陶瓷烧结
陶瓷烧结PPT课件
未来研究方向与展望
新材料与新工艺的开发
跨学科合作与技术融合
智能化与数字化技术的 应用
未来，研究者们将继续探索新型陶瓷 材料，研究新的烧结工艺和技术，以 满足各种应用需求。同时，如何实现 陶瓷材料的绿色生产和降低成本也是 未来的重要研究方向。
陶瓷烧结技术涉及到材料科学、物理 学、化学等多个学科领域，未来的研 究将更加注重跨学科的合作和技术融 合，以推动陶瓷材料的发展和应用。
还原气氛
可以还原杂质，提高陶瓷的纯度。
压力的影响
常压烧结
是最常见的烧结方式，适用于大多数 陶瓷材料。
加压烧结
在加压条件下，可以促进陶瓷的致密 化，提高其性能。
05
陶瓷烧结的质量控制与检测
质量控制方法
原料质量控制
对原料的化学成分、粒度、含水 率等指标进行严格检测和控制，
确保原料质量稳定。
工艺参数控制
在烧结过程中，对温度、压力、气 氛等工艺参数进行精确控制，以获 得最佳的烧结效果。
设备维护与校准
定期对烧结设备进行维护和校准， 确保设备运行稳定，提高产品的重 复性和可靠性。
性能检测与评价
物理性能检测
检测产品的密度、气孔率、热膨 胀系数等物理性能指标，确保产
品性能符合要求。
力学性能检测
通过抗弯强度、抗压强度等力学 性能试验，评估产品的机械性能
和可靠性。
耐腐蚀性能检测
对产品的耐酸、耐碱、耐热等性 能进行检测，以适应不同环境下
的使用要求。
缺陷分析与改进
缺陷识别
通过外观检查、无损检测等方法，识别产品中的 缺陷和问题。
原因分析
对缺陷产生的原因进行深入分析，找出根本原因 并制定相应的改进措施。
陶瓷烧结方法
马弗炉是一种传统的陶瓷烧成设备，具有结构简单、操作方便、加 热速度快等优点。
应用范围
适用于各种陶瓷材料的烧成、烧结和熔融等工艺过程，特别适合于 大规模生产。
使用注意事项
使用马弗炉时应注意安全，避免烫伤和火灾事故；同时应注意炉温的 控制和炉内气氛的调节，以保证烧成效果。
真空炉
特点
真空炉是在真空环境下进行加热的设备，具有高温、高真 空的特点，可以有效地去除材料中的气体和杂质，提高产 品的纯度和性能。
02
烧结方法的分类
固相烧结
01
02
03
定义
固相烧结是陶瓷材料在完 全或部分熔融状态下获得 致密化的过程。
特点
固相烧结过程中不出现液 相，致密化主要依靠颗粒 重排、扩散传质和颗粒表 面能的驱动。
应用
适用于制备高熔点、低导 热系数、低塑性的陶瓷材 料，如氧化铝、氮化硅等。
液相烧结
定义
01
液相烧结是通过添加可熔性组分（如金属、玻璃或其它陶瓷材
在复合材料中的应用
树脂基复合材料
通过烧结方法制备树脂基复合材料，提高材料的强度、刚度和耐 腐蚀性。
碳纤维复合材料
通过烧结方法制备碳纤维复合材料，实现材料的轻量化和高性能 化。
玻璃纤维复合材料
通过烧结方法制备玻璃纤维复合材料，提高材料的强度和耐热性。
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THANKS
瓷材料的致密度和力学性能。
应用
适用于制备形状复杂、细孔结构的陶 瓷制品，如蜂窝陶瓷、多层陶瓷电容
器等。
03
烧结工艺参数
温度
低温烧结
低温烧结通常在1000℃以下进行，适用于对热敏感的材料，如某些玻璃或陶瓷。低温烧结可以减少材料内部的热应力， 降低烧结温度对材料性能的影响。
7-陶瓷烧结-2
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新型烧结方法
微波烧结 放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering） 自蔓延高温合成
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1.3 烧结与固相反应的区别
晶界能取代了表面能，这是烧结后多晶材料稳定存在的原因。
粉体颗粒尺寸很小－－比表面积大－－表面能高 烧结是一个自发的不可逆过程，系统表面能降低是
推动烧结进行的基本动力。
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对于N个半径为a的球形颗粒的lmol粉体，
式中：M为分子重量，ρ为颗粒比重，Vm是摩尔体积。而颗粒系 统的总表面积SA为
能。 v烧结的应用领域：
陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料等
烧结体特征： 烧结体一种多晶材料，其显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成。
烧结直接影响显微结构中晶粒尺寸和分布、气孔大小形状和分布及 晶界的体积分数等。 v烧结依赖因素：
扩散、相变、固相反应等
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1 烧结概述
1.1 烧结理论研究的历史 烧结理论研究的过去、现在和未来。
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2.1.2 烧结过程的模型示意
¨ 一般烧结过程，总伴随有气孔率降低，颗粒总表 面积减少，表面自由能减少及与其相联系的晶粒 长大等变化，可根据其变化特点来划分烧结阶段， 包括初期阶段、烧结中期、烧结后期。
图3-4 粉状成型体的烧结过程示意
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（1）初期阶段（a～b）
2.2 烧结推动力
烧结过程伴随着体系自由能的降低。促使自 由能降低的驱动力具体可分为下述三类： 1 烧结颗粒表面能提供的驱动力 2外加压力（如热压烧结时）所作的功 3 烧结中化学反应提供的驱动力
陶瓷材料的烧结与晶粒生长
陶瓷材料的烧结与晶粒生长烧结和晶粒生长是陶瓷材料制备过程中非常重要的步骤。
通过烧结和晶粒生长的控制，可以改善材料的性能、提高其致密性和强度。
本文将就陶瓷材料的烧结和晶粒生长进行探讨，并介绍一些常见的烧结方法和晶粒生长机制。
1. 烧结方法烧结是指将陶瓷粉末在一定的温度和压力下进行加热处理，使粒子间发生相互结合和扩散，形成致密的块体材料。
常见的烧结方法有以下几种：（1）热压烧结：将陶瓷粉末放入模具中，在高温和高压的条件下进行烧结。
热压烧结可以获得致密的陶瓷材料，具有较高的强度和硬度。
（2）微波烧结：通过微波加热的方式进行烧结。
微波烧结的优点是加热速度快，能够在较短的时间内完成烧结过程，适用于一些高温敏感的材料。
（3）等离子体烧结：通过等离子体的作用，加快粒子之间的扩散和结合，从而实现快速烧结。
等离子体烧结可以得到致密度较高的陶瓷材料，并能够控制晶粒尺寸和分布。
2. 晶粒生长机制晶粒生长是指陶瓷材料在烧结过程中晶粒尺寸的增大。
晶粒尺寸的大小和分布对陶瓷材料的性能有着重要的影响。
常见的晶粒生长机制包括以下几种：（1）一维生长：晶粒沿着某个方向生长，呈现出棒状或柱状的形态。
一维生长机制适用于一些具有纤维状结构的陶瓷材料。
（2）表面扩散：晶粒表面发生扩散，并与周围的颗粒结合。
表面扩散是晶粒生长的主要机制之一，通过控制晶粒表面的扩散速率，可以调控晶粒尺寸和形态。
（3）体内扩散：晶粒内部的原子通过扩散运动，使晶粒尺寸增大。
体内扩散主要取决于材料的化学成分和温度条件。
3. 影响烧结和晶粒生长的因素烧结和晶粒生长受到多种因素的影响，下面介绍其中几个重要的因素：（1）温度：温度是烧结和晶粒生长的关键因素之一。
适当的温度可以促进晶粒的结合和生长，但过高的温度可能引起过烧，导致晶粒长大过快。
（2）压力：压力可以提高粒子的结合程度和致密性，对烧结效果有重要影响。
不同材料和形状的陶瓷，适宜的压力范围也有所不同。
（3）时间：烧结时间影响烧结程度和晶粒生长的速率。
陶瓷烧结技术
陶瓷烧结技术
陶瓷烧结技术是一种制备高性能陶瓷的重要方法，其通过将粉末烧结成坚硬、致密、尺寸稳定的成品，大大提高了陶瓷的力学性能、化学稳定性和热稳定性。
陶瓷烧结技术的应用范围非常广泛，包括高温陶瓷、结构陶瓷、生物陶瓷、电子陶瓷等多个领域。
陶瓷烧结技术的基本原理是，将陶瓷粉末在高温下烧结成坚硬、致密的材料。
在烧结过程中，陶瓷粉末会逐渐熔化形成一种液相，该液相可以在陶瓷颗粒表面扩散并形成化学键和晶界，从而提高陶瓷的致密性和强度。
不同的陶瓷材料需要不同的烧结条件，如温度、压力、时间等。
陶瓷烧结技术的方法包括热压烧结、微波烧结、闪光烧结、等离子体烧结等多种方式。
其中热压烧结是一种最为常用的方法，其将陶瓷粉末置于高温高压下，通过热流和压力的作用使颗粒结合。
微波烧结则是利用微波辐射使陶瓷材料加热和烧结。
而闪光烧结和等离子体烧结则是利用高能电子或离子束直接作用于陶瓷粉末，实现快速有效的烧结。
陶瓷烧结技术的优点在于其能够制备出非常高性能的陶瓷材料。
其中包括高硬度、高强度、高耐磨、高温稳定性以及化学稳定性等。
这些
性能使得陶瓷材料在航空航天、化工、医疗、电子等领域具有广泛的应用前景。
总之，陶瓷烧结技术是一种非常重要的材料制备方法，其制备出来的陶瓷材料在各种领域都有着广泛的应用前景。
随着科技的不断发展和研究的深入，陶瓷烧结技术也将不断更新和改进，向更高性能、更节能、更环保的方向发展。
陶瓷的特种烧结方法
陶瓷的特种烧结方法陶瓷烧结是将陶瓷粉末转变为坚硬、致密和均质的陶瓷体的过程。
在传统烧结方法上，高温烧结严重影响了陶瓷晶体的生长和致密化程度，同时易出现微裂纹及材料不均匀等问题。
为了解决这些问题，并提高陶瓷材料的性能及成纤网络形态，一些特种烧结方法被发展出来。
1. 微波烧结法微波烧结利用微波辐射，刺激陶瓷颗粒内部产生电磁波吸收现象，从而使物料内部产生局部加热，加速物料烧结过程，达到陶瓷晶体快速成长和致密化的效果。
同时，微波烧结可以实现快速均一化和高效化，提高了材料的成型和烧结速度，避免了材料的因温度差异引起的变形和启口。
2. 等离子烧结法等离子烧结是在真空或气氛中，通过引入高压等离子体激发陶瓷粉体表面覆盖的气体分子形成碘原子或硝基自由基等等离子体与材料反应，进而形成坚硬、致密和均质的陶瓷体。
这种方法可以避免烧结过程中存在的微孔和烧结反应不充分情况，具有优异的形成特性和微观结构调控能力。
3. 热等静压法热等静压法是将原始陶瓷粉末制成绿坯，用模具加压热压成形，然后加热进一步烧结而成的一种方法。
绿坯制备通过脱模后即可以直接进行热加压，克服了冷压而在烧结阶段固体化程度较低的缺点，可提高陶瓷材料的致密度和性能，同时可以实现复杂形状烧结。
快速烧结法在短时间内，快速加热陶瓷样品到一定温度，并控制在一定时间后，快速冷却而达到致密化和晶体生长的效果。
这种方法可以提高烧结的速度，降低了烧结过程中的氧化作用和烧结后的裂纹等问题，可以克服传统烧结方法中的很多缺陷，同时可以实现高温烧结。
总之，特种烧结方法的发展极大地提高了陶瓷材料的性能和应用，创新技术不断涌现，如等离子烧结、微波烧结、热等静压法和快速烧结法等，在实际应用中具有广泛的前景和市场需求。
先进陶瓷的6种新型快速烧结技术
一、激光烧结技术激光烧结技术是一种利用激光能量对陶瓷颗粒进行瞬间加热的新型烧结技术。
通过激光束在陶瓷颗粒表面瞬间产生高温，使颗粒迅速烧结成型，并且能够精确控制烧结过程中的温度和时间，实现快速高效的烧结。
二、微波烧结技术微波烧结技术利用微波照射对陶瓷粉体进行加热，通过高频电磁波与材料分子之间的相互作用，使陶瓷颗粒迅速升温并烧结成型。
微波烧结技术具有加热均匀、能耗低、速度快等优点，尤其适用于复杂形状、精密结构的陶瓷制品制备。
三、等离子烧结技术等离子烧结技术是利用等离子体对陶瓷颗粒进行高速撞击和加热的技术。
通过在陶瓷粉末表面产生等离子体，并将其能量传递给陶瓷颗粒，从而使颗粒快速烧结成型。
等离子烧结技术具有烧结速度快、能耗低、可以烧结高温陶瓷材料等优点。
四、压电陶瓷快速烧结技术压电陶瓷快速烧结技术是一种利用压电作用对陶瓷颗粒进行紧致烧结的技术。
通过施加外加电场，使陶瓷颗粒表面发生压电效应，从而实现颗粒的紧致烧结，烧结速度大大提高，同时制备出的陶瓷制品密度高、性能卓越。
五、等离子喷涂技术等离子喷涂技术是一种利用等离子体对陶瓷粉末进行快速烧结成型的技术。
通过等离子喷涂装置将陶瓷粉末与等离子体混合后，在高温高速气流的作用下迅速烧结成型。
等离子喷涂技术不仅可以实现陶瓷材料的快速烧结，还能够制备出具有优异性能的陶瓷涂层。
六、电磁场烧结技术电磁场烧结技术是一种利用电磁场对陶瓷颗粒进行加热和烧结的技术。
通过在陶瓷颗粒周围建立强磁场或者强电场，使颗粒表面迅速加热并烧结成型。
电磁场烧结技术具有能耗低、烧结速度快、制品性能优异等特点，尤其适用于纳米陶瓷材料的制备。
先进陶瓷的快速烧结技术主要包括激光烧结、微波烧结、等离子烧结、压电陶瓷快速烧结、等离子喷涂和电磁场烧结等多种技术。
这些新型烧结技术都具有烧结速度快、能耗低、制品性能优异等特点，对于提高陶瓷制品的生产效率、降低生产成本、改善产品性能具有重要意义。
随着科技的不断发展和进步，相信这些先进陶瓷的新型快速烧结技术在未来会得到更广泛的应用，为陶瓷制造业带来新的发展机遇。
北航材工 第九章 陶瓷的烧结原理与工艺
6.其它的烧结方法： · 烧结原理 · 影响因素 · 烧结方法
普通烧结 热压烧结 气氛烧结 反应烧结 液相烧结 其它方法
微波烧结法 电弧等离子烧结法 自蔓延烧结法 气相沉积法
· 烧结原理 · 影响因素 · 烧结方法
普通烧结 热压烧结 气氛烧结 反应烧结 液相烧结 其它方法
气氛压力烧结炉是德国KCE公司制造的 设备，采用计算机控制控制温度、气体压 力，最高使用温度为2200，最高使用气体 压力为100atm，广泛用于陶瓷及粉末冶金 制品的烧结，尤其是复杂形状的制品。材 料烧结后的相对密度可达99%以上。
5.液相烧结： · 烧结原理 · 影响因素 · 烧结方法
普通烧结 热压烧结 气氛烧结 反应烧结 液相烧结 其它方法
许多氧化物陶瓷采用低熔点助剂促进材料烧 结。助剂的加入一般不会影响材料的性能或反而为 某种功能产生良好影响。作为高温结构使用的添加 剂，要注意到晶界玻璃是造成高温力学性能下降的 主要因素。如果通过选择使液相有很高的熔点或高 粘度，或者选择合适的液相组成，然后作高温热处 理，使某些晶相在晶界上析出，以提高材料的抗蠕 变能力。
普通烧结 热压烧结 气氛烧结 反应烧结 液相烧结 其它方法
3.烧结过程中的物质传递： ① 蒸发与凝聚（气相烧结）画图表示
2 M 1 g ） P＝Poexp（ RT r
当为凸面时，r为正，P>Po，蒸气压高，蒸发； 为凹面时，r为负，P<Po，蒸气压低，沉淀。 ② 扩散、流动 （固相烧结） 除气相扩散外，还包括表面扩散、晶格扩 散和晶界扩散。
主要技术参数：
· 烧结原理 · 影响因素 · 烧结方法
普通烧结 热压烧结 气氛烧结 反应烧结 液相烧结 其它方法
1.最高温度：2000℃（也可做2300℃） 2.工作区尺寸：Ф160χ160mm 3.额定功率：40KW
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目前，微波烧结技术已经被广泛用于多种陶瓷复合 材料的试验研究材料直接耦合导致整体加热。
（2）微波烧结升温速度快，烧结时间短。 （3）安全无污染。 （4）能实现空间选择性烧结。
材料与微波场的作用类型
材料与微波的作用方式示意图
微波烧结系统
5 ）反应烧结
反应烧结（reaction-bonded sintering）是让原料混合 物发生固相反应或原料混合物与外加气（液）体发生 围—气（液）反应，以合成材料，或者对反应后的反应 体施加其它处理工艺以加工成所需材料的一种技术 。
是将粉末压坯或装入包套的粉料装入高压容器中，使粉 料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。
其基本原理是：以气体作为压力介质，使材料（粉 料、坯体或烧结体）在加热过程中经受各向均衡的压力， 借助高温和高压的共同作用促进材料的致密化。 目前，热等静压技术的主要应用有：金属和陶瓷的 固结，金刚石刀具的烧结，铸件质量的修复和改善，高 性能磁性材料及靶材的致密化。
（2）具备快熔快冷性，有利于保持粉末的优异特性；
（3）可以使 Si3N4，SiC 等非热熔性陶瓷在无需添加
烧结助剂的情况下 发生烧结。
间接法爆炸烧结装置（a.单面飞片； b.单活塞；c.双活塞）
直接法爆炸烧结装置
谢谢大家！
1）热压烧结
热压烧结（hot pressing）是在烧结过程中同时对
坯料施加压力，加速了致密化的过程。所以热压 烧结的温度更低，烧结时间更短。
热压技术已有70年历史，最早用于碳化钨和钨粉致密件的 制备。现在已广泛应用于陶瓷、粉末冶金和复合材料的生 产。
热压烧结的优点
（1）所需的成型压力仅为冷压法的1/10
烧结装置
烧结系统大致由 四个部分组成：真空 烧结腔（图中6）， 加压系统（图中3）， 测温系统（图中7） 和控制反馈系统。图 中1示意石墨模具，2 代表用于电流传导的 石墨板，4是石墨模 具中的压头，5是烧 结样品。
4 ）微波烧结
微波烧结（Microwave Sintering）是利用微波具有 的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材 料在电磁场中的介质损耗使材料整体加热至烧结温度而 实现致密化的方法。
低。
陶瓷材料工艺学的主线
陶瓷原料 原料加工
坯体成型
配料计算
陶瓷烧结
陶瓷修饰
烧结的主要阶段
1）烧结前期阶段（坯体入炉——90％致密化） ① 粘结剂等的脱除：如石蜡在250～400℃全部汽化挥发。 ② 随着烧结温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，颗粒间由点接触 转变为面接触，孔隙缩小，连通孔隙变得封闭，并孤立分布。 ③ 小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大。 2）烧结后期阶段 ①孔隙的消除：晶界上的物质不断扩散到孔隙处，使孔隙逐渐消除 ②晶粒长大：晶界移动，晶粒长大。
热等静压装置
3 ）放电等离子体烧结
放电等离子体烧结工艺(Spark Plasma Sintering，简 写为SPS)是近年来发展起来的一种新型材料制备工艺 方法。又被称为脉冲电流烧结。该技术的主要特点是利 用体加热和表面活化，实现材料的超快速致密化烧结。 可广泛用于磁性材料、梯度功能材料、纳米陶瓷、
陶瓷烧结
材料学 fairy
主要内容
陶瓷烧结的 定义
烧结的主要 阶段
烧结分类
特色烧结方 法
陶瓷材料的烧结
烧结（sintering）是一种利用热能使粉末坯体致 密化的技术。是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下， 表面积减小、孔隙率降低、机械性能提高的致密 化过程。
烧结驱动力： 粉体的表面能降低和系统自由能降
热等静压的优点
（1）陶瓷材料的致密化可以在比无压烧结或热压烧结低 得多的温度下完成，可以有效地抑制材料在高温下发生很 多不利的发应或变化； （2）能够在减少甚至无烧结添加剂的条件下，制备出微 观结构均匀且几乎不含气孔的致密陶瓷烧结体； （3）可以减少乃至消除烧结体中的剩余气孔，愈合表面 裂纹，从而提高陶瓷材料的密度、强度； （4）能够精确控制产品的尺寸与形状，而不必使用费用 高的金刚石切割加工，理想条件下产品无形状改变。
反应烧结的优点：
（1）反应烧结时，质量增加
（2）烧结坯件不收缩，尺寸不变
6 ）爆炸烧结
爆炸粉末烧结（explosion sintering）是利用炸药爆轰产生 的能量，以冲击波的形式作用于金属或非金属粉末，在瞬态、 高温、高压下发生烧结的一种材料加工或合成的新技术。
优点 ： （1）具备高压性，可以烧结出近乎密实的材料；
（2）降低烧结温度和缩短烧结时间，抑制了晶粒 的长大。 （3）易得到具有良好机械性能、电学性能的产品。 （4）能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。
热压法的缺点是生产率低、成本高。
热压装置和模具
（a）电阻间热式；（b）感应间热式； （c）电阻直热式；（d）感应直热式
2）热等静压
热等静压工艺（Hot Isostatic Pressing，简写为HIP）
纤维增强陶瓷和金属间化合物等系列新型材料的烧结。
放电等离子体烧结的优点
①烧结温度低（比HP和HIP低200-300℃）、烧结时间 短（只需3-10min，而HP和HIP需要120-300min）、单 件能耗低； ②烧结机理特殊，赋予材料新的结构与性能； ③烧结体密度高，晶粒细小，是一种近净成形技术； ④操作简单，不像热等静压那样需要十分熟练的操作 人员和特别的模套技术。
烧结的分类：
固相烧结（只有固相传质） 烧 结
液相烧结（出现液相）
气相烧结（蒸汽压较高）
烧结过程中的物质传递 气相传质（蒸发与凝聚为主）
烧结过程 中的物质 传递
固相传质（扩散为主）
液相传质（溶解和沉淀为主）
特色烧结方法
１）热压烧结
２）热等静压
３）放电等离子体烧结
４）微波烧结
５）反应烧结
６）爆炸烧结