陶瓷燒結(jié)概念及驅(qū)動力

        先進(jìn)固體陶瓷材料的制備過程中，在完成了生坯的成型之后，接著便是實(shí)現(xiàn)對成型生坯的燒結(jié)。在選定了化學(xué)組成之后，材料的性能主要取決于其顯微結(jié)構(gòu)，而燒結(jié)過程即使材料獲得預(yù)期顯微結(jié)構(gòu)的過程。因此，燒結(jié)是材料制備的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定著制品的最終性能，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇燒結(jié)方法，嚴(yán)格控制燒結(jié)過程，以期獲得具有預(yù)期性能的陶瓷制品。



       (1)陶瓷燒結(jié)概念可扼要簡述為：成型生坯在一定溫度下的致密化過程和現(xiàn)象的總稱。先進(jìn)陶瓷生坯燒結(jié)后在宏觀上的主要變化是：體積收縮、致密度提高、強(qiáng)度增加。因此，先進(jìn)陶瓷的燒結(jié)過程為：隨著溫度的上升和時間的延長，分散的固體顆粒相互牢固結(jié)合，晶粒長大，空隙（氣孔）和晶界漸趨減少，體系總體積收縮，密度增如同時機(jī)械強(qiáng)度顯著提高，最后成為堅(jiān)硬的具有某種顯微結(jié)構(gòu)的多晶燒結(jié)體。
    由上面對燒結(jié)現(xiàn)象的描述可知，要發(fā)生燒結(jié)過程必須滿足下面兩項(xiàng)原則。
    ①必須存在物質(zhì)的遷移。由前面的相關(guān)章節(jié)可知，成型后的陶瓷生坯都是由陶瓷顆粒聚集而成的多孑L體系，只有通過物質(zhì)的遷移，才能消除生坯中的空隙，實(shí)現(xiàn)生坯的致密化。
    ②必須存在一種能源來促進(jìn)和維持物質(zhì)的遷移。最被廣泛使用的方法就是采用熱源將生坯升高到一定溫度，在該溫度下物質(zhì)的遷移變得相對容易進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)熱致密化。
    (2)燒結(jié)階段  在燒結(jié)過程中會發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，主要表現(xiàn)在陶瓷晶粒和氣孔尺寸及其形狀的變化，從而最終決定陶瓷的質(zhì)量和性能。在不同燒結(jié)時期，陶瓷品粘及氣孔尺寸和形狀有著很大的不同，為了能更好地把握和理解燒結(jié)不同時期的特點(diǎn)，有必要將整個燒結(jié)過程進(jìn)行不同階段的區(qū)分。一般整個燒結(jié)過程包括：顆粒之間形成接觸、燒結(jié)頸長大、連通孔洞閉合、孔洞圓化、孑L洞收縮和致錯化、孔洞粗化、晶粒長大等過程，但是可以將它們分為前期、中期和后期三個階段。
    ①燒結(jié)前期  燒結(jié)前期包括顆粒之間形成接觸、燒結(jié)頸長大過程。燒結(jié)前，陶瓷粉料以具有一定形狀和機(jī)械強(qiáng)度的多孔坯體存在。在燒結(jié)前期，陶瓷生坯一般含有百分之幾十的氣孔，顆粒之間只有點(diǎn)接觸。在燒結(jié)驅(qū)動力的作用下，物質(zhì)通過不同的擴(kuò)散途徑向顆粒間的頸部和氣孔部位填充，使頸部漸漸長大。
    ②燒結(jié)中期燒結(jié)中期包括了連通孔洞閉合、孔洞圓化、孔洞收縮和致密化過程。在燒結(jié)中期，所有晶粒都與最近鄰晶粒接觸，因此晶粒整體的移動已停止。只有通過晶格或晶界擴(kuò)散，把晶粒間的物質(zhì)遷移至頸表面，收縮才能進(jìn)行。氣孔形成于由頸部周圍柱狀通道構(gòu)成的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，連通氣孔不斷縮小。兩個顆粒之間的晶界與相鄰晶界相遇，形成品界網(wǎng)絡(luò)。晶界移動，晶粒逐步長大。結(jié)果是氣孔縮小，致密化程度提高，直至氣孑L相互不再連通，形成孤立的圓形氣fL分布于幾個晶粒相交的位置。這時坯體的密度達(dá)到理論密度的90%以上。
    ③燒結(jié)后期燒結(jié)后期包括孔洞粗化、晶粒長大過程。在燒結(jié)后期，封閉的氣孔主要處于晶粒交界處。封閉孤立的氣孔擴(kuò)散填充，使致密化繼續(xù)進(jìn)行，同時晶粒繼續(xù)均勻長大，一般氣孔隨晶界一起移動，直至致密化，得到致密的陶瓷產(chǎn)品。此后．如繼續(xù)在高溫下燒結(jié)，就是單純的晶界移動、晶粒長大過程了。晶粒長大不是小品粒的互相黏結(jié)，而是品界移動的結(jié)果。形狀不同的晶界，移動的情況各不相同。彎曲的晶界總是向曲率中心移動。曲率半徑愈小，移動就愈快。在燒結(jié)后期的晶粒長大過程中，可能出現(xiàn)氣孔遷移速率顯著低于晶界遷移速率的現(xiàn)象，這時氣孔離開晶界而被包到晶粒內(nèi)，此后由于物質(zhì)擴(kuò)散路程加長、擴(kuò)散速率減小等因素，使氣孑L進(jìn)一步縮小和排除變得幾乎不可能繼續(xù)進(jìn)行。在這種情況下進(jìn)一步燒結(jié)，很難使致密度有所提高，但晶粒足寸還會不斷長大，甚至?xí)霈F(xiàn)少數(shù)晶粒的不正常長大現(xiàn)象，使殘留小氣孔更多地包到大品粒的深處。
    事實(shí)上，由于整個燒結(jié)過程是一個連續(xù)的致密化過程，并且材料不同、燒結(jié)方法相異時，燒結(jié)階段的區(qū)分也不盡相同。如前所述，對整個燒結(jié)過程進(jìn)行不同階段的區(qū)分，只是為了更好地把
握和理解燒結(jié)過程中的特點(diǎn)變化。
    (3)燒結(jié)驅(qū)動力  一般來說，純氧化物或化合物粉體，經(jīng)成型得到的生坯，顆粒間只有點(diǎn)接觸，強(qiáng)度很低，但通過燒結(jié)，雖在燒結(jié)時既無外力又無化學(xué)反應(yīng)，卻能使點(diǎn)接觸的顆粒緊密結(jié)成堅(jiān)硬而強(qiáng)度很高的燒結(jié)體，那么燒結(jié)的驅(qū)動力是什么呢？
        燒結(jié)的驅(qū)動力是顆粒的表面能。與塊狀物相比，粉體具有很大的比表面積，這是外界力對粉體制備過程中做功的結(jié)果。利用機(jī)械作用或化學(xué)作用來制備粉體時所消耗的機(jī)械能或化學(xué)能，部分將作為表面能而儲存在粉體中。另外在粉體的制備過程中又會引起粉粒表面及其內(nèi)部出現(xiàn)各種品格缺陷，使品格活化。由于這些原因，粉體顯然具有較高的表面白由能。與塊狀物相比，粉體處于商能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。任何系統(tǒng)都具有向最低能量狀態(tài)發(fā)展的趨勢。因此，粉體的過剩表面能就成為燒結(jié)過程的驅(qū)動力（燒結(jié)后總表面積可降低3個數(shù)
量級以上）。燒結(jié)是一個不可逆過程，燒結(jié)后系統(tǒng)將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)更為穩(wěn)定的狀態(tài)。陶瓷粉體的燒結(jié)能約為數(shù)百上千焦耳，摩爾（一般低于4180J/mol）。與化學(xué)反應(yīng)過程中能量變化可達(dá)幾萬至幾}‘萬焦耳／摩爾相比，這個燒結(jié)推動力確實(shí)是很小的。因此，燒結(jié)不能門動進(jìn)行，必須對粉體加溫，補(bǔ)充能量，才能使之轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)體。