来源：洞见热管理

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01 烧结介绍

陶瓷烧结技术是人类在早期文明时期发展出的一种重要工艺，用于制作陶瓷器物。尽管古代技术水平有限，但古人已经掌握了一些基本的烧结原理和方法。在古代，陶瓷制作是手工操作的，制作工艺主要包括制泥、成型、干燥和烧结等步骤。制泥时，工匠会将粘土和其他原料混合搅拌，以形成陶泥。然后，陶工将陶泥塑成所需的形状，如盘、碗、壶等。接着，制品会在阴干或晾晒后进行烧结。古代的烧结设备主要是简易的土窑，将制品放入土窑中，用柴火烧制。

古代陶瓷烧结的温度控制相对简单，通常是根据经验和观察进行调节。陶瓷制品的烧结温度通常在800°C到1200°C之间，这可以使粘土颗粒结合成坚固的陶瓷体。总的来说，古代陶瓷烧结技术虽然简单，但为后世陶瓷工艺的发展奠定了基础，体现了人类对自然材料加工利用的智慧和创造力。

随着时间的推移和技术的飞速发展和进步，直到20世纪初期至中期：在这一时期，人们开始利用传统的窑炉和烧结工艺，对陶瓷材料进行烧结。这些技术主要基于传统的加热方法，如火炉、电炉等，虽然烧结效果已经较为成熟，但存在能耗高、生产效率低等问题。20世纪后期：随着科学技术的发展，微波加热技术开始被应用于陶瓷烧结领域。微波加热具有加热速率快、能耗低的优势，因此被广泛应用于陶瓷材料的烧结工艺中。21世纪初期至今：随着电子束、激光等新型加热技术的应用，陶瓷烧结技术得到了进一步的发展。这些新技术具有加热速率快、加热均匀、能耗低等优势，为陶瓷制造提供了更多可能性，尤其是在制备复杂结构和高性能陶瓷制品方面有了重大突破。

02 烧结原理

陶瓷的烧结原理是指在高温下，陶瓷粉末颗粒之间发生的结合过程，从而形成坚固的陶瓷。从根本上说，烧结是粉末发生扩散传质产生致密化，从而使陶瓷材料具有均匀显微结构、 稳定形状以及优异性能的过程。在制备先进陶瓷的过程 中，烧结是最重要的一个环节。在烧结过程中，降低烧结温度、缩短烧结时间、细化晶粒、消除残余气孔是制 备高性能陶瓷材料的关键。

传统上认为陶瓷的烧结过程可以分为三个阶段：

图1：晶粒尺寸对陶瓷压电性能的影响

(1)烧结初期——粉体与颗粒之间相互接触形成颈部

烧结初期一般指颗粒和空隙形状未发生明显变化，线收缩率小于6%左右的阶段。烧结物质的接触部分转变成晶体结合并形成烧结颈部，通过表面扩散和蒸发—凝聚发生物质迁移而同时实现体积扩散和晶界扩散，从而使颗粒中心逐渐接近。

由于表面扩散和蒸发—凝聚过程仅是物质的传输，物料中存在许多气孔，晶界处于能量较低的状态，故晶粒不会长大，所以烧结初期收缩比较小。但是烧结体的强度和其他性能等由于颗粒接触面增大而有明显的增加如果有液相存在，在此阶段将会由于高温时液相的产生而使颗粒重新分布而排列得更加致密，此时颗粒形状和大小直接影响了颗粒间的堆积状态和相互接触情况，并最终影响烧结性能。

(2)烧结中期——致密化速率增加，陶瓷快速收缩

进入烧结中期颈部将进一步增长，空隙进一步变形和缩小颗粒之间的连贯气孔通过晶界扩散和体积扩散排除，气孔表面的物质通过表面扩散和蒸发—凝聚由曲率半径小的表面向曲率半径大的表面迁移，如图所示形成单独气孔。在材料表面为开口气孔，而内部为孤立的封闭气孔，同时形成晶界，开始了晶粒长大过程，密度和强度显著增加，一般在烧结中期材料的相对密度可以达到90%~95%。如果是相烧结，那么在这个阶段将是细小的颗粒和固体颗粒表面凸起部分在液相中溶解，并在粗颗粒表面上析出。

(3)烧结后期——致密化速率急速下降，晶界迁移并导致陶瓷晶粒长大

烧结后期多数空隙已成为孤立的闭气孔，存在于晶界的气孔通过气孔的表面张力和晶界张力趋于平衡，封闭气孔收缩成类似球形并且气孔数大为减少。而物质通过体积扩散使得内部晶粒开始缓慢地均匀长大，并推动气孔移动促使气孔沿晶界通道排除达到致密化，但仍然残留少量的封闭气孔。

不管是哪一个阶段的烧结，都会引起宏观尺寸的收缩和致密度增加，因此通常用收缩率或密度值来度量烧结的程度。烧结过程中推导物质传递和迁移从而实现致密化过程的动力主要由颗粒的表面能提供。而系统表面能的大小由表面张力和颗粒大小、凹凸等因素决定。烧结过程中的物质迁移导致致密化作用和晶粒成长。温度提高时物质的迁移率增加，则晶粒更容易成长。晶粒的形成首先由颗粒的接触长大开始，当颈部区形成晶界且宽度长大到相当于小颗粒的尺寸时，晶界将较为迅速地扫过小颗粒，两个颗粒便形成一个晶粒。而理想的微观结构是尽可能控制晶粒小而均匀，排除构成缺陷的气孔而接近于理论密度，没有残存的残留应力，因此，陶瓷材料的低温烧结日益引起人们的重视。另外，晶粒生长也和晶粒的大小有关，平均粒径小的粒子发生收缩后越发变小，而大的粒子将其合并越发变大，在大粒子周围弯曲的晶界两侧存在着自由能之差 AG，因此，晶界向曲率中心迁移，粒子成长。

03 烧结技术分类

随着材料科学和工程技术的不断发展，陶瓷烧结技术也在不断创新和改进，为陶瓷制造领域的发展提供了更多可能性。其中传统的烧结是在外加热场与常压或机械压力的作用下完成的，但是这些方法对特定材料体系的烧结具有局限性。所谓传统烧结技术就是陶瓷粉末被加热至其熔点以下的温度，使其颗粒间的结合力增强，形成致密的块状物体。这种技术存在能耗高、烧结时间长和产品易变形等问题。

近年来，国内外学者开发了多种能够显著改善陶瓷材料烧结状况的新工艺，例如微波烧结、放电等离子烧结 、闪烧 、冷烧结、振荡压力烧结等；这些烧结新技术的产生为高性能陶瓷材料的制备开辟了新方法，并且丰富了陶瓷材料的烧结理论。

微波烧结技术：微波烧结原理与传统烧结有着本质区别。微波烧结技术利用微波加热原理，将陶瓷粉末迅速加热至高温，加快了烧结速率，缩短了烧结周期，并且能耗相对较低；一般的微波烧结装置主要由微波源系统，微波传输系统，微波烧结腔和监测控制系统4部分组成。其结构如图所示。

图2：微波烧结结构装置示意图

放电等离子烧结：利用放电等离子体在高温下对陶瓷粉末进行加热和烧结的过程；该技术开创性地将直流脉冲电流引入烧结过程，压头在向材料 施加压力的同时也充当电流通过的载体。与传统烧结技术通常利用发热体辐射加热不同，SPS 技术借助大电流 通过模具或导电样品产生的热效应来加热材料。对于绝缘样品，通常使用导电性良好的石墨作为模具材料，利用模具的电阻热使样品快速升温; 对于导电样品，则可 以使用绝缘模具，使电流直接通过样品进行加热。其升温速率可达 1000 ℃ /min，当样品温度达到设定值后，经过短时间保温即可完成烧结。

图3：SPS 设备的工作原理示意图

闪烧结技术：闪烧结技术是一种高温快速烧结技术，通过在极短时间内将陶瓷粉末加热至高温，使其在几秒钟内完成烧结过程，具有烧结速率快、能耗低的优势；FS 技术于 2010 年由科罗拉多大学的 Cologna 等首次报道，其来源于对电场辅助烧结技术( field-assisted sintering technology，FAST) 的研究。图4是一种典型的 FS 装置示意图，待烧结陶瓷素坯被制成“骨头状”，两端通 过铂丝悬挂在经过改造的炉体内，向材料施加一定的直 流或交流电场。炉体内有热电偶用于测温，底部有 CCD 相机可实时记录样品尺寸。

图4：闪烧设备的工作原理示意图

冷烧结：冷烧结利用化学反应或者机械压缩等方法，将陶瓷粉末颗粒结合在一起，形成坚固的陶瓷体；图4为冷烧结技术的工艺流程图，陶瓷 CS 技术的基本工艺是在陶瓷粉体中加入少量水溶液润湿颗粒，粉体表 面物质分解并部分溶解在溶液中，从而在颗粒－颗粒界面 间产生液相。将润湿好的粉体放入模具中，并对模具进行加热，同时施加较大的压力，保压保温一段时间后可制备出致密的陶瓷材料。

图5：冷烧结技术的设备

振荡压力烧结：现有的各种压力烧结技术采用的都是静态的恒定压力，烧结过程中静态压力的引入，虽有助于气孔排除和陶瓷致密度提升，但难以完全将离子键和共价键的特种 陶瓷材料内部气孔排除，对于所希望制备的超高强度、 高韧性、高硬度和高可靠性的材料仍然具有一定的局限性。振荡压力烧结将振荡和压力结合起来，通过施加振荡力和压力使陶瓷粉末在高温下形成致密的陶瓷制品。

图6：振荡压力烧结设备示意图

04 烧结论

先进功能陶瓷材料以其一系列优异的性能，在工业领域 扮演着至关重要的角色，然而目前陶瓷材料的广泛应用 仍面临许多问题与挑战，其中可靠性、致密度和强度是 主要的制约因素。如何在较低烧结温度下实现材料的快速致密化，制备出完全无气孔、结构均匀、晶粒细小且晶界强化的陶瓷块体仍是陶瓷材料科学工作者不断追求 的目标。长期以来，研究人员分别从纳米陶瓷粉体的制备与性能调控、陶瓷烧结工艺与烧结基础理论、烧结新技术与新装备等领域进行了广泛而深入的研究。结果显 示，制造技术与制造设备的革命，尤其是陶瓷烧结设备与烧结技术的创新是进一步提高先进陶瓷材料性能的最关键因素。未来需要学术界和产业界密切合作共同协作努力进一步挖掘新烧结技术的应用潜力。

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