中國粉體網(wǎng)訊 燒結(jié),，作為一種粉末致密化的藝術(shù)，已存在6000多年,。尤其在制備先進陶瓷的過程中,，燒結(jié)是最重要的一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)燒結(jié)方法對特定材料體系的燒結(jié)具有局限性,，陶瓷材料的傳統(tǒng)燒結(jié)受加熱設備限制,，通常需要10h以上，長時間的燒結(jié)對能源來說是極大的消耗,，不利于工業(yè)生產(chǎn),。
于是，快速燒結(jié)技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展為先進陶瓷材料的廣泛應用開辟了新的方向,。快速燒結(jié)能在較低溫度或較短時間內(nèi)實現(xiàn)高度致密化,，無論在節(jié)省能源還是經(jīng)濟效益方面都有巨大優(yōu)勢。
美國馬里蘭大學在2020年公開過一種陶瓷快燒技術(shù),，該技術(shù)是將陶瓷前驅(qū)體粉末壓坯,，之后夾在兩根碳條之間，通過碳條的輻射和傳導來迅速加熱陶瓷前驅(qū)體,，創(chuàng)造了一個持續(xù)的高溫環(huán)境,，迫使陶瓷粉末快速凝固。據(jù)介紹,，這種工藝所需的總處理時間不到10秒,，比傳統(tǒng)的燒結(jié)爐方法快1000倍以上。
目前研究較多的適用于先進陶瓷材料的快速燒結(jié)技術(shù)主要有：放電等離子燒結(jié),、閃電燒結(jié),、選區(qū)激光燒結(jié)、感應燒結(jié),、微波燒結(jié),、傳統(tǒng)燒結(jié)裝置中的快速燒結(jié)等。
不同快速燒結(jié)方式優(yōu)缺點及工業(yè)應用前景
放電等離子燒結(jié)（SPS）
SPS技術(shù)是一種受到學術(shù)界廣泛關(guān)注與研究的新型快速燒結(jié)技術(shù),。SPS技術(shù)開創(chuàng)性地將直流脈沖電流引入燒結(jié)過程,，壓頭在向材料施加壓力的同時也充當電流通過的載體。與傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)通常利用發(fā)熱體輻射加熱不同,，SPS技術(shù)借助大電流通過模具或?qū)щ姌悠樊a(chǎn)生的熱效應來加熱材料,。對于絕緣樣品，通常使用導電性良好的石墨作為模具材料,，利用模具的電阻熱使樣品快速升溫,；對于導電樣品，則可以使用絕緣模具，使電流直接通過樣品進行加熱,。其升溫速率可達1000℃/min,，當樣品溫度達到設定值后，經(jīng)過短時間保溫即可完成燒結(jié),。
SPS設備的工作原理示意圖
SPS技術(shù)具有燒結(jié)溫度低,、保溫時間短、升溫速率快,、燒結(jié)壓力可調(diào)控,、可實現(xiàn)多場耦合(電－力－熱)等突出的優(yōu)點。除Al2O3,、ZrO2等常見陶瓷外,，SPS技術(shù)也可用于許多難燒結(jié)材料的制備，如ZrB2,、HfB2,、ZrC、TiN等超高溫陶瓷以及W,，Ｒe,，Ta，Mo等難熔金屬及其合金,。
閃電燒結(jié)
閃電燒結(jié)（FS）是一種節(jié)能的燒結(jié)技術(shù),，涉及電焦耳加熱，可以實現(xiàn)顆粒材料極快速致密化（<60s）,。在閃電燒結(jié)中,，當爐溫和通過樣品的電流超過臨界值條件時，陶瓷坯體迅速實現(xiàn)致密化,。這種現(xiàn)象出現(xiàn)在多種氧化物體系中，包括氧化釔穩(wěn)定氧化鋯,、氧化鎂摻雜氧化鋁,、鈦酸鍶、鈷錳氧化物,、二氧化鈦,、鋁酸鎂尖晶石等。
閃電燒結(jié)被認為是陶瓷燒結(jié)領域最具有前途的創(chuàng)新之一,，相對于傳統(tǒng)燒結(jié)和其他快速燒結(jié)技術(shù),，極大地縮短了燒結(jié)時間，降低了燒結(jié)溫度,，能獲得特殊的不平衡結(jié)構(gòu),。而在應用方面，閃電燒結(jié)還有很大一段距離。
選區(qū)激光燒結(jié)
選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）主要是通過聚焦激光束將粉末顆粒連接在一起形成固體物體而實現(xiàn)快速燒結(jié),。在SLS工藝中,，一層薄薄的粉末通過刀片或滾柱機構(gòu)在平臺上擴散，調(diào)制激光器有選擇地將計算機輔助設計（CAD）數(shù)據(jù)寫入粉末床上,，以便只有具有物體橫截面的區(qū)域中的顆粒被激光能量熔化,。SLS中使用了多種材料。當材料的特性適合于此工藝類型時,，則選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)要優(yōu)于其他快速燒結(jié)技術(shù),。
選區(qū)激光燒結(jié)參數(shù)示意圖
選區(qū)激光燒結(jié)相對于其他快速燒結(jié)方式的最大優(yōu)點是燒結(jié)區(qū)域和燒結(jié)功率可控，其在制備復雜,、梯度結(jié)構(gòu)以及性能材料方面優(yōu)勢巨大,。同時，由于激光束功率密度高,，材料往往在短時間內(nèi)發(fā)生熔化形成液相使其致密度顯著提高,，對材料性能有一定提高作用。然而,，在使用SLS技術(shù)制備全致密陶瓷零件方面仍存在許多挑戰(zhàn),，如：粉末層沉積、激光-粉末相互作用,、燒結(jié)或熔化機理和殘余應力等問題,。一旦這些問題得到解決，SLS技術(shù)將對航空航天和生物醫(yī)學等各個行業(yè)產(chǎn)生顛覆性影響,。
感應燒結(jié)
感應燒結(jié)（IH）是一種非接觸加熱過程,，其典型裝置如下圖所示，感應線圈一端連接高頻交流電源,，一端置入感應樣品或容器,，其產(chǎn)生的感應電流可以加熱導電材料。由于這是一種非接觸式方法,，所以加熱過程不會污染被加熱材料,。而且，因為熱量實際上是在樣品內(nèi)部產(chǎn)生,，所以非常高效,，該過程通常用于冶金熱處理（淬火、硬化,、釬焊）,、表面涂層或熔化。
縱向磁通配置下感應加熱系統(tǒng)的典型裝置
感應燒結(jié)只有在加熱材料導電性足夠好時才能實現(xiàn),，如果材料同時也是導磁材料則加熱效率更高,，因為磁通量和感應電磁場的非線性關(guān)系，所以一部分的加熱來自磁滯的貢獻，然而這也仍然比直接焦耳加熱的貢獻要小,。還應指出,，隨著頻率的增加，感應加熱會導致趨膚效應,，即樣品表面渦流產(chǎn)生的磁感應會抵消樣品中心的磁感應,。然而，大部分陶瓷材料都屬于非鐵磁材料,，甚至絕緣材料,，所以在感應燒結(jié)過程中必須使用坩堝或者模具進行熱傳遞。由于陶瓷材料燒結(jié)溫度高,，所以一般使用石墨材料,。與其他快速燒結(jié)方式類似，感應燒結(jié)也能在幾分鐘內(nèi)得到致密且晶粒細小的樣品,。
感應加熱已經(jīng)廣泛應用于冶金和生物領域,，然而在陶瓷材料應用領域還面臨多種問題，如能量平衡,、感應裝置簡化,、生產(chǎn)安全、陶瓷材料磁感應強度問題等,，總體來說是一種非常具有潛力的快速加熱技術(shù),。
微波燒結(jié)
微波燒結(jié)主要是利用微波能的燒結(jié)技術(shù)。微波能是一種電磁能,，頻率范圍從300MHz到300GHz,。微波加熱是一種材料與微波耦合，從體積上吸收電磁能量,，并將其轉(zhuǎn)化為熱量的過程,。與傳統(tǒng)加熱相反，微波加熱首先在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱量,，然后加熱整個爐體,。
微波燒結(jié)先進陶瓷材料的主要優(yōu)點是：低能耗、強化擴散過程,、縮短燒結(jié)時間、微觀組織均勻,、可能提高物理或機械性能,。由于微波燒結(jié)是一項相對較新的技術(shù)，陶瓷工業(yè)可能需要相當長的時間來實施這項技術(shù),，所以未來研究重點主要是微波燒結(jié)工業(yè)化應用,。
冷燒結(jié)(CS)
美國研發(fā)出一種叫做冷燒工藝(ColdSinteringProcess)的新技術(shù)，最高只需200℃就能制成陶瓷，并且最短在15分鐘之內(nèi)就能完成燒結(jié),，很大程度上降低了陶瓷制造成本,。據(jù)介紹，冷燒工藝結(jié)合使用了熱量,、壓力和水,，可顯著減少能源消耗，遠低于傳統(tǒng)燒結(jié)法,、激光燒結(jié)法,、液相燒結(jié)法和快速燒結(jié)法等其他燒結(jié)工藝。
英國謝菲爾德大學教授首席研究員IanReaney解釋道：“冷燒工藝是一種顛覆性的新工藝,，在這個工藝中,，可以在低溫下用水作為離子的傳輸介質(zhì)來使陶瓷致密化。將濕陶瓷在約200MPa的壓力下壓入模具中,，然后水分蒸發(fā),，水離子重結(jié)晶，使陶瓷致密化,�,！彼赋觯谠撨^程中會施加單軸壓力,，整個過程大約需要10-20分鐘,，具體時長取決于壓制材料的類型。
冷燒工藝具有較低資金成本獲得最佳投資回報的優(yōu)勢,，同時能節(jié)省大量能源,，減少碳排放，是最為經(jīng)濟的燒結(jié)方式,。以鈦酸鋇陶瓷的燒結(jié)技術(shù)為例,，每節(jié)省一噸碳所需要投入的成本，冷燒工藝是最低的——冷燒工藝需要10.63英鎊,，傳統(tǒng)燒結(jié)工藝需要76.95英鎊,，微波燒結(jié)法需要132.59英鎊，液相燒結(jié)法需要142.81英鎊,，熱壓燒結(jié)法需要322.12英鎊,，快速燒結(jié)法需要340.55英鎊，放電等離子體燒結(jié)法則需要2273.84英鎊,。
高溫自蔓延燒結(jié)（SHS）
SHS技術(shù)是利用外部提供的能量誘發(fā),，使強放熱反應體系的局部發(fā)生化學反應，形成反應前沿燃燒波,，此后化學反應在自身放出熱量的支持下,，繼續(xù)向前進,，使鄰近的物料發(fā)生化學反應，結(jié)果形成一個以一定速度蔓延的燃燒波,，隨著燃燒波的推進,，原始混合物料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，待燃燒波蔓延至整個試樣時,，則合成了所需的材料,。通過利用SHS反應來進行陶瓷材料的燒結(jié)，可以使陶瓷坯體在幾秒鐘之內(nèi)達到數(shù)千攝氏度的高溫,，是一種超快速的燒結(jié)新技術(shù),。
利用SHS燒結(jié)技術(shù)可以在短時間里合成材料，但是直接獲得的產(chǎn)品往往是多孔,、疏松狀的,，不能作為結(jié)構(gòu)件用。將SHS過程與動態(tài)快速機械軸壓結(jié)合起來,，一次完成材料的合成與密實化過程的新工藝成為研究的熱點,。此方法實際上是SHS過程加上一個快速加壓過程，所以我們稱其為自蔓延高溫合成結(jié)合快速加壓技術(shù),，SHS／QP,。其設備工作原理如圖如下所示：
自蔓延高溫合成結(jié)合快速加壓技術(shù)設備的工作原理圖
小結(jié)
快速燒結(jié)技術(shù)既能節(jié)省時間和能源，又能做到性能優(yōu)異,，理應具有廣闊的工業(yè)應用前景,。但是在快速燒結(jié)技術(shù)的研究中很少提到大批量、大尺寸等工業(yè)應用研究,，似乎快速燒結(jié)技術(shù)只能停留在實驗室,，所以快速燒結(jié)技術(shù)未來的另一發(fā)展方向是如何將其應用于工業(yè)生產(chǎn)，解決快速燒結(jié)技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)中大尺寸,、大批量生產(chǎn)的難題,。
參考來源：
[1]譚劃等.先進陶瓷材料快速燒結(jié)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
[2]謝志鵬等.先進陶瓷材料燒結(jié)新技術(shù)研究進展
[3]季偉，傅正義.特種陶瓷材料快速燒結(jié)新技術(shù)研究
