陶瓷燒結概念及驅動力

        先進固體陶瓷材料的制備過程中，在完成了生坯的成型之后，接著便是實現對成型生坯的燒結。在選定了化學組成之后，材料的性能主要取決于其顯微結構，而燒結過程即使材料獲得預期顯微結構的過程。因此，燒結是材料制備的一個關鍵環節，決定著制品的最終性能，應謹慎選擇燒結方法，嚴格控制燒結過程，以期獲得具有預期性能的陶瓷制品。



       (1)陶瓷燒結概念可扼要簡述為：成型生坯在一定溫度下的致密化過程和現象的總稱。先進陶瓷生坯燒結后在宏觀上的主要變化是：體積收縮、致密度提高、強度增加。因此，先進陶瓷的燒結過程為：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，密度增如同時機械強度顯著提高，最后成為堅硬的具有某種顯微結構的多晶燒結體。
    由上面對燒結現象的描述可知，要發生燒結過程必須滿足下面兩項原則。
    ①必須存在物質的遷移。由前面的相關章節可知，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，只有通過物質的遷移，才能消除生坯中的空隙，實現生坯的致密化。
    ②必須存在一種能源來促進和維持物質的遷移。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，在該溫度下物質的遷移變得相對容易進行，從而實現熱致密化。
    (2)燒結階段  在燒結過程中會發生一系列的物理化學變化，主要表現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量和性能。在不同燒結時期，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不同時期的特點，有必要將整個燒結過程進行不同階段的區分。一般整個燒結過程包括：顆粒之間形成接觸、燒結頸長大、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燒結前期  燒結前期包括顆粒之間形成接觸、燒結頸長大過程。燒結前，陶瓷粉料以具有一定形狀和機械強度的多孔坯體存在。在燒結前期，陶瓷生坯一般含有百分之幾十的氣孔，顆粒之間只有點接觸。在燒結驅動力的作用下，物質通過不同的擴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燒結中期燒結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散，把晶粒間的物質遷移至頸表面，收縮才能進行。氣孔形成于由頸部周圍柱狀通道構成的連續網絡，連通氣孔不斷縮小。兩個顆粒之間的晶界與相鄰晶界相遇，形成品界網絡。晶界移動，晶粒逐步長大。結果是氣孔縮小，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。這時坯體的密度達到理論密度的90%以上。
    ③燒結后期燒結后期包括孔洞粗化、晶粒長大過程。在燒結后期，封閉的氣孔主要處于晶粒交界處。封閉孤立的氣孔擴散填充，使致密化繼續進行，同時晶粒繼續均勻長大，一般氣孔隨晶界一起移動，直至致密化，得到致密的陶瓷產品。此后．如繼續在高溫下燒結，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，而是品界移動的結果。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。在燒結后期的晶粒長大過程中，可能出現氣孔遷移速率顯著低于晶界遷移速率的現象，這時氣孔離開晶界而被包到晶粒內，此后由于物質擴散路程加長、擴散速率減小等因素，使氣孑L進一步縮小和排除變得幾乎不可能繼續進行。在這種情況下進一步燒結，很難使致密度有所提高，但晶粒足寸還會不斷長大，甚至會出現少數晶粒的不正常長大現象，使殘留小氣孔更多地包到大品粒的深處。
    事實上，由于整個燒結過程是一個連續的致密化過程，并且材料不同、燒結方法相異時，燒結階段的區分也不盡相同。如前所述，對整個燒結過程進行不同階段的區分，只是為了更好地把
握和理解燒結過程中的特點變化。
    (3)燒結驅動力  一般來說，純氧化物或化合物粉體，經成型得到的生坯，顆粒間只有點接觸，強度很低，但通過燒結，雖在燒結時既無外力又無化學反應，卻能使點接觸的顆粒緊密結成堅硬而強度很高的燒結體，那么燒結的驅動力是什么呢？
        燒結的驅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果。利用機械作用或化學作用來制備粉體時所消耗的機械能或化學能，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部出現各種品格缺陷，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定狀態。任何系統都具有向最低能量狀態發展的趨勢。因此，粉體的過剩表面能就成為燒結過程的驅動力（燒結后總表面積可降低3個數
量級以上）。燒結是一個不可逆過程，燒結后系統將轉變為熱力學更為穩定的狀態。陶瓷粉體的燒結能約為數百上千焦耳，摩爾（一般低于4180J/mol）。與化學反應過程中能量變化可達幾萬至幾}‘萬焦耳／摩爾相比，這個燒結推動力確實是很小的。因此，燒結不能門動進行，必須對粉體加溫，補充能量，才能使之轉變為燒結體。