陶瓷烧成工艺培训课程课件

第四章第四章 陶瓷烧成工艺陶瓷烧成工艺1第四章 陶瓷烧成工艺12一、烧成制度与产品性能的关系4.1 烧成制度的制定烧成制度的制定烧成制度包括：温度制度、气氛制度和压力制度。（一）烧成温度对产品性能的影响（一）烧成温度对产品性能的影响烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时相应温度即烧成时的止火温度，是一个有下限和上限的烧成范围。u烧成温度的高低与坯料的种类、细度及烧成时间密切相关。u烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸、液相的组成和数量以及气孔的形貌和数量。22一、烧成制度与产品性能的关系4.1 烧成制度的制定烧成3（二）保温时间对产品性能的影响（二）保温时间对产品性能的影响保保温温温温度度常常低低于于烧烧成成温温度度，保保温温时时间间直直接接关关系系到到晶晶体体的的形形成成率率和晶花的大小、形状。和晶花的大小、形状。（三）烧成气氛对产品性能的影响（三）烧成气氛对产品性能的影响气气氛氛会会影影响响陶陶瓷瓷坯坯体体高高温温下下的的物物化化反反应应速速度度，改改变变其其体体积积变变化化、晶粒与气孔、烧结温度甚至相组成等。晶粒与气孔、烧结温度甚至相组成等。33（二）保温时间对产品性能的影响（三）烧成气氛对产品性能的影二、拟定烧成制度的依据u 坯料在加热过程中的性状变化，初步得出坯体在各温度或时间阶段可以允许的升、降温速率等;u 坯体形状、厚度和入窑水分；u 窑炉结构、燃料性质、装窑密度；u 烧成方法。4二、拟定烧成制度的依据 坯料在加热过程中的性状变化，初步一、一、低温烧成与快速烧成的作用低温烧成与快速烧成的作用低温烧成与快速烧成的涵义低温烧成与快速烧成的涵义 低低温温烧烧成成：凡凡烧烧成成温温度度有有较较大大幅幅度度降降低低（在在80100以以上）且产品性能与通常烧成的性能相近的烧成方法。上）且产品性能与通常烧成的性能相近的烧成方法。快快速速烧烧成成：相相对对而而言言，指指的的是是产产品品性性能能无无变变化化，而而烧烧成成时间大量缩短的烧成方法。时间大量缩短的烧成方法。4.2 低温烧成和快速烧成低温烧成和快速烧成5一、低温烧成与快速烧成的作用低温烧成与快速烧成的涵义4.2二、二、降低烧成温度的工艺措施降低烧成温度的工艺措施（一）（一）调整坯、釉料组成调整坯、釉料组成（二）提高坯料细度（二）提高坯料细度6二、降低烧成温度的工艺措施（一）调整坯、釉料组成61、坯、釉料能适应快速烧成的要求坯、釉料能适应快速烧成的要求干燥收缩和烧成收缩均小干燥收缩和烧成收缩均小坯料的热膨胀系数小，最好它随温度的变化呈线性关系坯料的热膨胀系数小，最好它随温度的变化呈线性关系坯料的导热性能好，使烧成时物理化学反应能迅速进行，坯料的导热性能好，使烧成时物理化学反应能迅速进行，又能提高坯体的抗热震性又能提高坯体的抗热震性坯料中少含晶型转变的成分，以免造成破坏坯料中少含晶型转变的成分，以免造成破坏三、三、快速烧成的工艺措施快速烧成的工艺措施必须满足的工艺条件必须满足的工艺条件:71、坯、釉料能适应快速烧成的要求三、快速烧成的工艺措施必须满（2）减少坯体入窑水分、提高坯体入窑温度；（3）控制坯体厚度、形状和大小；（4）选用温差小和保温良好的窑炉；（5）选用抗热震性能良好的窑具。8（2）减少坯体入窑水分、提高坯体入窑温度；84.3 4.3 烧成新方法烧成新方法94.3 烧成新方法9热压烧结的发展热压烧结的发展热压烧结工艺热压烧结工艺热压烧结应用实例热压烧结应用实例一、热压烧结热压烧结的发展热压烧结工艺热压烧结应用实例 1 2 3 101.热压烧结的发展热压烧结的发展l 18261826年年索波列夫斯基首次利用常温压力烧结的方法得到索波列夫斯基首次利用常温压力烧结的方法得到了白金。而热压技术已经有了白金。而热压技术已经有7070年的历史，热压是粉末冶金年的历史，热压是粉末冶金发展和应用较早的一种热成形技术。发展和应用较早的一种热成形技术。l 19121912年年，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉制造致密，德国发表了用热压将钨粉和碳化钨粉制造致密件的专利。件的专利。l 1926192619271927年年，德国将热压技术用于制造硬质合金。，德国将热压技术用于制造硬质合金。l 从从19301930年起年起，热压更快地发展起来，主要应用于大型硬，热压更快地发展起来，主要应用于大型硬质合金制品、难熔化合物和现代陶瓷等方面。质合金制品、难熔化合物和现代陶瓷等方面。1.热压烧结的发展 1826年索波列夫斯基首次利用常温压力烧11许多陶瓷粉体许多陶瓷粉体(或素坯或素坯)在烧结过程中，由于烧结在烧结过程中，由于烧结温度的提高和烧结时间的延长，而导致晶粒长大。温度的提高和烧结时间的延长，而导致晶粒长大。与陶瓷无压烧结相比，与陶瓷无压烧结相比，热压烧结能降低烧结温度热压烧结能降低烧结温度和缩短烧结时间，可获得细晶粒的陶瓷材料和缩短烧结时间，可获得细晶粒的陶瓷材料。热压烧结优点热压烧结优点：许多陶瓷粉体(或素坯)在烧结过程中，由于烧结温度的提高和烧结12例：热热压压氮氮化化硅硅材材料料的的抗抗弯弯强强度度和和断断裂裂韧韧性性分分别别可可达达1100MPa1100MPa和和9MPa9MPam m-2-2；热热压压氧氧化化锆锆增增韧韧陶陶瓷瓷的的抗抗弯弯强强度度和和断断裂裂韧韧性性分分别别为为 1500MPa1500MPa和和15MPa15MPam m-2-2。此此外外，一一些些含含有有易易挥挥发发组组分分的的陶陶瓷瓷，如如氧氧化化铅铅、氧氧化化锌锌和和某某些些氮氮化化物物，以以及及用用纤纤维维、晶晶须须、片片状状晶晶粒粒、颗颗粒粒弥弥散散强强化化的的陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料，用用热热压压工工艺艺比比用用无无压压烧烧结结容容易易获获得得高高致致密的材料。密的材料。例：热压氮化硅材料的抗弯强度和断裂韧性分别可达1100MPa132.热压烧结的原理热压烧结的原理v 热压烧结的概念v 热压烧结的适用范围2.热压烧结的原理 热压烧结的概念14 热压烧结的概念热压烧结的概念 烧烧结结是是陶陶瓷瓷生生坯坯在在高高温温下下的的致致密密化化过过程程和和现现象象的总称。的总称。随随着着温温度度的的上上升升和和时时间间的的延延长长，固固体体颗颗粒粒相相互互键键联联，晶晶粒粒长长大大，空空隙隙(气气孔孔)和和晶晶界界渐渐趋趋减减少少，通通过过物物质质的的传传递递，其其总总体体积积收收缩缩，密密度度增增加加，最最后后成成为为坚坚硬硬的的只只有有某某种种显显微微结结构构的的多多晶晶烧烧结结体体，这这种种现现象象称称为为烧烧结结。烧烧结结是是减减少少成成型型体体中中气气孔孔，增增强强颗颗粒粒之之间结合，提高机械强度的工艺过程。间结合，提高机械强度的工艺过程。热压烧结的概念 烧结是陶瓷生坯在高温下的致密化过程15施加外压力的烧结，施加外压力的烧结，简称加压烧结简称加压烧结(applied pressure(applied pressure)or or(pressureassisted(pressureassisted sintering)sintering)不施加外压力的烧结，不施加外压力的烧结，简称不加压烧结简称不加压烧结(pressureless sintering)(pressureless sintering)不加压烧结不加压烧结加压烧结加压烧结烧结过程可以分为两大类烧结过程可以分为两大类：对对松松散散粉粉末末或或粉粉末末压压坯坯同同时时施施以以高高温温和和外外压压，则是所谓的则是所谓的加压烧结加压烧结施加外压力的烧结，不施加外压力的烧结，不加压烧结加压烧结烧结16热热压压是是指指在在对对置置于于限限定定形形状状的的石石墨墨模模具具中中的的松松散散粉粉末末或或对对粉末压坯加热的同时对其施加单向压力的烧结过程。粉末压坯加热的同时对其施加单向压力的烧结过程。热压的优点热压的优点：u 热热压压时时，由由于于粉粉料料处处于于热热塑塑性性状状态态，形形变变阻阻力力小小，易易于于塑塑性性流流动动和和致致密密化化，因因此此，所所需需的的成成型型压压力力仅仅为为冷冷压压法法的的1/101/10，可以成型大尺寸的，可以成型大尺寸的A1A12 2O O3 3、BeOBeO、BNBN和和TiBTiB2 2等产品。等产品。u 由由于于同同时时加加温温、加加压压，有有助助于于粉粉末末颗颗粒粒的的接接触触和和扩扩散散、流流动动等等传传质质过过程程，降降低低烧烧结结温温度度和和缩缩短短烧烧结结时时间间，因因而而抑抑制了晶粒的长大。制了晶粒的长大。热压是指在对置于限定形状的石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加17u 热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体烧结体，容易得到细晶粒的组织，容易实现晶体的取，容易得到细晶粒的组织，容易实现晶体的取向效应和控制高蒸气压成分系统的组成变化，因而容向效应和控制高蒸气压成分系统的组成变化，因而容易得到具有良好机械性能、电学性能的产品。易得到具有良好机械性能、电学性能的产品。u 能生产尺寸较精确的产品。能生产尺寸较精确的产品。热压的优点热压的优点：热压法的缺点是生产率低、成本高热压法的缺点是生产率低、成本高。热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得18 热热压压烧烧结结与与常常压压烧烧结结相相比比，烧烧结结温温度度要要低低得得多多，而而且且烧烧结结体体中中气气孔孔率率低低，密密度度高高。由由于于在在较较低低温温度度下下烧烧结结，就就抑抑制制了了晶晶粒粒的的生生长长，所所得得的的烧烧结结体体晶晶粒粒较较细细，并并具具有有较较高高的的机机械械强强度度。热热压压烧烧结结广广泛泛地地用用于于在在普普通通无无压压条条件件下下难难致致密化的材料的制备及纳米陶瓷的制备。密化的材料的制备及纳米陶瓷的制备。例例：纳纳米米ZrOZrO2 2（3Y3Y）粉粉体体采采用用溶溶胶胶-凝凝胶胶法法制制备备，经经550550温温度度煅煅烧烧2h2h，获获得得粒粒径径约约40nm40nm的的ZrOZrO2 2（3Y3Y）粉粉体体。将将粉粉体体置置于于氧氧化化铝铝磨磨具具中中，加加载载23MPa23MPa的的外外压压后后，以以20/min20/min的的速速度度升升温温到到13001300，保保温温1h1h后后以以10/min10/min的的速速度度降降至至室室温温，获获得得的的致致密密的的纳纳米米Y-TZPY-TZP陶陶瓷瓷，晶晶粒粒尺尺寸寸约约为为90nm90nm。热压烧结的适用范围热压烧结的适用范围 热压烧结与常压烧结相比，烧结温度要低得多，而且烧结体19 在在现现代代材材料料工工业业中中，用用粉粉体体原原料料烧烧结结成成型型的的产产业业有两类，一个是粉末冶金产业，一个是特种陶瓷产业。有两类，一个是粉末冶金产业，一个是特种陶瓷产业。所所使使用用的的烧烧结结工工艺艺方方法法主主要要有有两两种种，一一种种是是冷冷压压成型然后烧结：另一种是热压烧结。成型然后烧结：另一种是热压烧结。实实验验证证明明，采采用用真真空空热热压压烧烧结结可可以以使使产产品品无无氧氧化化、低低孔孔隙隙、少少杂杂质质、提提高高合合金金化化程程度度，从从而而提提高高产产品品的的综合性能综合性能 在现代材料工业中，用粉体原料烧结成型的产业有两类，一203.热压烧结工艺热压烧结工艺(1)种类真空热压真空热压 气氛热压气氛热压震动热压震动热压均衡热压均衡热压热等静压热等静压反应热压反应热压超高压烧结超高压烧结3.热压烧结工艺(1)种类真空热压 21真空和气氛热压1 对对于于空空气气中中很很难难烧烧结结的的制制品品(如如透透光光体体或或非非氧氧化化物物)，为为防防止止其其氧氧化化等等，研研究究了了气气氛氛烧烧结结方方法法。即即在在炉炉膛膛内内通通入入一一定定气气体体，形形成成所所要要求求的的气气氛氛，在在此此气气氛氛下下进行烧结。而真空热压则是将炉膛内抽成真空。进行烧结。而真空热压则是将炉膛内抽成真空。先先进进陶陶瓷瓷中中引引人人注注目目的的SiSi3 3N N4 4、SiCSiC等等非非氧氧化化物物，由由于于在在高高温温下下易易被被氧氧化化，因因而而在在氮氮及及惰惰性性气气体体中中进进行行烧烧结结。对对于于在在常常压压下下易易于于气气化化的的材材料料，可可使使其其在在稍稍高高压力下烧结。压力下烧结。真空和气氛热压1 对于空气中很难烧结的制品(如透光体或222热等静压法(hot isostatic pressing)热热等等静静压压 是是指指对对装装于于包包套套之之中中的的松松散散粉粉末末加加热热的的同时对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。同时对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。热热等等静静压压的的压压力力传传递递介介质质为为惰惰性性气气体体。热热等等静静压压工工艺艺是是将将粉粉末末压压坯坯或或装装入入包包套套的的粉粉料料放放入入高高压压容容器器中中，使使粉粉料料经经受受高高温温和和均均衡衡压压力力的的作作用用，被被烧烧结成致密件。结成致密件。2热等静压法(hot isostatic pressing)23 热热等等静静压压强强化化了了压压制制和和烧烧结结过过程程降降低低烧烧结结温温度度，消消除除空空隙隙，避避免免晶晶粒粒长长大大，可可获获得得高高的的密密度度和和强强度度。同同热压法比较，热等静压温度低，制品密度提高。热压法比较，热等静压温度低，制品密度提高。热等静压强化了压制和烧结过程降低烧结温度，消除243反应热压烧结 这这是是针针对对高高温温下下在在粉粉料料中中可可能能发发生生的的某某种种化化学学反反应应过过程程。因因势势利利导导，加加以以利利用用的的一一种种热热压压烧烧结结工工艺艺。也也就就是是指指在在烧烧结结传传质质过过程程中中，除除利利用用表表面面自自由由能能下下降降和和机机械械作作用用力力推推动动外外，再再加加上上一一种种化化学学反反应应能能作作为为推推动动力力或或激激活活能能。以以降降低低烧烧结结温温度度，亦即降低了烧结难度以获得致密陶瓷。亦即降低了烧结难度以获得致密陶瓷。3反应热压烧结 这是针对高温下在粉料中可能发生的某种化学25 从从化化学学反反应应的的角角度度看看，可可分分为为相相变变热热压压烧烧结结、分分解解热热压压烧烧结结，以以及及分分解解合合成成热热压压烧烧结结三三种种类类型型。从从能能量量及及结结构构转转变变的的过过程程看看，在在多多晶晶转转变变或或煅煅烧烧分分解解过过程程中中，通通常常都都有有明明显显的的热热效效应应，质质点点都都处处于于一一种种高高能能、介介稳稳和和接接收收调调整整的的超超可可塑塑状状态态。此此时时，促促使使质质点点足足够够的的机机械械应应力力，以以诱诱导导、触触发发、促促进进其其转转变变，质质点点便便可可能能顺顺利利地地从从一一种种高高能能介介稳稳状状态态，转转变变到到另另一一种种低低能能稳稳定定状状态态，可可降降低低工工艺艺难难度度、完完成成陶陶瓷瓷的的致致密密烧烧结结。其其特特点点是是热热能能、机机械械能能、化化学学能能三三者缺一不可，紧密配合促使转变完成者缺一不可，紧密配合促使转变完成。从化学反应的角度看，可分为相变热压烧结、分解热压烧结26(2)热压烧结生产设备 热压机的结构是按加热和加压方法所采用的热压机的结构是按加热和加压方法所采用的气氛以及其他因素来划分的。气氛以及其他因素来划分的。在热压过程中通常利用电加热。最普通的方法有：在热压过程中通常利用电加热。最普通的方法有：对压模或烧成料通电直接加热；对压模或烧成料通电直接加热；将压模放在电炉中对其进行间接加热；将压模放在电炉中对其进行间接加热；对导电压模进行直接感应加热；对导电压模进行直接感应加热；把非导电压模放在导电管中进行感应加热把非导电压模放在导电管中进行感应加热(2)热压烧结生产设备 热压机的结构是按加热27陶瓷烧成工艺培训课程课件28美国美国CENTORR真空热压炉真空热压炉美国CENTORR真空热压炉29双向加压，烧结产品达到更高双向加压，烧结产品达到更高密度。密度。激光尺测量位移，精度高。激光尺测量位移，精度高。压力自动调节，自动稳压及保压力自动调节，自动稳压及保压，具有程序升降压功能。压，具有程序升降压功能。侧部开门，装卸料方便。侧部开门，装卸料方便。炉内发热元件采用石墨，保温炉内发热元件采用石墨，保温材料采用石墨毡及石墨筒为隔材料采用石墨毡及石墨筒为隔热屏，上、下压头采用高强度热屏，上、下压头采用高强度石墨。石墨。真空双向热压炉真空双向热压炉双向加压，烧结产品达到更高密度。真空双向热压炉30图图7.6 7.6 各种加热方式热压示意图各种加热方式热压示意图a-a-在在电电阻阻炉炉中中间间接接加加热热；b-b-阳阳模模直直接接通通电电流流加加热热；c-c-阴阴模模通通电电直直接接加加热热；d-d-导导电电（石石墨墨）阴阴模模感感应应加加热热；e-e-粉粉料料在在不不导导电电（陶陶瓷瓷）压压模模中中感感应应加热加热1-1-加加热热装装置置；2-2-阴阴模模；3-3-制制品品；4 4、5-5-阳阳模模；6-6-绝绝缘缘；7 7、8-8-石石墨墨的的或或铜铜的的（水水冷冷）导导体体。此此外外，也也可可以以采采用用超超声波先进技术。声波先进技术。图7.6 各种加热方式热压示意图a-在电阻炉中间接加热；b-31图图7.7 7.7 超声波热压示意图超声波热压示意图1-1-压机框；压机框；2-2-压铜；压铜；3-3-粉料；粉料；4-4-炉子；炉子；5-5-连接悬臂；连接悬臂；6-6-变换器；变换器；7-7-液压机液压机图7.7 超声波热压示意图1-压机框；32 热热压压装装备备用用的的模模具具材材料料中中，石石墨墨得得到到了了最最广广泛泛的的应应用用。石石墨墨的的价价格格不不太太贵贵，易易于于机机械械加加工工，在在较较大大的的温温度度范范围围内内具具有有较较低低密密度度，电电阻阻较较低低，热热稳稳定定性性好好和和具具有有足足够够的的机机械械强强度度，且且能能形形成成保保护护气气氛氛。实实际际压压模模采采用用的的石石墨墨的的抗抗压压强强度度为为35-45MPa35-45MPa。高高强强石石墨墨，可可以以在在压压力力达达70MPa70MPa条条件件下下应应用用。石石墨墨压压模模的的局局限限性性是是它它的的机机械械强强度度较较低低（不不能能在在高高压压下下工工作作）以以及及能能还还原原某某些些材材料料，尤尤其其是是氧氧化化物物。石石墨墨还还能能和和过过渡族金属，以及过渡族金属的氮化物和硅化物发生反应。渡族金属，以及过渡族金属的氮化物和硅化物发生反应。热压装备用的模具材料中，石墨得到了最广泛的应用。石墨33 除除石石墨墨压压模模外外，金金属属压压模模应应用用的的最最广广泛泛，尤尤其其是是铜铜基基合合金金压压模模。金金属属压压模模主主要要用用来来制制造造多多晶晶光光学学材材料料，比比如如氟氟化化镁镁、氧氧化化镁镁和和硒硒化化铅铅。氧氧化化物物和和陶陶瓷瓷材材料料压压模模很很少少使使用用，因因为为它它们们的的热热稳稳定定性性差差、难难以以加加工工以以及及不不是是总总能能与与所所压压材材料料相相协协调调和和相容相容。除石墨压模外，金属压模应用的最广泛，尤其是铜基合金压模34陶瓷烧成工艺培训课程课件35(3)热压烧结的过程、工艺参数及控制过程工艺制度影响热压烧结的因素12(3)热压烧结的过程、工艺参数及控制过程工艺制度1236工艺制度1工艺制度主要包括下述四个方面：工艺制度主要包括下述四个方面：u 最高烧结温度最高烧结温度u 保温时间保温时间u 降温方式降温方式u 气氛的控制气氛的控制这些制度的确定除和原料成分，加工粉碎情况，成型方这些制度的确定除和原料成分，加工粉碎情况，成型方式，化学反应过程等有关外，还与热压炉结构，加热型式，化学反应过程等有关外，还与热压炉结构，加热型装炉方式等都有关系。装炉方式等都有关系。工艺制度1工艺制度主要包括下述四个方面：371 1）升温过程升温过程 从室温升至最高烧结温度的这段时间，叫做从室温升至最高烧结温度的这段时间，叫做升温期升温期。在在满满足足产产品品性性能能要要求求的的情情况况下下，升升温温速速度度应应该该尽尽可可能能快快些。在这一时期必须考虑下列几个问题：些。在这一时期必须考虑下列几个问题：(a)(a)如如坯坯体体中中有有气气体体析析出出时时，升升温温速速度度要要慢慢。例例如如吸吸附附水水的的挥挥发发，有有机机粘粘合合剂剂的的燃燃烧烧，这这都都将将在在低低温温区区完完成成，故故直直至至400400500500之之前前，升升温温速速度度不不宜宜过过快快。此此外外，结结晶晶水水的的释释放放，氢氢氧氧化化物物的的分分解解，都都有有不不同同程程度度的的气气体体析析出出。这这时时的的升升温温速速度度也也要要放放慢慢，具具体体的的温温度度，可可在在有有关关的的差差热热分分析和失重数据中找到。析和失重数据中找到。1）升温过程 从室温升至最高烧结温度的这段时间，叫做升温38(b)(b)坯体成分中存在多晶转变时，应密切注意。坯体成分中存在多晶转变时，应密切注意。u 如如系系放放热热反反应应，则则应应减减缓缓供供热热，以以免免出出现现热热突突变变，加剧体效应而引起工件开裂；加剧体效应而引起工件开裂；u 如如系系吸吸热热反反应应，则则可可适适当当加加强强供供热热，并并注注意意其其温温度度不不一一定定上上升升，待待转转变变完完后后则则应应减减缓缓供供热热，勿勿使使升升温温过快。相变温度亦可在综合热分析数据中找到。过快。相变温度亦可在综合热分析数据中找到。(b)坯体成分中存在多晶转变时，应密切注意。39(c)(c)有液相出现时升温要谨慎。有液相出现时升温要谨慎。由由于于液液相相具具有有湿湿润润性性，可可在在加加强强粉粉粒粒之之间间的的接接触触，有有利利于于热热的的传传递递和和减减缓缓温温度度梯梯度度，且且由由于于液液相相的的无无定定形形性性，可可以以缓缓冲冲相相变变的的定定向向涨涨缩缩，有有利利于于提提高高升升温温速速度度。但但如如升升温温过过猛猛，局局部部液液相相过过多多，由由于于来来不不及及将将固固相相溶溶入入其其中中而而使使粘粘度度加加大大时时，则则有有可可能能由由于于自自重重后后内内应应力力的的作作用用而而使使瓷瓷件件变变形形、坍坍塌塌，故故升升温温速速度度又又不不能能太太快快。特特别别是是当当液液相相由由低低共共溶溶方方式式提提供供时时，温温度度稍稍许许升升高高将将使使液液相相含含量量大大为为增增加加，或或粘粘度度显显著著下下降降。只只有有当当固固相相物物质质逐逐步步溶溶入入或或新新的的化化合合物物形形成成，使粘度上升或消耗液相时，才能继续升温。使粘度上升或消耗液相时，才能继续升温。40(c)有液相出现时升温要谨慎。40(d)(d)不同电子陶瓷还可能有其特殊的升温方式。不同电子陶瓷还可能有其特殊的升温方式。如如中中间间保保温温、突突跃跃升升温温等等。BaTiOBaTiO3 3或或PbTiOPbTiO3 3为为基基本本成成分分的的正正温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻瓷瓷即即为为一一例例。如如果果在在700700800800，突突跃跃升升温温至至1100110012001200，往往往往可可以以获获得得优优异的阻异的阻温特性。温特性。(d)不同电子陶瓷还可能有其特殊的升温方式。412 2）最高烧结温度与保温时间最高烧结温度与保温时间 最最高高烧烧结结温温度度与与保保温温时时间间两两者者之之间间有有一一定定的的相相互互制制约约特特性性，可可以以一一定定程程度度地地相相互互补补偿偿。通通常常最最高高烧烧结结温温度度与与保保温温时时间间之之间间是是可可以以相相互互调调节节的的，以以达达到到一一次次晶晶粒粒发发展展成成熟熟，晶晶界界明明显显、交交角角近近120120，没没有有过过分分二二次次晶晶粒粒长长大大，收收缩缩均均匀匀、气气孔孔小，烧结件紧致而又耗能量少为目的。小，烧结件紧致而又耗能量少为目的。2）最高烧结温度与保温时间 最高烧结温度与保温时间两者之42（a a）最高烧结温度的确定最高烧结温度的确定 在在生生产产或或研研究究工工作作中中，某某一一具具体体瓷瓷料料最最高高烧烧结结温温度度的的确确定定，当当然然可可在在其其有有段段相相图图中中找找到到有有关关的的数数值值，但但这这只只能能作作为为参参考考。更更主主要要的的还还是是要要靠靠综综合合热热分分析析等等具具体体实实验验数数据据来来决决定定。因因为为，在在相相图图总总所所反反应应的的往往往往只只是是主主要要成成分分而而不不是是所所有有成成分分，而而且且粉粉粒粒的的粗粗细细与与配配比比，成成型型压压力力与与坯坯密密度度，添添加加剂剂的的类类型型与与用用量量，其其分分布布与与混混合合情情况况等等，都都与与最最高高烧烧结结温温度度密密切切相相关关，这这些些在在相相图中是无法全面反映的。图中是无法全面反映的。（a）最高烧结温度的确定 在生产或研究工作中，某一具体瓷43（b b）最高烧结温度与保温时间的关系最高烧结温度与保温时间的关系 对对于于绝绝大大多多数数先先进进的的陶陶瓷瓷，在在烧烧结结后后期期的的再再结结晶晶过过程程，主主要要都都受受制制于于扩扩散散传传质质结结构构，对对于于一一般般小小型型先先进进陶陶瓷瓷件件，以以及及一一般般烧烧成成温温区区较较宽宽的的瓷瓷件件，可可先先定定下下保保温温时时间间（13或或更更长长）再再选选定定最最高高烧烧结结温温度度，因因为为保保温温时时间间过过短短，则则不不易易准准确确控控制制，难难使使温温度度均均匀匀。保保温温时时间间过过长长使使晶晶粒粒长长大大，又又将将浪浪费费热热能能。不不过过对对于于烧烧成成温温区区特特别别窄窄的的瓷瓷料料，则则宁宁可可最最高高烧烧结结温温度度选选的的低低一一些些，保保温温时时间间选选的的长长些些，以以免免温温度度的的偶偶然然上上偏偏出出现现过过烧废品。烧废品。（b）最高烧结温度与保温时间的关系 对于绝大多数先进44（c c）粉料粒度与最高烧结温度的关系粉料粒度与最高烧结温度的关系 一一般般来来说说，粉粉料料粒粒度度越越细细活活性性愈愈高高，越越容容易易烧烧结结，这这对对烧烧结结初初期期来来说说是是显显而而易易见见的的，但但并并不不见见得得细细粒粒工工件件的的最最终终密密度度，就就必必须须比比粗粗粒粒工工件件的的大大，这这还还得得看看烧烧结结温温度度和和保保温温时时间间是是怎怎样样安安排排的的，粗粗粒粒坯坯体体必必须须要要高高温温烧烧结结，细细粒粒坯坯体体必必须须采采用用较较低低的的温温度度，才才能能获获得得致致密陶瓷密陶瓷。（c）粉料粒度与最高烧结温度的关系 一般来说，粉料粒度453 3）降温方式降温方式所谓降温方式，是指瓷件烧好后的冷却速所谓降温方式，是指瓷件烧好后的冷却速度及其有关温度。度及其有关温度。一般采用随炉冷却一般采用随炉冷却。3）降温方式所谓降温方式，是指瓷件烧好后的冷却速度及其有关温462影响热压烧结的因素影响热压烧结的因素 烧烧结结温温度度、时时间间和和物物料料粒粒度度是是三三个个直直接接影影响响热热压压烧烧结结的的因因素素。因因为为随随着着温温度度升升高高，物物料料蒸蒸汽汽压压增增高高，扩扩散散系系数数增增大大，黏黏度度降降低低，从从而而促促进进了了蒸蒸发发-凝凝聚聚，离离子子和和空空位位扩扩散散以以及及颗颗粒粒重重排排和和粘粘性性塑塑性性流流动动过过程程，使使烧烧结结加加速速。这这对对于于黏黏性性流流动动和和溶溶解解-沉沉淀淀过过程程的的烧烧结结影影响响尤尤为为明明显显。延延长长烧烧结结时时间间一一般般都都会会不不同同程程度度地地促促进进烧烧结结，但但对对黏黏性性流流动动机机理理的的烧烧结结较较为为明明显显，而而对对体体积积扩扩散散和和表表面面扩扩散散机机理理影影响响较较小。小。2影响热压烧结的因素 烧结温度、时间和物料粒度是三个直47 然然而而在在烧烧结结后后期期，不不合合理理地地延延长长烧烧结结时时间间，有有时时会会加加剧剧二二次次再再结结晶晶作作用用，反反而而得得不不到到充充分分致致密密的的制制品品。减减小小物物料料颗颗粒粒度度则则总总表表面面能能增增大大因因而而会会有有效效加加速速烧烧结结。但但，在在实实际际烧烧结结过过程程中中，除除了了上上述述这这些些直直接接因因素素外外，尚尚有有许许多多间间接接因因素素。例例如如通通过过控控制制物物料料的的晶晶体体结结构构、晶晶界界、粒粒界界、颗颗粒粒堆堆积积状状况况和和烧烧结结气气氛氛以以及及引引入入微微量量添添加加物物等等，以以改改变变烧烧结结条件和物料活性，同样可以有效地影响烧结速度。条件和物料活性，同样可以有效地影响烧结速度。然而在烧结后期，不合理地延长烧结时间，有时会加481 1）温度和保温时间的影响温度和保温时间的影响 温温度度和和保保温温时时间间是是烧烧结结的的重重要要外外因因条条件件，提提高高烧烧结结温温度度和延长保温时间有利于烧结的进行。和延长保温时间有利于烧结的进行。在在晶晶体体中中晶晶格格能能愈愈大大，离离子子结结合合也也愈愈牢牢固固，离离子子的的扩扩散散也也愈愈困困难难，所所需需烧烧结结温温度度也也就就愈愈高高。各各种种晶晶体体键键合合情情况况不不同同，因因此此烧烧结结温温度度也也相相差差很很大大，即即使使对对同同一一种种晶晶体体烧烧结结温温度也不是度也不是个固定不变的值。个固定不变的值。提提高高烧烧结结温温度度无无论论对对固固相相扩扩散散或或对对溶溶解解-沉沉淀淀等等传传质质都都是是有有利利的的。但但是是单单纯纯提提高高烧烧结结温温度度不不仅仅浪浪费费燃燃料料，很很不不经经济济，而而且且还还会会促促使使二二次次结结晶晶而而使使制制品品性性能能恶恶化化。在在有有液液相相的的烧烧结结中中，温温度度过过高高使使液液相相量量增增加加，粘粘度度下下降降，使使制制品品变变形。因此不同制品的烧结温度必须仔细试验来确定形。因此不同制品的烧结温度必须仔细试验来确定。1）温度和保温时间的影响 温度和保温时间是烧结的重要外因条49 由由烧烧结结机机理理可可知知，只只有有体体积积扩扩散散导导致致坯坯体体致致密密化化，表表面面扩扩散散只只能能改改变变气气孔孔形形状状而而不不能能引引起起颗颗粒粒中中心心距距的的逼逼近近，因因此此不不出出现现致致密密化化过过程程，下下图图表表示示表表面面扩扩散散、体体积积扩扩散散与与温度的关系。温度的关系。7 由烧结机理可知，只有体积扩散导致坯体致密化，表面扩散只50 在在烧烧结结高高温温阶阶段段主主要要以以体体积积扩扩散散为为主主，而而在在低低温温阶阶段段以以表表面面扩扩散散为为主主。如如果果材材料料的的烧烧结结在在低低温温时时间间较较长长，不不仅仅不不引引起起致致密密化化反反而而会会因因表表面面改改变变了了气气孔孔的的形形状状而而给给制制品品性性能带来了损害。能带来了损害。因因此此从从理理论论上上分分析析应应尽尽可可能能快快地地从从低低温温升升到到高高温温以以创创造体积扩散的条件。造体积扩散的条件。在烧结高温阶段主要以体积扩散为主，而在低温阶段以表面扩51 外压对烧结的影响主要表现在两个方面：生坯成型压力外压对烧结的影响主要表现在两个方面：生坯成型压力和烧结时的外加压力（热压）。和烧结时的外加压力（热压）。从烧结和固相反应机理容易理解，成型压力增大，坯体从烧结和固相反应机理容易理解，成型压力增大，坯体中颗粒堆积就较紧密，接触面积增大，烧结被加速。与此相中颗粒堆积就较紧密，接触面积增大，烧结被加速。与此相比，热压的作用是更为重要的。比，热压的作用是更为重要的。对热压烧结机理尚有不同看法，但从粘性、塑性流动机对热压烧结机理尚有不同看法，但从粘性、塑性流动机理出发是不难理解的。因烧结后期坯体中闭气孔的气体压力理出发是不难理解的。因烧结后期坯体中闭气孔的气体压力增大，抵消了表面张力的作用，此时，闭气孔只能通过晶体增大，抵消了表面张力的作用，此时，闭气孔只能通过晶体内部扩散来填充，而体积扩散比界面扩散要慢得多。由于这内部扩散来填充，而体积扩散比界面扩散要慢得多。由于这些原因导致了后期致密化的困难。热压可以提供而外的推动些原因导致了后期致密化的困难。热压可以提供而外的推动力以补偿被抵消的表面张力，使烧结得以继续和加速。力以补偿被抵消的表面张力，使烧结得以继续和加速。2 2）压力的影响）压力的影响 外压对烧结的影响主要表现在两个方面：生坯成型压力和烧52u 在在热热压压条条件件下下，固固体体粉粉料料可可能能表表现现出出非非牛牛顿顿型型流流体体性性质质，当当剪剪应应力力超超过过其其屈屈服服点点时时将将出出现现流流动动，这这相相当当于于有有液液相相参参与与的的烧烧结结一一样样，传传质质速速度度加加大大，闭闭气气孔孔通通过过物物料料的的粘粘性性或或塑塑性性流流动动得得以以消消除除。故故此此，采采用用热热压压烧烧结结可可以以保保证证在在较较低低温温度度和和较较短短时时间间内内制制得得高高质质密密度度的的烧烧结结体体，对对于于有有些些物物料料甚甚至至可可以以达到完全透明的程度。达到完全透明的程度。u 一一般般氧氧化化物物的的塔塔曼曼温温度度约约为为0.70.8Tm,但但在在热热压压烧烧结结时时通通常常可可降降低低到到0.50.6 Tm，有有的的还还可可以以更更低低。热热压压烧烧结结不不仅仅对对于于烧烧结结本本身身，而而且且也也对对烧烧结结体体性性质质产产生生重重要要影影响响。作作为为一一种种新的烧结工艺已被广泛应用于氧化物陶瓷和粉末冶金生产。新的烧结工艺已被广泛应用于氧化物陶瓷和粉末冶金生产。在热压条件下，固体粉料可能表现出非牛顿型流体性质，当剪应力533 3）物料粒度的影响物料粒度的影响 无无论论是是固固态态或或液液态态的的烧烧结结中中，细细颗颗粒粒由由于于增增加加了了烧烧结结的的推推动动力力，缩缩短短了了原原子子扩扩散散距距离离和和提提高高颗颗粒粒在在液液相相中中溶溶解解度度而而导导致致烧烧结结过过程程的的加加速速。如如果果烧烧结结速速率率与与起起始始粒粒度的度的1/31/3次方成比例。次方成比例。从从图图右右中中看看出出，当当颗颗粒粒度度越越小小时时，由由扩扩散散阶阶段段到到塑塑性性变变形形阶阶段段的的转转变压力趋向于提高变压力趋向于提高。图图7.13 7.13 颗粒尺寸对颗粒尺寸对烧结速率的影响烧结速率的影响3）物料粒度的影响 无论是固态或液态的烧结中，细颗粒由54u 烧烧结结是是基基于于在在表表面面张张力力作作用用下下的的物物质质迁迁移移而而实实现现的的，质质点点的的迁迁移移需需较较高高的的活活化化能能。可可以以通通过过降降低低物物料料的粒度来提高活性的粒度来提高活性。u 为为了了达达到到高高度度分分散散，必必须须对对物物料料进进行行细细磨磨。机机械械和和球球料料之之间间的的撞撞击击使使得得颗颗粒粒的的表表面面能能增增加加，内内部部缺缺陷陷增增加加，晶晶格格活活化化，质质点点的的移移动动变变得得容容易易。依依靠靠机机械械粉粉碎来提高物料分散度是有限度的，并且能量消耗也多。碎来提高物料分散度是有限度的，并且能量消耗也多。u 预预示示开开始始发发展展利利用用化化学学方方法法来来提提高高物物料料活活性性和和加加速烧结的工艺，即速烧结的工艺，即活性烧结活性烧结。烧结是基于在表面张力作用下的物质迁移而实现的，质点的迁移需55 例例：利利用用草草酸酸镍镍在在450450轻轻烧烧制制成成的的活活性性NiONiO很很容容易易制制得得致致密密的的烧烧结结体体，其其烧烧结结致致密密化化时时所所需需活活化化能能仅仅为为非非活活性性NiONiO的的1/31/3。活活性性氧氧化化物物通通常常是是用用其其相相应应的的盐盐类类热热分分解解制制造造的的。实实践践表表明明，采采用用不不同同形形式式的的母母盐盐以以及及热热分分解解条条件件，对对所所得得氧氧化化物物活活性有着重要影响。性有着重要影响。例：利用草酸镍在450轻烧制成的活性NiO很容564 4）气氛的影响）气氛的影响 气气氛氛不不仅仅影影响响物物料料本本身身的的烧烧结结，也也会会影影响响各各添添加加物物的的效效果。果。烧烧结结气气氛氛一一般般分分为为氧氧化化、还还原原和和中中性性3 3种种，在在烧烧结结中中气气氛氛的的影响是很复杂的。影响是很复杂的。同同一一种种气气体体介介质质对对于于不不同同物物料料的的烧烧结结，往往往往表表现现出出不不同同的的，甚甚至至相相反反的的效效果果。然然而而就就作作用用机机理理而而言言，不不外外乎乎是是物物理理和和化学化学的两方面的作用。的两方面的作用。4）气氛的影响 气氛不仅影响物料本身的烧结，也会影响各添57物理作用 在在烧烧结结后后期期，坯坯体体中中孤孤立立闭闭气气孔孔逐逐渐渐缩缩小小，压压力力增增大大，逐逐步步抵抵消消了了作作为为烧烧结结推推动动力力的的表表面面张张力力作作用用，烧烧结结趋趋于于缓缓慢慢，使使得得在在通通常常条条件件下下难难于于达达到到完完全全烧烧结结。这这时时，继继续续致致密密化化除除了了由由气气孔孔表表面面过过剩剩空空位位的的扩扩散散外外，闭闭气气孔孔中中的的气气体体在固体中的溶解和扩散等过程起着重要作用在固体中的溶解和扩散等过程起着重要作用。当当烧烧结结气气氛氛不不同同时时，闭闭气气孔孔内内的的气气体体成成分分和和性性质质不不同同，它它们们在在固固体体中中的的扩扩散散、溶溶解解能能力力也也不不相相同同。气气体体原原子子尺尺寸寸愈愈大大，扩扩散散系系数数就就越越小小，反反之之亦亦然然。例例如如，在在氢氢气气中中烧烧结结，由由于于氢氢原原子子半半径径很很小小，易易于于扩扩散散而而有有利利于于闭闭气气孔孔的的消消除除；而原子半径较大的氩则难于扩散而阻碍烧结。而原子半径较大的氩则难于扩散而阻碍烧结。物理作用 在烧结后期，坯体中孤立闭气孔逐渐缩小，压力58化学作用 主主要要表表现现在在气气体体介介质质与与烧烧结结物物之之间间的的化化学学反反应应在在氧氧气气氛氛中中，由由于于氧氧被被烧烧结结物物表表面面吸吸附附或或发发生生化化学学作作用用，使使晶晶体体表表面面形形成成正正离离子子缺缺位位型型的的非非化化学学计计量量化化合合物物，正正离离子子空空位位增增加加，扩扩散散和和烧烧结结被被加加速速，同同时时使使闭闭气气孔孔中中的的氧氧，可可以以直直接接进进入入晶晶格格，并并和和O O2-2-空空位位一一样样沿沿表表面面进进行行扩扩散散。凡凡是是正正离离子子扩扩散散其其控控制制作作用用的的烧烧结结过过程程，氧氧气气氛氛或或氧氧分分压压较较高高是是有有利的。利的。化学作用 主要表现在气体介质与烧结物之间的化学反应在59（5）液相的影响 在烧结过程中，会有液相出现，这类烧结过程称为具有液在烧结过程中，会有液相出现，这类烧结过程称为具有液相的烧结。相的烧结。液相烧结一般分为三个过程：液相烧结一般分为三个过程：在颗粒间的液相可以产生毛细管力，从而引起颗粒间的在颗粒间的液相可以产生毛细管力，从而引起颗粒间的压力并使颗粒易于滑动，导致颗粒重排和改善颗粒的堆积结构。压力并使颗粒易于滑动，导致颗粒重排和改善颗粒的堆积结构。毛细管力将引起固态颗粒的溶解和再沉淀，其结果是使毛细管力将引起固态颗粒的溶解和再沉淀，其结果是使颗粒在接触部位变得扁平、坯体发生收缩。颗粒在接触部位变得扁平、坯体发生收缩。固相颗粒之间产生烧结形成坚固的固相骨架，剩余液相固相颗粒之间产生烧结形成坚固的固相骨架，剩余液相流动填充到骨架的间隙。流动填充到骨架的间隙。由于液相的存在，溶解由于液相的存在，溶解-沉淀和流动传质使烧结致密化速率比沉淀和流动传质使烧结致密化速率比纯固相烧结大大提高。纯固相烧结大大提高。（5）液相的影响 在烧结过程中，会有液相出现，这类烧结过60（6）添加剂的影响 在在固固相相烧烧结结中中，少少量量外外加加剂剂(添添加加剂剂或或烧烧结结助助剂剂)可可与与主主晶晶相相形形成成固固溶溶体体促促进进缺缺陷陷增增加加；在在液液相相烧烧结结中中，外外加加剂剂能能改改变变液液相相的的性性质质(如如粘粘度度、组组成成等等)，因因而而都都能能起起促促进进烧烧结的作用。外加剂在烧结中的作用现分述如下。结的作用。外加剂在烧结中的作用现分述如下。与烧结主体形成固溶体 当当外外加加剂剂与与烧烧结结主主体体的的离离子子大大小小、品品格格类类型型及及电电价价数数接接近近时时，它它们们能能互互溶溶形形成成固固湾湾体体，致致使使主主晶晶相相晶晶格格畸畸变变，缺缺陷增加，便于结构基元移动而促进烧结。陷增加，便于结构基元移动而促进烧结。（6）添加剂的影响 在固相烧结中，少量外加剂(添加剂或烧61 一一般般地地说说它它们们之之间间形形成成有有限限置置换换型型固固溶溶体体更更有有助助于于促促进进烧烧结结。外外加加剂剂离离子子的的电电价价和和半半径径与与烧烧结结主主体体离离子子的的电电价价、半半径径相相差差愈愈大大，使使品品格格畸畸变变程程度度增增加加，促促进进烧烧结结的的作作用用也也愈愈明明显显。例例如如A1A12 2O O3 3烧烧结结时时，加加入入3 3CrCr2 2O O3 3形形成成连连续续固固溶溶体体可可以以在在18601860烧烧结结而而加加入入1 1-2-2TiOTiO2 2只只需需在在16001600左左右右就能致密化。就能致密化。阻止晶型转变 有有些些氧氧化化物物在在烧烧结结时时发发生生晶晶型型转转变变并并伴伴有有较较大大体体积积效效应应，这这就就会会使使烧烧结结致致密密化化发发生生困困难难，并并容容易易引引起起坯坯体体开开裂裂。这这时若能选用适宜的添加物加以抑制，即可促进烧结。时若能选用适宜的添加物加以抑制，即可促进烧结。一般地说它们之间形成有限置换型固溶体更有助于促进烧结。62抑制晶粒长大 由由于于烧烧结结后后期期晶晶粒粒长长大大，对对烧烧结结致致密密化化有有重重要要作作用用。但但若若二二次次再再结结晶晶或或间间断断性性晶晶粒粒长长大大过过快快，又又会会因因晶晶粒粒变变粗粗、晶晶界界变变宽宽而而出出现现反反致致密密化化现现象象并并影影响响制制品品的的显显微微织织构构。这这时时，可可通通过过加加入入能能抑抑制制晶晶粒粒异异常常长长大大的的添添加加物物，来来促促进进致致密化进程。在密化进程。在AlAl2 2O O3 3中加入少量的中加入少量的MgOMgO就有这种作用。就有这种作用。产生液相 烧结时若有适宜的液相，往往会大大促进颗粒重排和传烧结时若有适宜的液相，往往会大大促进颗粒重排和传质过程。添加物的另一作用机理，就在于能在较低温度下质过程。添加物的另一作用机理，就在于能在较低温度下产生液相以促进烧结。液相的出现，可能是添加物本身熔产生液相以促进烧结。液相的出现，可能是添加物本身熔点较低；也可能与烧结物形成多元低共熔物。点较低；也可能与烧结物形成多元低共熔物。抑制晶粒长大 由于烧结后期晶粒长大，对烧结致密化有重63SPS合成技术的发展历史 等离子体烧结技术原理 等离子体放电烧结的工艺 应用举例 二、等离子体烧结技术64SPS合成技术的发展历史 等离子体烧结技术原理 等离子体放电在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结 等离子活化烧结(Plasma Activated Sinteriny,PAS)等离子体辅助烧结（Plasma Assister Sinteriny,PAS）放电等离子烧结（SPS）技术 1.SPS合成技术的发展历史65在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结 等离子活化烧结(P最初实现放电产生“等离子体”的人是以发现电磁感应法则而知名的法拉第(M.Farady)，他最早发现在低压气体中放电可以分别观测到相当大的发光区域和不发光的暗区。法拉第66最初实现放电产生“等离子体”的人是以发现电磁感应法则而知名的I.Langmuir又进一步对低压气体放电形成的发光区，即阳光柱深入研究，发现其中电子和正离子的电荷密度差不多相等，是电中性的，电子、离子基团作与其能量状态对应的振动。他在其发表的论文中，首次称这种阳光柱的状态为“等离子体”。等离子体特效图67I.Langmuir又进一步对低压气体放电形成的发光区，即阳1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，但是直到1965年，脉冲电流烧结技术才在美、日等国得到应用。日本获得了SPS技术的专利，但当时未能解决该技术存在的生产效率低等问题，因此SPS技术没有得到推广应用。SPS技术的推广应用是从上个世纪80年代末期开始的。1988年日本研制出第一台工业型SPS装置，并在新材料研究领域内推广应用。1990年以后，日本推出了可用于工业生产的SPS第三代产品，具有10100t的烧结压力和50008000A脉冲电流，其优良的烧结特性，大大促进了新材料的开发。1996年，日本组织了产学官联合的SPS研讨会，并每年召开一次。1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，但是68由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国外许多大学和科研机构都相继配备了SPS烧结系统，应用金属、陶瓷、复合材料及功能材料的制备，并利用SPS进行新材料的开发和研究。1998年瑞典购进SPS烧结系统，对碳化物、氧化物、生物陶瓷登材料进行了较多的研究工作。目前全世界共有SPS装置100多台。如日本东北大学、大阪大学、美国加利福尼亚大学、瑞典斯德哥尔摩大学、新加坡南洋理工大学等大学及科研机构相继购置了SPS系统。69由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国外许多大我国近几年也开展了利用SPS技术制备新材料的研究工作，引进了数台SPS烧结系统，主要用于纳米材料和陶瓷材料的烧结合成。最早在1979年，我国钢铁研究总院自主研发制造了国内第一台电火花烧结机，用以批量生产金属陶瓷模具，产生了良好的社会经济效益。2000年6月武汉理工大学购置了国内首台SPS装置（日本住友石炭矿业株式会社生产，SPS-1050）。随后上海硅酸盐研究所、清华大学、北京工业大学和武汉大学等高校及科研机构也相继引进了SPS装置，用来进行相关的科学研究。SPS作为一种材料制备的全新技术，已引起了国内外的广泛重视。我国近几年也开展了利用SPS技术制备新材料的研究工作，引进了702.SPS合成技术原理2.1等离子体烧结技术的概念等离子体烧结技术的概念等离子体烧结技术的概念等离子体烧结技术的概念等离子体 等等离离子子体体是是宇宇宙宙中中物物质质存存在在的的一一种种状状态态，是是除除固固、液液、气三态外物质的气三态外物质的第四种状态第四种状态。等等离离子子体体-电电离离程程度度较较高高、电电离离电电荷荷相相反反、数数量量相相等等的的气气体体，通通常常是是由由电电子子、离离子子、原原子子或或自自由由基基等等粒粒子子组组成成的集合体。的集合体。712.SPS合成技术原理2.1等离子体烧结技术的概念等离子体p处于等离子体状态的各种物质微粒具有较强的化学活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应。p之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在形态，是因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。即使与气体之间也有着明显的差异。n首先，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又在整体上保持电中性。n其二，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在静电磁力，而等离子体中的带电粒子之间存在库仑力，并由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。n第三，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会收到电磁场影响和约束。处于等离子体状态的各种物质微粒具有较强的化学活性，在一定的条72说明:并非任何电离气体都是等离子体。只要当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时，体系的性质才会从量变到质变，这样的“电离气体”才算转变成等离子体。否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各部分的简单加和，而不具备作为物质的第四态的典型性和特征，仍属于气态。73说明:并非任何电离气体都是等离子体。只要当电离度大到一定程度等离子体一般分两类:第一类是高温等离子体或称热等离子体（亦称高压平衡等离子体）第二类是低温等离子体（亦称冷等离子体）此类等离子体中，粒子的激发或是电离主要是通过碰撞实 现，当 压 力 大 于1.33104Pa时，由于气体密度较大，电子撞击气体分子，电子的能量被气体吸收，电子温度和气体温度几乎相等，即处于热力学平衡状态。在 低 压 下 产 生，压 力