无论是传统陶瓷还是精密结构陶瓷，都离不开烧结，可以说，烧结是陶瓷坯体成型的最后一道工艺，陶瓷产品的性能优劣很大一部分因素是由烧结来决定的，如何烧的致密度高、烧的均匀、降低制造成本？其实它的前一道工序脱脂环节至关重要，除此之外，我们还要了解影响它的几大因素：粉体、添加剂、烧结温度及时间、压力及烧结气氛等。图 手机陶瓷盖板及中框，拍摄于丁鼎陶瓷 一、什么是陶瓷的烧结？陶瓷素坯在烧结前是由许许多多单个的固体颗粒所组成的，坯体中存在大量气孔，气孔率一般为35%~60%（即素坯相对密度为40%~65%），具体数值取决于粉料自身特征和所使用的成型方法和技术。当对固态素坯进行高温加热时，素坯中的颗粒发生物质迁移，达到某一温度后坯体发生收缩，出现晶粒长大，伴随气孔排除，最终在低于熔点的温度下（一般在熔点的0.5~0.7倍）素坯变成致密的多晶陶瓷材料，这种过程称为烧结。 图 烧结炉高温炉膛，来源于合肥高歌 烧结的驱动力是粉末坯体的系统表面能减小，烧结过程由低能量晶界取代高能量晶粒表面和坯体体积收缩引起的总界面积减少来驱动，而促使坯体致密化的烧结机理包括蒸发-凝聚、晶格扩散、晶界扩散、黏滞流动等传质方式。 二、烧结过程中出现的三种变化烧结过程中通常发生三种主要变化： 1. 晶粒尺寸及密度的增大； 2. 气孔形状的变化； 3. 气孔尺寸和数量的变化，通常使气孔率减少。 对于致密陶瓷材料，相对密度一般可达到98%以上，而对于透明陶瓷要求烧结后陶瓷内部气孔率趋近于零。 三、影响陶瓷烧结的5大因素是什么？影响陶瓷烧结的因素有压力、气氛因素，同时粉体、温度、添加剂等也对陶瓷烧结有一定影响，但最重要的是它的前一道工序：脱脂工艺，下面我们就来分析一下： 脱脂环节搞定，盖板烧结就成功了一大半！ 陶瓷如何烧的好？针对这个问题，很多人都忽略了一个环节，就是它的前道工序：脱脂，简单来说是通过加热或其它方法将有机物等从陶瓷坯体中脱离出来。脱脂与烧结是整个工艺中非常重要的热工工艺，甚至可以说，烧结好不好，要看脱脂脱的是否彻底！ 脱脂工艺非常重要，如果把控不好，比如温度不均匀、脱脂不充分、脱脂时间不够等，都会导致坯体一系列问题，包括有孔隙，有微裂纹等，但这些问题从脱脂炉出来是看不见的，必须经过烧结环节，这些缺陷才会暴露出来，但此时已经晚了，因为烧结工艺是不可逆的。尤其是在大批量量产的时候，对脱脂的要求是非常高的。 除此之外，还有哪些因素影响陶瓷的烧结？我们来看看： 原始粉料一般来讲，物料分散度越高，其表面能就越高，因此，具有促进迁移扩散的强大作用力，利于烧结;同时，在充分粉碎过程中，颗粒内部和表面的缺陷增加，有效地提高了质点的可迁移性。无论是固态或液态的烧结，细颗粒由于增加了烧结的推动力，缩短了原子扩散距离和提高颗粒在液相中的溶解度而提高烧结速率。而当原始粉料颗粒团聚现象严重，紧密堆积性差，再加上素坯压制时压力有梯度分布以及外加剂未能与粉料混匀，就会造成素坯各部分密度与组成的不均匀，于是素坯在烧结时会产生不均匀的致密化。添加剂通常外加剂的加入将牵制材料在烧结时的晶界运动，使晶粒生长受到抑制，但是在某些情况下，结果恰好相反。如在固相烧结中，少量添加剂（又称烧结助剂）可与主晶相形成固溶体促进缺陷增加；在液相烧结中，添加剂能改变液相的性质（如黏度、组成等），从而起到促进烧结的作用。烧结温度和保温时间环境温度和高温下的保温时间，是坯体能否完全烧结的重要外因条件。在晶体中晶格能愈大，离子结合也愈牢固，离子的扩散也愈困难，所需烧结温度也就愈高。各种晶体结合情况不同，因此烧结温度也相差很大，即使对同一种晶体烧结温度也不是一个固定不变的值。伴随环境温度的升高及保温时间的延长，物质质点迁移扩散充分，坯体不断收缩、体积密度不断提高。通常将坯体的气孔率、致密度及机械强度等性能参数变化，趋于稳定时的温度称为烧结温度。将在温度最高点的保温时间称为保温时间。环境温度值超过某一数量限，坯体的体积密度和机械强度不增反降，称之为过烧。常将上述温度区限称为烧成温度范围。烧成温度不到，保温时间再长也会生烧；烧成温度过高，或在烧成温度点，过分延长保温时间，均会引起晶粒粗大，体积密度下降等过烧现象，导致烧结体的机械强度降低，所以在稳定配料工序的情况下，确定制品的烧成温度和保温时间等烧成曲线制度至关重要。 成型压力在烧结过程中，如果质点或空位缺陷的迁移方向适当，其速度及效率越大，越利于烧结。这种能够促进质点或空位迁移扩散效率的作用被称作迁移驱动力，包括表面能、环境压力及晶界自由能等。等静压烧结法就是通过增加烧结过程的环境压力因素，有效促进烧结进程。降低了完成烧结过程的能耗提高了烧结体的致密度，能够胜任常温条件下无法完成烧结的坯体烧成。一般来说，成型压力愈大，颗粒间接触愈紧密，对烧结愈有利。烧结气氛不同的烧结气氛，会对陶瓷的烧结过程产生不同程度的影响，或促进烧结，或阻碍烧结。例如，在ZnO粉体中掺入微量Al2O3，其素坯在氧化气氛中烧结，ZnO的晶粒生长将受到抑制，晶粒形貌细小均匀。反之，在ZnO粉料中掺入微量Li2O后，其素坯在还原气氛下烧结，ZnO晶粒会快速长大，最后有可能发生晶粒异常长大。感谢合肥高歌吕总对此文的大力帮忙，艾邦智造携艾邦高分子将于1月12日在深圳举办《第三届手机陶瓷外壳技术与应用论坛暨展示会》，合肥高歌将对本次会议大力赞助，赞助小米6陶瓷尊享版手机两部、小米MIX 2手机一部。 |
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