陶瓷烧结概念及驱动力

        先进固体陶瓷材料的制备过程中，在完成了生坯的成型之后，接着便是实现对成型生坯的烧结。在选定了化学组成之后，材料的性能主要取决于其显微结构，而烧结过程即使材料获得预期显微结构的过程。因此，烧结是材料制备的一个关键环节，决定着制品的最终性能，应谨慎选择烧结方法，严格控制烧结过程，以期获得具有预期性能的陶瓷制品。



       (1)陶瓷烧结概念可扼要简述为：成型生坯在一定温度下的致密化过程和现象的总称。先进陶瓷生坯烧结后在宏观上的主要变化是：体积收缩、致密度提高、强度增加。因此，先进陶瓷的烧结过程为：随着温度的上升和时间的延长，分散的固体颗粒相互牢固结合，晶粒长大，空隙（气孔）和晶界渐趋减少，体系总体积收缩，密度增如同时机械强度显著提高，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体。
    由上面对烧结现象的描述可知，要发生烧结过程必须满足下面两项原则。
    ①必须存在物质的迁移。由前面的相关章节可知，成型后的陶瓷生坯都是由陶瓷颗粒聚集而成的多孑L体系，只有通过物质的迁移，才能消除生坯中的空隙，实现生坯的致密化。
    ②必须存在一种能源来促进和维持物质的迁移。最被广泛使用的方法就是采用热源将生坯升高到一定温度，在该温度下物质的迁移变得相对容易进行，从而实现热致密化。
    (2)烧结阶段  在烧结过程中会发生一系列的物理化学变化，主要表现在陶瓷晶粒和气孔尺寸及其形状的变化，从而最终决定陶瓷的质量和性能。在不同烧结时期，陶瓷品粘及气孔尺寸和形状有着很大的不同，为了能更好地把握和理解烧结不同时期的特点，有必要将整个烧结过程进行不同阶段的区分。一般整个烧结过程包括：颗粒之间形成接触、烧结颈长大、连通孔洞闭合、孔洞圆化、孑L洞收缩和致错化、孔洞粗化、晶粒长大等过程，但是可以将它们分为前期、中期和后期三个阶段。
    ①烧结前期  烧结前期包括颗粒之间形成接触、烧结颈长大过程。烧结前，陶瓷粉料以具有一定形状和机械强度的多孔坯体存在。在烧结前期，陶瓷生坯一般含有百分之几十的气孔，颗粒之间只有点接触。在烧结驱动力的作用下，物质通过不同的扩散途径向颗粒间的颈部和气孔部位填充，使颈部渐渐长大。
    ②烧结中期烧结中期包括了连通孔洞闭合、孔洞圆化、孔洞收缩和致密化过程。在烧结中期，所有晶粒都与最近邻晶粒接触，因此晶粒整体的移动已停止。只有通过晶格或晶界扩散，把晶粒间的物质迁移至颈表面，收缩才能进行。气孔形成于由颈部周围柱状通道构成的连续网络，连通气孔不断缩小。两个颗粒之间的晶界与相邻晶界相遇，形成品界网络。晶界移动，晶粒逐步长大。结果是气孔缩小，致密化程度提高，直至气孑L相互不再连通，形成孤立的圆形气fL分布于几个晶粒相交的位置。这时坯体的密度达到理论密度的90%以上。
    ③烧结后期烧结后期包括孔洞粗化、晶粒长大过程。在烧结后期，封闭的气孔主要处于晶粒交界处。封闭孤立的气孔扩散填充，使致密化继续进行，同时晶粒继续均匀长大，一般气孔随晶界一起移动，直至致密化，得到致密的陶瓷产品。此后．如继续在高温下烧结，就是单纯的晶界移动、晶粒长大过程了。晶粒长大不是小品粒的互相黏结，而是品界移动的结果。形状不同的晶界，移动的情况各不相同。弯曲的晶界总是向曲率中心移动。曲率半径愈小，移动就愈快。在烧结后期的晶粒长大过程中，可能出现气孔迁移速率显著低于晶界迁移速率的现象，这时气孔离开晶界而被包到晶粒内，此后由于物质扩散路程加长、扩散速率减小等因素，使气孑L进一步缩小和排除变得几乎不可能继续进行。在这种情况下进一步烧结，很难使致密度有所提高，但晶粒足寸还会不断长大，甚至会出现少数晶粒的不正常长大现象，使残留小气孔更多地包到大品粒的深处。
    事实上，由于整个烧结过程是一个连续的致密化过程，并且材料不同、烧结方法相异时，烧结阶段的区分也不尽相同。如前所述，对整个烧结过程进行不同阶段的区分，只是为了更好地把
握和理解烧结过程中的特点变化。
    (3)烧结驱动力  一般来说，纯氧化物或化合物粉体，经成型得到的生坯，颗粒间只有点接触，强度很低，但通过烧结，虽在烧结时既无外力又无化学反应，却能使点接触的颗粒紧密结成坚硬而强度很高的烧结体，那么烧结的驱动力是什么呢？
        烧结的驱动力是颗粒的表面能。与块状物相比，粉体具有很大的比表面积，这是外界力对粉体制备过程中做功的结果。利用机械作用或化学作用来制备粉体时所消耗的机械能或化学能，部分将作为表面能而储存在粉体中。另外在粉体的制备过程中又会引起粉粒表面及其内部出现各种品格缺陷，使品格活化。由于这些原因，粉体显然具有较高的表面白由能。与块状物相比，粉体处于商能量的不稳定状态。任何系统都具有向最低能量状态发展的趋势。因此，粉体的过剩表面能就成为烧结过程的驱动力（烧结后总表面积可降低3个数
量级以上）。烧结是一个不可逆过程，烧结后系统将转变为热力学更为稳定的状态。陶瓷粉体的烧结能约为数百上千焦耳，摩尔（一般低于4180J/mol）。与化学反应过程中能量变化可达几万至几}‘万焦耳／摩尔相比，这个烧结推动力确实是很小的。因此，烧结不能门动进行，必须对粉体加温，补充能量，才能使之转变为烧结体。