中國粉體網(wǎng)訊 所謂透明陶瓷，就是能透過可見光的陶瓷。普通的多晶陶瓷材料，因其各向異性，低對稱晶體結(jié)構(gòu)體系的晶粒之間產(chǎn)生消光因素，加之其內(nèi)部雜質(zhì)和氣孔吸收和散射可見光，所以一般是不透明的。
（圖片來源：上海硅酸鹽研究所）
在透明陶瓷的制備過程中，除了制備出純度高、粒度均勻、活性好的納米粉體這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)外，成型與燒結(jié)工藝也是至關(guān)重要的。今天我們就來扒一扒透明陶瓷的成型工藝與燒結(jié)工藝有哪些？
成型工藝
透明陶瓷的最常用成型方法有干壓成型、等靜壓成型。
（1）干壓成型
干壓成型是一種簡單易行的成型方式，也是目前普遍使用的一種成型方式。干壓成型的主要過程是將粉體經(jīng)過球磨造粒后（可以加入一定的溶劑，通常為水或有機(jī)溶劑）置于模具內(nèi)，施以一定的壓力，使粉體形成具有一定形狀及強(qiáng)度的陶瓷生坯。干壓成型具有操作簡單、成本低廉、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合生產(chǎn)尺寸較小、形狀較為簡單的陶瓷樣品。
干壓成型示意圖
干壓成型法通常有單向壓制與雙向壓制兩種，單向壓制即只從一個面施加壓力進(jìn)行成型，雙向壓制為上下兩面同時施加壓力進(jìn)行成型。上圖是干壓成型的示意圖，圖中標(biāo)明了陶瓷坯體的密度分布情況，干壓成型的方式使靠近施壓側(cè)近的部分密度較高，遠(yuǎn)離施壓側(cè)的密度則相對較低，容易發(fā)生坯體內(nèi)部壓力不均勻的現(xiàn)象，因此在干壓成型的過程中要控制成型速度，盡量減小坯體內(nèi)部的密度差，獲得高質(zhì)量的陶瓷素坯。
（2）冷等靜壓成型
冷等靜壓成型的具體方法是將粉體裝入橡膠袋，置于鋼模內(nèi)，從各個方向?qū)Ψ垠w施加壓力使之成型。這種成型方式能夠均勻的對粉體施加壓力，克服干壓成型過程中壓力不夠均勻的缺點(diǎn)。
等靜壓成型示意圖
冷等靜壓成型可以分為干袋法、濕袋法和均衡壓制法三種方式，上圖為干袋法和濕袋法的示意圖。干袋法中加壓的模具固定在油缸內(nèi)部，這種方式操作簡單，周期短，適宜于大量生產(chǎn)。濕袋法中模具與壓力缸分離，這種成型方式能夠獲得形狀復(fù)雜的陶瓷坯體。均衡壓制法與干壓成型方法基本相同。
（圖片來源：上海硅酸鹽研究所）
燒結(jié)工藝
1、燒結(jié)方法
目前制備透明陶瓷主要的燒結(jié)方式有真空燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)等方法。
（1）真空燒結(jié)
真空燒結(jié)是指陶瓷坯體在真空條件下進(jìn)行的燒結(jié)過程，真空燒結(jié)屬于無壓燒結(jié)中的方法。在真空環(huán)境下，陶瓷內(nèi)部與外界形成壓力差，有助于氣孔的排出，降低陶瓷的氣孔率，使晶粒長大，形成致密度較高的陶瓷材料，真空環(huán)境還能夠抑制陶瓷在高溫條件下的分解或元素的揮發(fā)。真空燒結(jié)具有操作簡單、成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的透明陶瓷燒結(jié)技術(shù)，一些氧化物基陶瓷材料，如稀土激活YAG、Y2O3及Al2O3等陶瓷材料，都能夠采用真空燒結(jié)的方法制備。
（2）熱壓燒結(jié)
熱壓燒結(jié)是將粉末或陶瓷坯體放在模具中，一般為高熔點(diǎn)金屬或石墨模具，在高溫?zé)Y(jié)的同時對陶瓷坯體施加一定的壓力，在短時間內(nèi)完成燒結(jié)過程，獲得的陶瓷致密度高、晶粒細(xì)小。這種方法可以直接燒結(jié)陶瓷素坯，也能夠?qū)⒊尚凸に嚺c燒結(jié)工藝合二為一，同時進(jìn)行。
（3）熱等靜壓燒結(jié)
熱等靜壓燒結(jié)，它將常溫等靜壓工藝與高溫?zé)Y(jié)相結(jié)合，形成了一種新的技術(shù)。熱等靜壓燒結(jié)是將粉體或陶瓷坯體放入包套，再將包套置于高壓容器內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，這種燒結(jié)方式中的壓力是以高壓保護(hù)氣體的方式施加的，一方面高壓氣體對包套施加的壓力是各個方向都相同的等靜壓，不會使坯體出現(xiàn)壓力不均的問題，另一方面，保護(hù)性的氣體不會對陶瓷坯體或包套造成傷害，模具也不會因此而損耗。
（4）超高壓燒結(jié)
利用超高壓制備透明陶瓷的最常見方法是將高純粉末原料在超高壓(超過1GPa)下直接燒結(jié)成塊狀陶瓷。由于超高壓環(huán)境可以抑制晶粒生長，降低燒結(jié)溫度，因此如果初始材料為納米粉末，就能得到納米結(jié)構(gòu)的透明陶瓷。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于燒結(jié)時間短、燒結(jié)溫度低、晶粒大小可控，并且所得樣品高度致密，透光性能優(yōu)異，是一種很有應(yīng)用潛力的制備手段。
（圖片來源：上海硅酸鹽研究所）
2、影響透明陶瓷燒結(jié)的主要因素
（1）粉體粒度
粉體粒度的優(yōu)良程度是陶瓷燒結(jié)進(jìn)行的前提，降低粉體的粒度有利于促進(jìn)燒結(jié)，納米粉體對燒結(jié)更有利，這是因為納米粉體的顆粒度小，表面能高，粉體的活性好，利用納米粉體進(jìn)行陶瓷燒結(jié)過程時，較低的燒結(jié)溫度就能夠制備出氣孔率低，致密化程度高的陶瓷材料。
（2）燒結(jié)溫度與燒結(jié)時間
燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間是影響陶瓷燒結(jié)最重要的因素，它們很大程度的決定了陶瓷中晶粒的尺寸與分布情況，通過控制晶粒的尺寸大小與分布能夠控制陶瓷內(nèi)部的氣孔率與密度。
（3）燒結(jié)氣氛
燒結(jié)過程中的氣氛能夠影響陶瓷內(nèi)部氣孔的多少，進(jìn)而影響陶瓷的致密化程度。對于一些材料而言，在空氣中進(jìn)行燒結(jié)過程時，氧氣的存在會使晶體內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，增加氣孔率，從而導(dǎo)致陶瓷材料致密化程度的下降。在真空氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，更有利于陶瓷內(nèi)部氣孔的排出以及擴(kuò)散和燒結(jié)過程的進(jìn)行。
（4）燒結(jié)壓力
壓力對燒結(jié)過程中氣孔的排出影響較大，通常陶瓷坯體中都含有空氣，這是在成型工藝中殘留下的，真空燒結(jié)或減壓燒結(jié)的環(huán)境能夠使陶瓷內(nèi)外形成壓力差，促進(jìn)陶瓷內(nèi)部空氣的排出，減少陶瓷的氣孔率，增加陶瓷的致密化程度。
（5）添加劑
燒結(jié)助劑在透明陶瓷燒結(jié)過程中充當(dāng)助熔劑的角色，燒結(jié)助劑熔點(diǎn)較低，會使晶格發(fā)生畸變，提高陶瓷的活化能，有利于擴(kuò)散與燒結(jié)的進(jìn)行，提升陶瓷的致密化程度。
小結(jié)
透明陶瓷既具有陶瓷材料所共有的高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高絕緣、耐腐蝕、耐高溫等性能，又具備良好的透光性，相較于普通的光學(xué)材料擁有許多優(yōu)勢，因此可制成多種用途的電-光、電-機(jī)軍民兩用器件，在空間科學(xué)、醫(yī)學(xué)、激光、紅外探測、新型光源、檢測、勘探等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考來源：
[1]石慧.稀土激活的 Y2O3基納米粉體及透明陶瓷發(fā)光材料研究
[2]鄧佶睿等.透明陶瓷的超高壓制備研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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