中國粉體網(wǎng)訊 納米陶瓷是指晶界寬度、晶粒尺寸、缺陷尺寸和第二相分布都在納米數(shù)量級上。其尺寸的納米化大大提高了晶界數(shù)量，使材料的超塑性和力學(xué)性能大大提高，極為有效地克服了傳統(tǒng)陶瓷的弊端。
納米陶瓷的制備工藝主要包括納米粉體的制備、成型和燒結(jié)。燒結(jié)是指陶瓷材料晶粒長大、晶界形成的同時逐漸致密化的過程，其作為納米陶瓷制備的關(guān)鍵步驟，極大地影響著材料的結(jié)構(gòu)和性能。
納米陶瓷的燒結(jié)機理
陶瓷燒結(jié)過程中的驅(qū)動力來自晶粒表面自由能的減少，燒結(jié)過程中的物質(zhì)傳遞主要依靠蒸發(fā)-凝聚、晶界擴散、表面擴散、晶體內(nèi)擴散（體擴散）、塑性變形和蠕變（存在壓力）幾種途徑。其中晶界擴散、體致密化擴散、塑性變形和蠕變能提高陶瓷的致密化，其他擴散過程則會導(dǎo)致晶粒粗化。
對于納米陶瓷來說，它與常規(guī)陶瓷燒結(jié)的不同之處在于，普通陶瓷的燒結(jié)一般不必過多考慮晶粒的生長，而在納米陶瓷的燒結(jié)過程中必須采取一切措施控制晶粒長大。由于納米陶瓷粉體具有巨大的比表面積，使作為粉體燒結(jié)驅(qū)動力的表面能劇增，擴散增大，擴散路徑變短，所以納米粉體燒結(jié)與常規(guī)粉體的燒結(jié)具有以下特點：燒結(jié)活化能低，燒結(jié)速率快和燒結(jié)開始溫度降低。
納米陶瓷的燒結(jié)方法
常規(guī)燒結(jié)
常規(guī)燒結(jié)是最簡單原始的燒結(jié)方法，多用于普通陶瓷燒結(jié)，一般認(rèn)為，常規(guī)燒結(jié)只對易燒結(jié)，粉體性能優(yōu)良，素坯致密度較高且結(jié)構(gòu)均勻性好地材料有效。否則，通常只能嘗試添加燒結(jié)助劑的方法以降低燒結(jié)溫度或以第二相的形式釘扎在晶界上進(jìn)而降低晶界遷移速率，增加晶界擴散來實現(xiàn)陶瓷的納米化。因此，如何獲得晶粒尺寸較小、尺寸分布較窄的優(yōu)異粉體，同時成型時得到致密度較高且結(jié)構(gòu)較好的均勻地素坯，或燒結(jié)時選擇合適的燒結(jié)助劑是今后常規(guī)燒結(jié)制備納米陶瓷的研究重點。
兩步燒結(jié)法
一般的無壓燒結(jié)是采用等速燒結(jié)進(jìn)行的，即控制一定的升溫速度，達(dá)到預(yù)定溫度后保溫一定時間獲得燒結(jié)體。在無壓燒結(jié)中，由于溫度是唯一可以控制的因素，因此如何選擇最佳的燒結(jié)溫度，從而在控制晶粒長大的前提下實現(xiàn)坯體的致密化，是納米陶瓷制備中最需要研究的問題。從燒結(jié)理論上看，兩步燒結(jié)法是通過巧妙的控制溫度的變化，在抑制晶界遷移的同時，保持晶界擴散處于活躍狀態(tài)，來實現(xiàn)在晶粒不長大的前提下完成燒結(jié)的目的。清華大學(xué)研究人員運用兩步燒結(jié)法，得到了密度高達(dá)99%以上，晶粒尺寸為60nm的Y2O3陶瓷和晶粒尺寸僅為8nm的完全致密的BaTiO3陶瓷。
熱壓燒結(jié)
熱壓燒結(jié)是在燒結(jié)的同時施加一定的軸向壓力，使樣品致密化過程在外加壓力的協(xié)同作用下完成，由于受模具材料的限制，常規(guī)熱壓燒結(jié)的壓力一般在幾十兆帕。在這種情況下，緊緊靠壓力的作用還是很難獲得納米陶瓷，通常還需要第二相輔助或其它因素共同作用。在不考慮塑性變形和蠕變的情況下，軸向壓力越大，素坯致密度越高，熱壓過程中的致密化速率越大，所以納米陶瓷的熱壓燒結(jié)往往需要很高的壓力。
高壓力作用使得納米陶瓷的燒結(jié)溫度比微米陶瓷低幾百度，這對抑制晶粒粗化有很好的效果，這種燒結(jié)方式也被稱為是超高壓燒結(jié)。超高壓燒結(jié)的特點是不僅能夠迅速達(dá)到高密度，而且使晶體結(jié)構(gòu)甚至原子、電子狀態(tài)發(fā)生變化，從而材料
具有在通常燒結(jié)下不能達(dá)到的性能。
熱等靜壓燒結(jié)
熱等靜壓燒結(jié)是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，制備陶瓷時加熱溫度通常為超過2000℃，達(dá)2300℃。該燒結(jié)方法通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質(zhì)，使得粉末的各個方向受到相等的壓力。
熱等靜壓燒結(jié)方法能克服壓力不均勻現(xiàn)象，減少了陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)梯度和結(jié)構(gòu)缺陷，故加工的產(chǎn)品均勻致密、性能優(yōu)異。 同時，該技術(shù)還具有燒結(jié)時間相對較短、工序少和材料損耗小等特點。這種方法在制備納米陶瓷時對粉體的要求不高，即使是團(tuán)聚嚴(yán)重的粉體也能達(dá)到較好的效果。目前該方法已廣泛用于納米氧化物陶瓷及非氧化物陶瓷的制備中。
放電等離子燒結(jié)(SPS)
放電等離子燒結(jié)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，是近年來被廣泛應(yīng)用于材料制備的一種先進(jìn)的燒結(jié)技術(shù)。SPS與熱壓燒結(jié)相似，不同之處在于加熱方式，它是通過通-斷直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加壓的燒結(jié)方法。直流脈沖電流初期的電火花放電產(chǎn)生局部高溫場、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場擴散，能夠提供極快的加熱速度從而獲得高致密度的均勻燒結(jié)體。SPS燒結(jié)充分利用了粉體內(nèi)部的自發(fā)熱作用，產(chǎn)生大量的熱傳遞通道以及縮短熱擴散的距離，使粉體迅速升溫，燒結(jié)致密度增加的同時并能有效抑制晶粒的長大。
目前SPS作為一種有效的制備納米陶瓷的方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括氧化物(ZrO2、MgO、BaTiO3)、碳化物(SiC、TiC、WC)、氮化物(Si3N4、TiN)等納米陶瓷的燒結(jié)中。SPS燒結(jié)工藝優(yōu)勢非常明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間短，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品組織細(xì)小均勻，能保持原材料的自然狀態(tài)，得到高致密度的材料，還可燒結(jié)梯度材料以及復(fù)雜工件等。
微波燒結(jié)
微波燒結(jié)為20世紀(jì)80年代中后期國際上發(fā)展起來的一種新型陶瓷的燒結(jié)技術(shù)，它是利用在微波電磁場中材料的介電損耗致使材料整體加熱至燒結(jié)溫度，并最終實現(xiàn)致密化的快速燒結(jié)的新技術(shù)，具有升溫速度快、能源利用率高、加熱效率高和安全衛(wèi)生無污染等優(yōu)點，并能提高產(chǎn)品的均勻性，改善被燒結(jié)材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能。
對于納米陶瓷，微波燒結(jié)能力取決于材料對微波的吸收量和吸收速率。陶瓷對微波的吸收能力與微波頻率和介電損耗系數(shù)成正比，對于多數(shù)低耗散的納米陶瓷，其介電損耗系數(shù)隨溫度和頻率增加，因此往往較高的微波頻率更利于陶瓷的微波燒結(jié)。另外，由于微波加熱是對整體均勻即時加熱，因此材料整體受熱均勻，樣品內(nèi)部溫度梯度很小，這對于制備高密度、高強度、高韌性的納米材料非常有
利。
選擇性激光燒結(jié)(SLS)
選擇性激光燒結(jié)采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料。 加工時，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平。激光束在計算機控制下根據(jù)分層截面信息進(jìn)行有選擇地?zé)Y(jié)， 一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結(jié)好的零件。
在納米陶瓷制備中，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)利用激光能量瞬時產(chǎn)生極高的溫度梯度保證燒結(jié)過程中納米粉體的尺寸在固-液-固相變過程中變化極小，從而能有效控制陶瓷材料晶粒生長，并消除材料的某些內(nèi)部缺陷。
閃燒
閃燒技術(shù)為近幾年出現(xiàn)的一種新型電場輔助陶瓷燒結(jié)技術(shù)，由Cologna等于2010年首次報道，能夠在一定強度的電場輔助下幾秒鐘之內(nèi)完成致密化。
相對于傳統(tǒng)的燒結(jié)方法，閃燒有如下優(yōu)勢：閃燒需要的溫度一般遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)材料的燒結(jié)溫度；閃燒過程只需幾秒鐘，時間遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燒結(jié)，是一種超快速、節(jié)能的燒結(jié)方式。目前，閃燒技術(shù)研究的材料體系包括：離子導(dǎo)體(3YSZ等)、絕緣體(Al2O3)、半導(dǎo)體(BaTiO3、SiC等)以及電子導(dǎo)體(Co2MnO4和ZrB2)等。
參考資料：
徐順祥、寇華敏等.納米陶瓷燒結(jié)技術(shù)研究進(jìn)展及展望
李翀、武明等.納米陶瓷材料燒結(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展
肖長江、鄧湘榮等.納米陶瓷的特性和燒結(jié)方法研究進(jìn)展
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