制品。这不仅降低了能源消耗,还有助于避免在高温下晶粒的长大和失真。冷烧结技术对于一些对高温敏感的陶瓷材料尤为重要。与传统的高温烧结工艺不同,陶瓷CS工艺通过向粉体中添加一种瞬时溶剂并施加较大压力(350~ 500 MPa) 从而增强颗粒间的重排和扩散,使陶瓷粉体在较低的温度(120 ~ 300 ℃) 和较短的时间下实现烧结致密化,为低温烧结制造高性能结构陶瓷和功能陶瓷创造了可能。

 

 

 

6.气氛控制烧结技术

 

     气氛控制烧结技术通过在烧结过程中控制气氛条件,以保护陶瓷材料不受氧化或其他不良影响。特别适用于一些对氧敏感的陶瓷材料,该技术可维持材料的化学纯度和稳定性。通过调节气氛中的气体组成,可以有效地控制陶瓷材料的烧结行为,提高制品的质量。

 

     新型陶瓷烧结技术的不断涌现为陶瓷材料的制备带来了新的机遇。这些技术在提高效率、降低能耗、改善制品性能等方面都具有显著的优势。然而,不同的烧结技术适用于不同类型的陶瓷材料,未来的研究仍需深入探讨不同技术之间的优劣和适用范围。通过不断的创新和技术改进,陶瓷烧结技术的不断发展也需要解决一些挑战。例如,技术的可扩展性、成本效益、设备的商业可行性等问题仍然需要深入研究。此外,环境友好性也是一个关键考虑因素,新型技术应当在减少环境污染、废物产生等方面有所突破。

 

未来的研究方向包括但不限于:

 

    1.多功能性材料的烧结技术:针对特定应用需求,开发可以实现多功能性的陶瓷烧结技术,例如,能够在不同温度范围内调节电、磁、光性能的陶瓷材料。

    2.智能化烧结过程:结合先进的传感器技术和自动化控制系统,实现对烧结过程的实时监测和智能控制,以提高制备过程的稳定性和可控性。

    3.可持续发展:强调在陶瓷烧结技术中的可持续性,包括使用可再生能源、减少原材料浪费、提高能源利用效率等方面的研究。

    4.新型陶瓷材料的烧结技术:针对新型陶瓷材料,如二维材料、纳米陶瓷等,开发适应其特殊性质的烧结技术,以保持其独特的性能。

    5.生物陶瓷的烧结技术:生物陶瓷在医学领域有广泛应用,对于其烧结技术的改进有助于提高其生物相容性和力学性能。

    6.大规模制备:针对工业化应用,需要研究大规模制备的陶瓷烧结技术,以满足工业生产的需求。

 

      陶瓷烧结技术的发展是一个复杂而多层次的过程,需要从材料科学、物理学、工程学等多个领域的角度进行深入研究。不同的烧结技术可以相互补充,通过综合运用这些技术,可以更好地满足各种陶瓷材料的制备需求。未来的发展将依赖于科学家、工程师和产业界的密切合作,以推动陶瓷烧结技术不断创新,促进陶瓷材料在各个领域的广泛应用。

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