陶瓷固相燒結(jié)介紹

        單一陶瓷粉體的燒結(jié)常常屬于典型的固相燒結(jié)，即在燒結(jié)過程中沒有液相的形成，陶瓷坯體致密化主要是通過蒸發(fā)和凝聚、擴(kuò)散傳質(zhì)等傳質(zhì)方式實(shí)現(xiàn)的。
        蒸發(fā)一凝聚的傳質(zhì)方式一般僅僅在高溫下蒸氣壓較大的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，如氧化鋯、氧化鈹和氧化鐵的燒結(jié)，燒結(jié)體中顆粒的頸部增長只在開始時(shí)比較顯著，隨著燒結(jié)的進(jìn)行，頸部增長很快就停止了。因此對(duì)這類傳質(zhì)過程用延長燒結(jié)時(shí)間不能達(dá)到促進(jìn)燒結(jié)的效果。從工藝控制角度考慮，兩個(gè)重要的變量是原始粉料起始粒度和燒結(jié)溫度。粉末的起始粒度愈小，燒結(jié)速率愈大。由于飽和蒸氣壓隨溫度而呈指數(shù)地增加，因而提高溫度對(duì)燒結(jié)有利。蒸發(fā)一凝聚的傳質(zhì)方式需要產(chǎn)生足夠高的蒸氣壓，一般陶瓷材料在燒結(jié)溫度附近往往滿足不了這一要求，因此單純通過蒸發(fā)一凝聚的傳質(zhì)方式實(shí)現(xiàn)陶瓷制品的燒結(jié)并不多見。



        對(duì)于進(jìn)行固相燒結(jié)的陶瓷材料，由于高溫下蒸氣壓低，此時(shí)往往固體內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)的方式更為重要。擴(kuò)散傳質(zhì)的推動(dòng)力是作用在陶瓷顆粒頸部的張應(yīng)力。由于顆粒頸部及接觸區(qū)域作用力的不同（頸部為張應(yīng)力，接觸區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力．導(dǎo)致顆粒中空位的濃度在不同的區(qū)域產(chǎn)生差異，一般是頸部的空位濃度最大，顆粒內(nèi)部次之，顆粒接觸部位則最小。這樣空位便從頸部向接觸部位傳輸。固體質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散方向與空位的擴(kuò)散是相反的，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)向頷部擴(kuò)散、逐步排除氣孔的致密化過程。對(duì)以擴(kuò)散傳質(zhì)為主的固相燒結(jié)，從工藝角度考慮需要控制的主要變量如下。
    ①燒結(jié)時(shí)間。擴(kuò)散傳質(zhì)的致密化速率隨時(shí)間增長而穩(wěn)定下降，并產(chǎn)生一個(gè)明顯的終點(diǎn)密度。從擴(kuò)散傳質(zhì)機(jī)理可知，隨頸部擴(kuò)大，曲率半徑增大，傳質(zhì)的推動(dòng)力——空位濃度差逐漸減小。因此以擴(kuò)散傳質(zhì)為主要傳質(zhì)手段的燒結(jié)，用延長燒結(jié)時(shí)間來達(dá)到坯體致密化的目的是不妥當(dāng)?shù)模瑢?duì)這一類燒結(jié)宜采用較短的保溫時(shí)間。
    ②原料的起始粒度。大顆粒原料在很長時(shí)間內(nèi)也不能充分燒結(jié)，而小顆粒原料在同樣時(shí)間內(nèi)致密化速率很高。
    ③溫度對(duì)燒結(jié)過程有決定性的作用。升高溫度，固相擴(kuò)散系數(shù)明顯增大，將會(huì)加快燒結(jié)。

        固相燒結(jié)雖然可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)陶瓷成型坯體的燒結(jié)，但是如上所述，燒結(jié)體中總是存在一定的孔隙率，無法獲得完全致密或接近完全致密的燒結(jié)體，因此固相燒結(jié)的方式在陶瓷燒結(jié)中并不常見。事實(shí)上，由于實(shí)際陶瓷粉體中含有少量雜質(zhì)，或者高溫下出現(xiàn)的“接觸”熔融現(xiàn)象，大多數(shù)陶瓷坯體在燒結(jié)過程中都會(huì)或多或少地出現(xiàn)液相。因此，純粹的固相燒結(jié)不易實(shí)現(xiàn)，取而代之的是液相燒結(jié)在先進(jìn)陶瓷材料的制造過程中應(yīng)用廣泛。