陶瓷工艺学第五章课件

2024年7月29日陶瓷材料的陶瓷材料的烧结陶瓷工陶瓷工艺学学2024年7月29日烧结(sintering)是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其具体的定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、力学性能提高的致密化过程。坯体在烧结过程中要发生一系列的物理化学变化，如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的形成等。在不同的温度、气氛条件下，所发生变化的内容与程度也不相同，从而形成不同的矿物组成和显微结构，决定了陶瓷制品不同的质量和性能。坯体表面的釉层在烧结过程中也发生各种物理化学变化，最终形成玻璃态物质，从而具有各种物理化学性能和装饰效果。5.1 概述概述2024年7月29日热压烧结(hot-pressing-sintering，HP)，热等静压烧结(high temperature isostatic pressing，HIP)，放电等离子体烧结(spark plasma sintering，SPS)，微波烧结(microwavesintering，MS)，自蔓延烧结(self_propagationhightemperaturesynthesis，SHS)，反应烧结(reaction-bondedsin-tering，RS)等，以上先进陶瓷烧结的工艺过程和原理各有区别，其对烧结样品的性能影响也不一样，在实际生产中，需要结合产品性能要求和经济效益选择合适的烧结工艺。烧结过程一般在工业窑炉中进行，根据烧结样品的组成和性能的不同，制订相应的烧结制度，包括温度制度、压力制度和气氛制度。2024年7月29日因此，只有掌握了坯体在高温烧成过程中的变化规律，正确地选择和设计窑炉，科学地制定和执行烧成制度，严格地执行装烧操作规程，才能提高产品质量，降低燃料消耗，获得良好的经济效益。烧结的发展历史比较久远，从公元前烧结陶土到如今广泛应用于陶瓷及硬质合金材料的制备等领域。几乎所有陶瓷材料的制备都经历了烧结工艺，因此，熟悉烧结工艺过程，了解烧结的各种影响因素，分析烧结机理对于制备高性能的陶瓷材料非常必要。本章主要讨论烧结的基本机理，烧结制度的制定原则，烧结设备及附件以及一些新型烧结工艺的过程和原理分析。影响烧成的因素很多，在烧成过程中如果控制不当，不但浪费燃料，而且将直接影响产品质量，甚至造成大批废品，带来不应有的损失。2024年7月29日通常，烧结过程可以分为固相烧结和液相烧结两种类型。在烧结温度下，粉末坯体在固态情况下达到致密化的烧结过程称为固相烧结；同样，粉末坯体在烧结过程中有液相存在的烧结过程称为液相烧结。5.2 烧结参数及其参数及其对烧结性能的影响性能的影响5.2.1 烧结类型型在烧结温度T1，有组分A和B按X1配比组成的粉末坯体发生固相烧结，然而在烧结温度T3，上述配方的粉末坯体则发生液相烧结。除此之外，还有其它类型的烧结过程，如过渡液相烧结和黏滞态烧结。烧结坯体中的液相含量比较高的烧结过程称为黏滞态烧结。2024年7月29日固态晶粒在黏滞液相流动的带动下，完成致密化过程，在此过程中，固态晶粒形状并不发生改变。过渡液相烧结混合了固相烧结和液相烧结过程。在烧结的初始阶段有液相形成，随着烧结致密化过程的进行，液相又消失。如图5.1中所示的X1组成的物相在共晶温度与固相线之间的温度区间内的T2温度下发生的烧结为过渡液相烧结。因为烧结的温度高于共晶温度，在烧结过程中，A与B粉体间发生反应，从而形成液相，然而，烧结温度下的平衡相组成为固相，因此，在烧结完后，烧结过程中形成的液相消失了。2024年7月29日液相烧结比固相烧结更容易控制样品的显微结构，而且烧结成本也较低，但是，液相烧结会降低样品的诸如力学性能等重要性能。相对来说，一些主要利用晶界性能的产品，例如ZnO变阻器和SrTiO3边界层电容器等，比较适合利用液相烧结。可以看出：两种烧结工艺制备的样品都已基本实现了致密化，从结构上看已经到了气孔独立分布的结果，即达到烧结的最终阶段。2024年7月29日粉末坯体的总界面能表示为A，其中为界面能；A为总的比表面积。那么总界面能的减少为(A)=A+A 其中，界面能的变化()是因为样品的致密化，比表面积的变化是由于晶粒的长大。5.2.2 烧结驱动力力烧结的驱动力就是总界面能的减少。对于固相烧结，主要是固/固界面取代固/气界面。其界面能的变化过程如图所示，在烧结过程中，由致密化过程和晶粒长大共同作用，使得总界面能降低，样品最终达到烧结。2024年7月29日因此这样的粉体的总表面能本身就比较小，如果要利用本身数值就不大的总表面能的减小来完成烧结的话，控制烧结工艺参数就显得非常必要。一般来讲，烧结样品的原始粉体粒度分布在0.1100m之间；其总表面能为5000.5 J/mol。而一般粉体氧化后的表面能变化基本上在3001500 kJ/mol范围。决定样品烧结性的主要参数有两大体系：材料参数材料参数和工工艺参数参数，具体如表5.1所示。与材料有关的参数有粉体本身的化学组成、粉体粒度、粉体形状、粉体的粒度分布、粉体团聚的程度等。上述参数对于粉体的致密化和晶粒长大等过程影响比较大。5.2.3 烧结参数参数2024年7月29日除此之外，如果烧结坯体中包含两种以上的粉体，影响其烧结性能的首要因素是粉体的混合均匀性粉体的混合均匀性。提高混合均匀性不但靠机械混合，一些化学混合方法对于提高粉体的混合均匀性也非常有帮助，例如，溶胶-凝胶法和共沉淀法。烧结的其它参数基本上都是热力学参数力学参数，如烧结温度、保温时问、烧结气氛、压力、升温和降温速度。通常研究材料的烧结性大多集中在研究烧结温度和保温时间对于烧结样品性能的影响。事实上，在实际的烧结过程中，烧结气氛气氛和烧结压力力对于烧结样品的性能影响更加复杂和重要。2024年7月29日烧结粉体的特征，如颗粒尺寸、尺寸分布、颗粒形状、颗粒团聚体以及团聚程度都严重影响着致密化过程以及烧结制品的显微结构。理想的颗粒品质是尺寸小、无团聚、等轴颗粒形状、尺寸分布范围小、纯度高。5.2.4 烧结参数参数对于于烧结样品性能的影响品性能的影响5.2.4.1 材料参数材料参数对烧结的影响的影响(1)颗粒尺寸对烧结的影响原始粉料中的颗粒尺寸越小，致密化速率越快。这种观点可以根据有关的分形理论来解释。该分形理论指出，对于由固相颗粒组成的两相或多相系统中，颗粒具有相同的特征，但尺寸不同，在一定温度下进行的烧结过程中，这些颗粒具有相似的几何特征变化，使这些变化产生所需的时间可以通过简单的定律来判断。2024年7月29日如果颗粒尺寸从1m减小到0.01m，则烧结时间降低106108数量级。同时，小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高，同时降低烧结温度、减少烧结时间。因此，目前国内外都正极力探索的纳米粉体及纳米材料的研究。然而，随着颗粒尺寸的减小，会出现一些新的问题，影响粉体的烧结，如小颗粒的结块和团聚现象。在一定温度下，半径为r1的一列球形颗粒所需要的烧结时间为t1，半径为r2的另一列排列相同的球形颗粒烧结时间为t2，则式中，n的大小与烧结过程中的质量传递机制有关。对于晶格扩散和晶界扩散，n一般为34。2024年7月29日(2)粉体结块和团聚对烧结的影响结块(agglomerates)的概念是指小部分的颗粒通过表面力和/或固体桥接作用结合在一起；而团聚(aggregates)描述的是颗粒经过牢固结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团聚形成的粗大颗粒都是通过表面力结合的。单位质量的表面力与颗粒尺寸成反比。因此，对于亚微尺寸以下的粉体颗粒，结块和团聚问题非常严重。金属粉体的颗粒尺寸通常大于10m；而在粉末冶金中，为了提高耐热金属的机械强度，所采用的粉体，如W和WC等粉体的颗粒尺寸很小，为0.51m。而陶瓷粉体很容易获得亚微尺寸的粉体。因此，与结块和团聚相关的不利影响在陶瓷粉体烧结过程中更严重。团聚和结块之间的间隙大于组成颗粒之间的间隙，大的间隙显然需要更长的烧结时间。另外，各团聚体或结块颗粒内部的致密化将导致收缩，从而使相互之间的间隙进一步加大。2024年7月29日粉体在制备和加工过程中的几个阶段可以形成结块和团聚。颗粒在液体和固体介质中所受的吸引力和排斥力如图所示。2024年7月29日在混合和球磨过程中，颗粒一般分散在一种液体介质内，布朗运动导致固相颗粒之间的反复碰撞，如果颗粒之间存在一个净吸引力，则相互之间结合在一起，形成结块。在液体介质中，形成结块的吸引力主要是范德瓦尔斯力。范德瓦尔斯力起源于一对孤立分子间的相互作用，这种力自身的作用距离很短，即其大小与两个相互作用分子之间的距离r成指数关系，r-7。颗粒之间的宏观相互作用是各个颗粒内部组成分子成对相互作用的累计总和。这种由微观成对作用力总和引起的颗粒之间的作用力是一种长程力，与颗粒之间的距离R的指数关系为R-3。2024年7月29日通常选用聚合物溶液来稳定胶体分散。在一种有机分散剂起作用之前，有机物链必须首先吸附到颗粒表面。当这些被有机物包裹的颗粒相互靠近时，吸附聚合物的相互重叠将产生排斥能。排斥能的产生主要是因为聚合物与溶剂混合引起的自由能增加，同时，由于吸附的聚合物分子失去了结构自由度，也会引起排斥能的增加。2024年7月29日在干燥过程中，盐的析晶可以产生固相固相桥接接现象。通过盐桥接结合的结块粉体的结合强度取决于桥的强度以及固相颗粒与结晶盐的结合强度。粉体浆料中盐溶液的浓度决定着“盐桥”的平均颈部尺寸大小。因此，在于燥过程中，通过漂洗(清洗)或化学处理使盐沉淀，可以消除盐桥现象，防止颗粒的结块团聚。在干燥过程中，残余水分在颗粒颈部之间产生液体液体桥接接，液体桥接内的毛细压强在两个颗粒之间产生吸引力，这种由桥接引起的吸引力大小与范德瓦尔斯力大小相当，对于直径为0.1m的颗粒，相互之间的吸引力大小大致为10-810-7 N。2024年7月29日在煅烧过程中形成的固相固相桥接接主要是由于固相颗粒之间的部分烧结或颈部生长。如果在颗粒制备过程中已经形成了松散的结块体，煅烧过程的热处理将使这些结块体转变成更加坚硬的团聚体。由于烧结颈部的尺寸随着煅烧温度的升高而增大，团聚体的结合强度随着温度的升高而提高。通常通过球磨，利用机械能来破坏这些团聚体。2024年7月29日(3)颗粒形状对烧结的影响在一对程度上，颗粒的形状对烧结性能有一定的影响，例如，对-Al2O3粉体烧结试验表明，具有等轴形状的粉体颗粒有利于烧结样品致密度的提高。具体的对比试验过程如下。通过柠檬酸盐制备出凝胶，凝胶分解得到原始粉体。对粉体在1200温度下进行煅烧，形成相，粉体形状为针状，长径比约为20。这些针状颗粒的排列取向性阻碍致密化过程，获得的样品密度低于85。然而，在排列较好的局部区域观察到较好的致密变化。因此，为了防止煅烧过程中颗粒的生长，应该尽可能提高颗粒的长径比。2024年7月29日在液相烧结过程中，颗粒形状对致密化速率和液相的体积分数产生的影响更大。润湿球形颗粒之间的毛细管力和不规则形状颗粒之间的毛细管力存在差异。将获得的原始颗粒在比烧结温度较低的温度下(约900)进行煅烧，粉体呈现为相，具有等轴颗粒形状，获得的颗粒尺寸大约为0.1m。相粉体经过研磨、离心分级和压制成型，在烧结过程中发生原位相转变过程，从相转变成相，颗粒的密堆排列阻碍横向生长，从而避免片状晶粒的出现，烧结体密度可以达到97以上。2024年7月29日在球形颗粒的接触区域引入少量体积的液相时，毛细管力很大。随着液相量的增加，毛细管力逐渐降低。对于不规则形状的颗粒，接触一般是点接触，毛细管力随着液相体积的增加从0迅速增加。金属粉末由于趋向于形成各向同性表面能，一般都是球形颗粒。因此，在湿润的金属颗粒之间，在液相含量较低的情况下，存在很大的毛细管力。而陶瓷粉体的表面能是各向异性的，颗粒形状多呈一定的棱角。此外，对于有棱角的颗粒，颗粒之间的作用力存在扭矩和剪切分量。这些作用力有利于颗粒进行重排。2024年7月29日(4)颗粒尺寸分布对烧结的影响颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力学过程来研究，即分析由不同尺寸分布的坯体内部，在烧结过程中“拉出气孔”和晶粒生长驱动力之间力的平衡作用。烧结样品中的晶粒尺寸分布状况类似于起始颗粒尺寸分布。较小的颗粒尺寸分布范围是获取高烧结密度的必要条件。通过研究烧结过程中气孔与晶界分离的情况发现，为了防止气孔分离，只需施加很小的分离拉力。在均匀晶粒分布的显微结构中，产生的气孔分离拉力最小，与非均匀晶粒尺寸分布显微结构相比，该分离拉力要小14倍。对于较小晶粒尺寸分布的烧结样品，临界密度为99.3%；而非均匀晶粒尺寸分布的样品临界密度只有90.6%。2024年7月29日液相烧结过程中影响显微结构变化的主要参数包括几何因素、动力学因素和热力学因素等。其中，固相颗粒在液相中的布朗运动产生大量的颗粒-颗粒接触。如果这些颗粒接触伴随着颗粒粘接，这些颗粒可以通过液相中的溶剂扩散，熔融变成一个颗粒。如果颗粒合并时间过短，大大小于碰撞接触时间，则形成孤立的显微结构；反之，则形成颗粒的骨架排列结构。颗粒尺寸分布对最终显微结构产生显著影响。当两个大小不同的颗粒相互之间的距离很小时，大的颗粒生长，而同时小的颗粒消失。2024年7月29日(1)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的相应温度，即操作时的止火温度。实际操作时，止火温度是指一个允许的波动范围，习惯上称为烧成范围。坯体技术性能开始达到要求指标时的对应温度为下限温度，坯体开始重新膨胀的温度为上限温度。5.2.4.2 影响陶瓷材料影响陶瓷材料烧结的工的工艺参数参数固相烧结以坯料的表面能和晶粒间的界面能作为推动力，因而烧成温度的高低除与坯料种类有关外，还与坯料的粒度密切相关。颗粒细、比表面积大、能量高，烧结活性大，易于烧结，烧成温度可降低。但细颗粒的堆积密度小，颗粒间的接触界面少，从而又不利于烧结。因此，对于同一种坯料，由于粒度不同而有一个对应于最高烧结程度的焙烧温度，此温度即一般烧结瓷坯的烧成温度或它的烧结温度。多孔坯体只有烧成温度而无烧结温度。2024年7月29日烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸和数量。对固相扩散或液相重结晶来说，提高烧成温度是有益的。然而过高的烧成温度对特种陶瓷来说，会因总体晶粒过大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，因而产品的机电性能变差。例如图为压电陶瓷各项性能和显微结构受烧成温度影响的情况。图中实线和虚线表示同一组成的两批材料的试验结果。2024年7月29日传统配方陶瓷的机电等性能也随烧成温度的提高而发生变化。若生烧坯密度低，莫来石数量少，则机电等性能都差，温度升高，会使莫来石增多，形成互相交织的网状结构，性能提高。但一旦过烧，反因晶相量减少和粒径变大以及玻璃相增多而降低性能，而且高温下坯体还易变形或形成大气泡，从而促使生成粗大莫来石，导致性能恶化。图5.8为过烧瓷坯中的一个大气泡和它周围形成的粗大莫来石。然而适当提高烧成温度(在烧成范围内)，有时却会有利于压电陶瓷的电性能(图5.9)和细瓷的透明度。所以烧成温度的确定主要应取决于配方组成、坯料细度和对产品的性能要求。2024年7月29日(2)保温时间对产品性能的影响由粉状高岭土、长石和石英所组成的坯体是不均匀多相系统，因此烧成过程中各区域所进行的反应类型和速度都不相同，瓷坯的组织由许多不同类型的晶相和玻璃相，以不同配比组合而成的各个微观区域所构成，因而必须在烧成的最高温度保持一定的时间，一方面使物理化学变化更趋完全；另一方面组织结构亦趋于均一。但保温时间过长，则晶粒溶解，不利于在坯中形成坚强骨架，而降低力学性能。精陶坯中由于方石英晶相的减少还会引起釉裂，图为保温时间对电瓷机电性能的影响。对特种陶瓷来说，保温虽能促进扩散和重结晶，但过长的保温却使晶粒过分长大或发生二次重结晶，反而起有害作用，故保温时间也要求适中。2024年7月29日(3)烧成气氛对产品性能的影响气氛对产品的烧成和性能都很重要。如图所示的Al2O3瓷，在氢气气氛中烧成时不仅烧成温度可降低300，而且瓷坯致密度也有提高。对含挥发组分的压电陶瓷等坯料，气氛对烧结的影响尤其重要，烧成时须用保护气氛来防止坯料组分的变动，避免成为多孔坯体。但保护气氛的浓度也会直接影响坯体的配方组成，选择不当反会劣化产品性能。2024年7月29日 气氛对陶瓷坯体过烧膨胀的影响瓷石-高岭土瓷坯在还原焰中过烧40，产生的膨胀比在氧化焰中要小得多，而过烧程度随坯中铁含量增加而变大。由高岭土-长石-石英-膨润土配制的瓷坯，在还原气氛下的过烧却比在氧化气氛下的要大，尤其膨润土含量多时，差别更明显。含铁量多、吸附性差的传统配方坯体应在高温阶段采用还原焰烧成；含少量铁和较多钛及碳，且吸附性又较强的坯体宜采用氧化烧成。烧成气氛对这类瓷坯产生如下一些影响。2024年7月29日 气氛对坯体的收缩和烧结的影响两种坯体在还原气氛中的烧结温度均比在氧化气氛中的低，并随着铁含量的增加而减小。但两者的最大收缩却不相同，瓷石质坯在还原气氛中的收缩较在氧化气氛中的大，而长石与膨润土配制的坯体在氧化气氛中的收缩却较大。2024年7月29日a影响钛和铁的价数。Fe2O3在瓷坯低碱性玻璃相中的溶解度极低，冷却时即由其中析出胶态的Fe2O3使坯显黄色。气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响气氛对坯釉这类性能的影响可以从下面几方面考虑。b使SiO2和CO还原。在一定温度下，还原气氛可使SiO2还原成SiO，在更低的温度下它将按2SiOSiO2+Si分解，因而在制品表面形成Si的黑斑，CO则分解出C，沉积在坯、釉上，形成黑斑。c形成氮化合物。氮在高温还原气氛中可以形成化合物，溶于坯、釉熔体中，遇到氧化气氛或有Fe2O3的氧化作用时，又会重新分离，产生气泡。2024年7月29日(4)升温与降温速度对产品性能的影响烧成时的升温速度对产品性能的影响也是极明显的，例如，75 Al2O3瓷，在升温慢时，抗折强度高、损耗角正切tan值低，因为此时液相量多而均匀，气孔率也低，过快地升温，则分解气体排除困难，有碍气孔率的进一步降低。过烧时也会引起气孔率增加、机械强度降低、损耗角变大。2024年7月29日固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为气孔尺寸减小。烧结过程中颗粒的排列过程如图所示。5.3 固相固相烧结过程及机理程及机理在初始阶段，颗粒形状改变，相互之间形成了颈部连接，气孔由原来的柱状贯通状态逐渐过渡为连续贯通状态，其作用能够将坯体的致密度提高13。2024年7月29日样品从气孔孤立到致密化完成的阶段为最终阶段。在此阶段，气孔封闭，主要处于晶粒交界处。在晶粒生长的过程中，气孔不断缩小，如果气孔中含有不溶于固相的气体，那么收缩时，内部气体压力将升高，并最终使收缩停止，形成闭气孔。在中间阶段，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。通过晶格或晶界扩散，把晶粒间的物质迁移至颈表面，产生样品收缩，气孔由连续通道变为孤立状态，当气孔通道变窄，无法稳定而分解为封闭气孔时，这一阶段将结束，这时，烧结样品一般可以达到93左右的相对理论致密度。一般利用简单的双球模型来解释初始阶段机理，用通路气孔模型来解释中间阶段机理，而最终阶段机理通常采用孤立气孔模型来分析。2024年7月29日如果烧结粉体的形貌假设都为规则的球形的话，那么整个粉末坯体可以看作为两个颗粒之间的烧结，其示意图如图所示。图(a)为未收缩的模型，颗粒之间的距离不发生变化，但是随着烧结时间的增加，颈部尺寸会不断增加，烧结样品开始收缩，其收缩后的几何模型如图(b)所示，颈部增大主要是颗粒接触间物质扩散和坯体收缩造成的。5.3.1 双球模型双球模型在烧结过程中，如果两颗粒的二面角达到180，并且颗粒的尺寸不发生变化，可发现样品发生收缩后的各个值是收缩前的一半。2024年7月29日5.3.1.1 双球模型双球模型烧结驱动力和机理力和机理烧结的驱动力主要来源于由于颗粒表面曲率的变化而造成的体积压力差、蒸气压差。这些的存在促使物质扩散。颗粒间距离的缩进主要靠晶界处物质的扩散和原子运动及物质的黏性流动等作用来实现。2024年7月29日一般讨论烧结初始阶段的颈部长大过程，首先假设颈部尺寸要比颗粒尺寸小很多(x/a0.2 图5.15中)，其次假设颈部中心到颈部表面间夹角远远小于1(1)。当物质从颗粒表面扩散到颈部时，那么在颈部附近的颗粒表面将向颗粒内部缩小，这种现象称为颗粒削平现象。它的发生会降低烧结的驱动力。具体的晶粒生长过程分为以下几个过程。5.3.1.2 双球模型晶粒生双球模型晶粒生长机理机理(1)晶界处的晶格扩散 (2)晶界处的晶界扩散(3)黏性流动 (4)颗粒表面的表面扩散(5)颗粒表面的晶格扩散 (6)蒸发-凝聚2024年7月29日晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快速长大，形成粗大晶粒的现象。存在晶粒异常长大的晶粒粒度分布呈现双峰特征。图为典型的晶粒异常长大的显微照片，图中可以明显看出有几个尺寸超过基体晶粒尺寸几十甚至上百倍的晶粒。在单相和复相材料中，如果混料不均匀，就很容易造成晶粒异常长大。在通常情况下，在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关：材料中含有杂质或者第二相夹杂物；材料中存在高的各向异性的界面能，如固/液界面能或者薄膜的表面能等；材料内存在高的化学不平衡性。5.3.2 晶粒晶粒过渡生渡生长现象象2024年7月29日液相烧结(LPS)是指在烧结包含多种粉末的坯体时，烧结温度至少高于其中的一种粉末的熔融温度，从而在烧结过程中出现液相的烧结过程。目前采用LPS制造的技术陶瓷包括氧化铝和AlN电子基片，氧化铝和SiC机械密封件，氧化铝和Si3N4电热塞，氮化硅/sialon结构部件，ZnO压敏电阻，BaTiO3电容器以及各种复合材料。LPS作为致密化过程的主要优点是能提高烧结驱动力。采用比固态烧结(SSS)低的温度，通常LPS可以容易地烧结难以采用SSS烧结的固体粉末。LPS的另一个主要优点为：LPS是一种制备具有控制的微观结构和优化性能的陶瓷复合材料的方法，如一些具有显著改善断裂韧性的氮化硅复合材料。5.4 液相液相烧结过程与机理程与机理2024年7月29日LPS烧结致密化过程根据三种速率机理，传统上划分为三个明显的阶段1、2、3。但在明显致密化之前，发生一些重要的物理化学过程，如熔化、浸润(或液相流动)以及固相和液相之间的反应；图中表示为0阶段：过渡阶段，只产生可忽略的致密化。随着密度增加，致密化机理逐渐从重排(阶段1)到溶解-沉淀(阶段2)，最后的气孔(或气相)排出(阶段3)。5.4.1 液相液相烧结的的阶段段2024年7月29日表5.3给出了不同的致密化机理和典型的致密化(体积收缩)速率。但在实际粉末体中，如图5.18(b)所示，交接阶段之间存在明显的重叠。一般来说，随着烧结的进行，致密化速率显著减小，一般从10-3S-1变为10-5S-1。如图5.18(b)所示，随着烧结时间的延长，在LPS烧结的后期，会出现明显的反致密化(或反烧结)，即致密度下降。2024年7月29日在LPS初期，会发生一些连续的、同时发生的过程，包括熔化、浸润、铺展和再分布。由于固相颗粒周围局部毛细管力呈随机方向，固相和液相都会经历显著的重排过程。局部的重排由颗粒接触方式和弯液面几何形状所控制，产生颗粒切向和旋转运动。在LPS过程中，颗粒间的液相膜起润滑作用。颗粒重排向减少气孔的方向进行，同时减小系统的表面自由能。重排的驱动力来自毛细管力的不平衡，这种不平衡来自颗粒和颗粒尺寸的分布、颗粒的不规则形状、坯体中局部密度波动以及材料性质的各向异性。对于各种颗粒形状和接触几何形状，若颗粒接触几何形状是已知的，可计算出重排的驱动力。颗粒堆积的随机性导致颗粒的局部运动：推拉、滑动和转动。5.4.2 液相液相烧结过程的致密化机理程的致密化机理5.4.2.1 颗粒重排粒重排2024年7月29日当颗粒重排现象逐渐减弱时，为了达到进一步致密化，其它致密化机理必须起作用。在颗粒重排阶段的末期，与重排相比，由于溶解-沉淀，使致密化速率变为很显著。在晶粒接触处，溶解度增加值C1与法向力成正比，此力来自于使固相颗粒靠近的毛细管力(拉普拉斯力)。由于在颗粒接触点的溶解-沉淀，这一阶段的体积收缩主要来自于相邻颗粒间的中心至中心的距离。5.4.2.2 溶解溶解-沉淀沉淀2024年7月29日对于多组分系统，如图所示，在受压颗粒接触区的高浓度溶解物，通过液相扩散，向晶粒非受压区迁移，然后在非受压(自由)固相表面再沉淀。这一物质迁移使接触点变平，坯体产生相应线收缩。由于同时减小了接触区域的有效应力，当接触区增大时，固相溶解速率降低。因此，当坯体密度增加时，致密化(体积收缩)速率减小。在溶解-沉淀的后期，相互联结的气孔结构断开，形成孤立(封闭)气孔。2024年7月29日在烧结中期，相互连续的气孔通道开始收缩，形成封闭的气孔，根据材料体系的不同，密度范围为0.90.95。实际上，LPS烧结比SSS烧结可以在较低的密度发生这种气孔封闭。气孔封闭后，LPS烧结进入最后阶段。封闭气孔通常包含来源于烧结气氛和液态蒸气的气体物质。5.4.2.3 气孔排除气孔排除气孔内部的气压与气孔半径很小时，致密化将进行。当固相颗粒间的接触变平时，溶解一沉淀过程决定的致密化速率将减小。在LPS烧结末期，几个过程可以同时发生，包括晶粒和气孔的生长和粗化，液相组分扩散进固相，固相、液相及气相间反应产物的形成。2024年7月29日LPS烧结的晶粒生长与SSS烧结的有很大不同。若固相可被液相很好地浸润，晶粒间的物质中迁移只通过液相发生。系统的不同，液相可以促进，也可阻碍晶粒生长。在某些情况下，由于通过液相具有较高的物质迁移速率，LPS烧结晶粒生长速率要比SSS烧结快得多。在另一些情况下，液相也能起晶粒生长抑制剂的作用。5.4.3 晶粒生晶粒生长和粗化和粗化当固相在液相中的溶解促进致密化时，从颗粒尖角处溶解的溶质趋向于在较粗大颗粒表面再沉淀。因此，当细小颗粒消失时，粗大颗粒长大。当液相量是晶粒生长决定性变量时，液相中很小浓度的添加物会极大地影响晶粒生长的动力学和形貌。例如，在烧结氧化铝/玻璃时，当CaO作为烧结助剂同SiO2一起加入到氧化铝中时，与加入MgO相比，产生更快的晶粒生长及更多的小晶面。2024年7月29日 热压时，由于粉料处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密化，因此，所需的成型压力仅为冷压法的1/10，可以成型大尺寸的Al2O3、BeO、BN和TiO2等产品。5.5 特色特色烧结方法方法5.5.1 热压烧结热压烧结是在烧结过程中同时对坯料施加压力，加速了致密化的过程。所以热压烧结的温度更低，烧结时间更短。5.5.1.1 热压烧结的的优点点2024年7月29日 由于同时加温、加压，有助于粉末颗粒的接触、扩散、流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，因而抑制了晶粒的长大。热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得到细晶粒的组织，容易实现晶体的取向效应和控制含有高蒸气压成分的系统的组成变化，因而容易得到具有良好力学性能、电学性能的产品。能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。热压法的缺点是生产率低、成本高。2024年7月29日热压装置大部分都是电加热和机械加压，图5.22为几种典型的加热方式。加压操作工艺根据烧结材料的不同，又可分为整个加热过程保持恒压、高温阶段加压、在不同的温度阶段加不同的压力的分段加压法等。此外热压的环境气氛又有真空、常压保护气氛和一定气体压力的保护气氛条件。5.5.1.2 热压装置和模具装置和模具2024年7月29日陶瓷热压用模具材料有石墨、氧化铝。石墨是在1200或1300以上(常常达到2000左右)进行热压最合适的模具材料，根据石墨质量不同，其最高压力可限定在十几至几十兆帕，根据不同情况，模具的使用寿命可以从几次到几十次。为了提高模具的寿命，有利于脱模，可在模具内壁涂上一层六方BN粉末。但石墨模具不能在氧化气氛下使用。氧化铝模具可在氧化气氛下使用，氧化铝模可承受200MPa压力。2024年7月29日热压烧结的驱动力不但与烧结压力有关，而且还与颗粒间的接触面积/颗粒截面积的比值有关。5.5.1.3 热压烧结的的驱动力力在热压烧结的初始阶段，假设所有粉体都是规则的球形颗粒立方堆积在一起，则作用在颗粒接触面积上的有效压力为其中，a为颗粒半径；x为颈部半径；r为颈部曲率半径。在烧结的最终阶段，假设坯体中的气孔成均匀分布状况，则作用在颗粒接触面积上的有效压力为其中为坯体的相对密度。2024年7月29日(1)微流动阶段 热压初期颗粒发生相对滑移、破碎和塑性变形，类似常压烧结的颗粒重排。这个阶段的特点是密度的快速增长，大部分气孔都在这一时期消失掉，致密化速率最大，致密化速率与粉料颗粒度、形状、材料的屈服强度以及烧结温度和压力有关，一般烧结温度越高，压力越大，则致密化速率越大。(2)塑性流动阶段 类似常压烧结后期闭孔收缩阶段，以塑性流动性质为主，致密化速率减小。(3)扩散阶段 趋近终点密度，以扩散控制的蠕变性质为主。上述热压烧结的三个阶段，彼此都有一定的重叠。5.5.1.4 热压烧结的致密化的致密化过程程热压烧结的致密化过程大致可分成三个阶段。2024年7月29日无压烧结的烧结机理，例如晶格扩散、晶界扩散在热压烧结方式中同样存在，除了以上烧结机理，在无压烧结中显得不是很重要，如塑性变形和蠕变等机理在热压烧结中反而成为了主要的烧结机理。对于不同的烧结体系，主要烧结机理会因烧结温度、烧结压力、颗粒和颈部尺寸的不同而有所区别。5.5.1.5 热压烧结机理机理(1)塑性变形机理 在热压烧结的早期阶段，P1*比较大，那么塑性变形为此阶段主要的致密化机理。颗粒间的塑性变形条件可以参照硬度试验中的压力条件，即施加压力约为样品材料本身屈服应力的3倍时，即发生塑性变形。因在烧结过程中，颗粒间接触面积增大，所以P1*也随着烧结致密化过程的进行而降低，当P1*降低到小于材料3倍的屈服应力值时，塑性变形停止。2024年7月29日(2)蠕变机理 粉体蠕变也是热压烧结中的主要机理，那么在热压初期，根据材料的蠕变特性，坯体的致密化速率为式中，是和烧结材料有关的参数，为烧结体致密度和颗粒几何形状的函数。(3)扩散机理 颗粒尺度对塑性变形机理和蠕变机理作用的致密化过程影响不是很大，但在扩散机理作用的致密化过程中，颗粒尺寸和压力的影响比较大。颗粒尺寸对扩散机理作用的致密化速率的影响如下。晶格扩散：晶界扩散：2024年7月29日热等静压工艺(HIP)是将粉末压坯或装入包套的粉料装入高压容器中，使粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。热等静压技术是1955年由美国Battelle Columbus实验室首先研制成功的。其基本原理是：以气体作为压力介质，使材料(粉料、坯体或烧结体)在加热过程中经受各向均衡的压力，借助高温和高压的共同作用促进材料的致密化。最开始，HIP工艺应用于硬质合金的制备中，主要对铸件进行处理。在过去10年里，通过改进热等静压设备，生产成本大幅度降低，拓宽了热等静压技术在工业化生产方面的应用范围。目前，热等静压技术的主要应用有：金属和陶瓷的固结，金刚石刀具的烧结，铸件质量的修复和改善，高性能磁性材料及靶材的致密化。5.5.2 热等静等静压2024年7月29日HIP与传统的无压烧结或热压烧结工艺相比，有许多突出的优点：采用HIP烧结，陶瓷材料的致密化可以在比无压烧结或热压烧结低得多的温度下完成，可以有效地抑制材料在高温下发生很多不利的发应或变化，如晶粒异常长大和高温分解等；通过HIP烧结工艺，能够在减少甚至无烧结添加剂的条件下，制备出微观结构均匀且几乎不含气孔的致密陶瓷烧结体，显著地改善材料的各种性能；通过HIP后处理工艺，可以减少乃至消除烧结体中的剩余气孔，愈合表面裂纹，从而提高陶瓷材料的密度、强度；HIP工艺能够精确控制产品的尺寸与形状，而不必使用费用高的金刚石切割加工，理想条件下产品无形状改变。2024年7月29日热等静压装置主要由压力容器、气体增压设备、加热炉和控制系统等几部分组成。其中压力容器部分主要包括密封环、压力容器、顶盖和底盖等；气体增压设备主要有气体压缩机、过滤器、止回阀、排气阀和压力表等；加热炉主要包括发热体、隔热屏和热电偶等；控制系统由功率控制、温度控制和压力控制等组成。现在的热等压装置主要趋向于大型化、高温化和使用气氛多样化，因此，加热炉的设计和发热体的选择显得尤为重要。目前，HIP加热炉主要采用辐射加热、自然对流加热和强制对流加热三种加热方式，其发热体材料主要是Ni-Cr、Fe-Cr-Al、Pt、Mo和C等。5.5.2.1 热等静等静压装置装置2024年7月29日热等静压工艺通常分为直接HIP烧结和后HIP处理。(1)直接HIP烧结 直接HIP工艺制备陶瓷一般需先制备好烧结粉末，然后选择合适的包套材料进行包套，之后进行脱气处理，再经历预烧处理，目的在于控制烧结过程中的晶型转变，根据陶瓷相的不同，此工艺阶段也可省略。最后控制升温、升压速度进行热压烧结。其直接HIP工艺的技术关键有如下以点。5.5.2.2 热等静等静压烧结工工艺2024年7月29日 包套质量包套质量对最终制品的性能影响较大，包套内粉末的初始分布及密度基本上决定了包套在热等静压过程中的收缩方式。体均匀性以及陶瓷相配比也是影响最终烧结制品性能的主要因素由于陶瓷相自身不同特性决定了其在热等静压过程中的变形不同，因此，要想保证得到足够致密的制品，必须保证陶瓷相分布均匀。升温与升压速率由于陶瓷相间化学性质的差异，从而使它们的性能随着温度和压力的变化也不相同，因此选择合适的升温和升压速率是保证成功制成产品的又一关键工艺参数。在此方面既要选择合适的升温速率和升压速率，又要考虑升温速率与升压速率的关系。2024年7月29日采用直接HIP工艺制备陶瓷材料还需注意以下事项：a制粉阶段保证原料配比；要想保证由于塑性相的变形而充分填充陶瓷颗粒间的间隙，LANG曾根据分形理论计算出当复合材料的密度与增强颗粒的密度呈线性关系的话，则陶瓷相不会影响复合材料的凝固过程，否则金属相不能够完全填充颗粒空隙。b对于容易发生界面反应的陶瓷复合材料，需要根据反应类型选择合适的压力制度，必要时需参照HIP相图来制定合适的HIP工艺路线。2024年7月29日(2)后HIP处理 温度的选择原则上为金属基体熔点或合金基体固熔线绝对温度值的0.60.9。温度的高低或均匀性是很重要的，它对制品的质量起着关键作用。如果温度过低，则金属基不易产生蠕变流动去填充各种缺陷如温度过高，又会使坯体局部熔化而损坏制品。压力选择既能使材料产生塑性流动，又能保证增强颗粒不被压碎，如QFLi制备Al2O3/A1复合材料的HIP热处理压力选择为200MPa。压力选择一般参照金属相的屈服强度、蠕变强度及陶瓷相的强度。一般选择100200MPa。保温保压时间选择应使坯体内的蠕变充分进行，又不至于造成晶粒长大等不利现象出现，一般选择12h。经过HIP工艺对铸件坯体进行热处理之后，铸件坯体的气孔率将大大减少。2024年7月29日虽然Post-HIP工艺在经过了十几年的研究历程后已经取得了诸如以上突出的成绩，但是由于受其工艺自身的限制，在工业化过程的研究进程中进展很慢，如果想快速实现Post-HIP工艺制备陶瓷的工业化，必须注意以下事项：由于HIP处理铸件坯体时一般不需要加包套，所以对于铸件表面的气孔等缺陷需进行封闭处理。必须保持高压介质洁净，否则会污染制品。选用的HIP工艺参数不合适会引起不良结果。2024年7月29日在微观力学方法中，粉末致密化行为的速率方程由诸如单个晶粒、颗粒及周围环境的蠕变、扩散等物理方面而决定。Hell等(1985)提出了致密化速率方程，画出了HIP机理图，通常称为HIP图。提出的方程在相对密度低于和高于0.9时是不同的，这个机理考虑了晶界扩散、晶格扩散、蠕变指数，后一种情况还考虑了晶界扩散。Li等(1987)研究了HIP期间形状的改变，在常温常压下HIP的致密化能够令人满意的模拟。在宏观力学方法中，粉体被视为连续体。粉末致密化行为模拟的基本方程建立在对多孔材料塑性理论进行修改的基础上。孔隙率或相对密度通常作为内部变量。采用有限元热传导法来进行温度计算，其中将比热容及热传导率的变化看作是相对密度和温度的函数。5.5.2.3 HIP机理模型机理模型2024年7月29日放电等离子体烧结工艺(SPS)，又被称为脉冲电流烧结。该技术的主要特点是利用体加热和表面活化，实现材料的超快速致密化烧结。可广泛用于磁性材料、梯度功能材料、纳米陶瓷、纤维增强陶瓷和金属间化合物等系列新型材料的烧结。SPS技术的历史可追溯到20世纪30年代，当时“脉冲电流烧结技术”引入美国，后来日本研究了类似但更先进的技术电火花烧结，并于20世纪60年代末获得专利，但没有得到广泛的应用，1988年，日本井上研究所研制出第一台SPS装置，具有5t的最大烧结压力，在材料研究领域获得应用。SPS技术于20世纪90年代发展成熟，最近推出的SPS装置为该技术的第三代产品，可产生10l00t的最大烧结压力，可用于工业生产，能够实现快速、低温、高效烧结，已引起各国材料科学者与工程界的极大兴趣。5.5.3 放放电等离子体等离子体烧结2024年7月29日SPS主要是利用外加脉冲强电流形成的电场清洁粉末颗粒表面氧化物和吸附的气体，净化材料，活化粉末表面，提高粉末表面的扩散能力，再在较低机械压力下利用强电流短时加热粉体进行烧结致密。其消耗的电能仅为传统烧结工艺(无压烧结PLS、热压烧结HP、热等静压HIP)的1/51/3。因此，SPS技术具有热压、热等静压技术无法比拟的优点：烧结温度低(比HP和HIP低200300)、烧结时间短(只需310min，而HP和HIP需要120300min)、单件能耗低；烧结机理特殊，赋予材料新的结构与性能；烧结体密度高，晶粒细小，是一种近净成形技术；操作简单，不需要十分熟练的操作人员和特别的模套技术。5.5.3.1 SPS工工艺的特点的特点2024年7月29日SPS烧结系统大致由四个部分组成：真空烧结腔(图中6)，加压系统(图中3)，测温系统(图中7)和控制反馈系统。5.5.3.2 SPS烧结装置装置SPS烧结的基本结构类似于热压烧结。2024年7月29日导电与非导电粉料的SPS机制有很大的区别，有学者研究认为导电性粉体中存在焦耳热效应和脉冲放电效应，而非导电粉体的烧结主要源于模具的热传导。具体就导电粉体的SPS定性分析为：由压头流出的直流脉冲电流分成几个流向，经过石墨模具的电流，产生大量热量；经过粉体的电流，诱发粉末颗粒间产生放电，激发等离子体，随着等离子体密度不断增大，高速反向运动的粒子流对颗粒表面产生较大冲击力，使其吸附的气体逸散或氧化膜破碎，从而使表面得到净化和活化，有利于烧结。同时放电也会瞬时产生高达几千度至几万度的局部高温，在晶粒表面引起蒸发和熔化，并在晶粒的接触点形成“烧结颈”。5.5.3.3 SPS的的烧结机理机理2024年7月29日微波烧结是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料在电磁场中的介质损耗使材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。微波是一种高频电磁波，其频率范围为0.3300GHz。但在微波烧结技术中使用的频率主要为915MHz和2.45GHz两种波段。微波烧结和常压烧结的根本区别在于，常压烧结是利用样品周围的发热体加热，而微波烧结则是样品自身吸收微波发热，根据微波烧结的基本理论，热能是由于物质内部的介质损耗而引起的，所以是一种体积加热效应，同常压烧结相比具有：烧结时间短、烧成温度低、降低固相反应活化能、提高烧结样品的力学性能、使其晶粒细化、结构均匀等特点，同时降低高温环境污染。5.5.4 微波微波烧结2024年7月29日(1)微波与材料直接耦合导致整体加热由于微波的体积加热，得以实现材料中大区域的零梯度均匀加热，使材料内部热应力减小，从而减小开裂和变形倾向。同时由于微波能被材料直接吸收而转化为热能，所以能量利用率极高，比常规烧结节能80以上。(2)微波烧结升温速度快，烧结时问短某些材料在温度高于临界温度后，其损耗因子迅速增大，导致升温极快。另外，微波的存在降低了活化能，加快了材料的烧结进程，缩短了烧结时间。5.5.4.1 微波微波烧结的技的技术特点特点2024年7月29日(3)安全无污染微波烧结的快速烧结特点使得在烧结过程中作为烧结气氛的气体的使用量大大降低，这不仅降低了成本，也使烧结过程中废气、废热的排放量得到降低。(4)能实现空间选择性烧结对于多相混合材料，由于不同材料的介电损耗不同，产生的耗散功率不同，热效应也不同，可以利用这点来对复合材料进行选择性烧结，研究新的材料产品和获得更佳材料性能。2024年7月29日微波是一种电磁波，对应的波长为1mm到1m。与可见光波不同，除了激光，微波都是干涉偏振波。微波同样遵循光学原理，即可以被物质吸收、反射及在物质内部透过。根据材料与微波作用的类型不同，可以将其分为微波透明体、微波导体和微波吸收体。5.5.4.2 材料与微波材料与微波场的作用的作用类型型 微波透明体，微波可以在材料内部完全透过。微波导体，微波被完全反射而无法穿透进入材料内部。微波吸收体，微波被材料所吸收，从而在材料内部耗散，引起材料内部产生热量。2024年7月29日合理的微波烧结系统是实现有效微波烧结的基础。一般来说，微波烧结系统主要包括三部分：微波发生器(微波源)；微波传输系统(波导)；微波谐振腔(烧结腔体)。微波发生器是微波源，利用电流的高频振荡原理，产生一定频率的微波。用于微波烧结或微波加热(家用微波炉)的微波发生器产生的微波频率只可能是两种，即915MHz或2450MHz。根据实际需要，微波源的功率大小不同。家用微波加热炉的功率一般都小于1kW；而微波烧结试验用微波源最大功率多为5kW。5.5.4.3 微波微波烧结系系统2024年7月29日在微波电磁场作用下，陶瓷材料会产生一系列的介质极化，如电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化等。参加极化的微观粒子种类不同，建立或消除极化的时间周期也不一样。由于微波电磁场的频率很高，使材料内部的介质极化过程无法跟随外电场的变化，极化强度矢量P总是滞后于电场E，导致产生与电场同相的电流，从而构成材料内部的耗散，在微波波段，主要是偶极子极化和界面极化产生的吸收电流构成材料的介质耗散。5.5.4.4 微波微波烧结机理机理2024年7月29日反应烧结是让原料混合物发生固相反应或原料混合物与外加气(液)体发生固-气(液)反应，以合成材料，或者对反应后的反应体施加其它处理工艺，以加工成所需材料的一种技术。同其它烧结工艺比较，反应烧结有如下几个特点。反应烧结时，质量增加，普通烧结过程也可能发生化学反应，但质量不增加。烧结坯件不收缩，尺寸不变，因此，可以制造尺寸精确的制品。普通烧结坯件发生体积收缩。普通烧结过程，物质迁移发生在颗粒之问，在颗粒尺度范围内，迁移过程发生在长距离范围内，反应速度取决于传质和传热过程。液相反应烧结工艺，在形式上，同粉末冶金中的熔浸法类似，但是，熔浸法中的液相和固相不发生化学反应，也不发生相互溶解，或只允许有轻微的溶解度。5.5.5 反反应烧结2024年7月29日爆炸粉末烧结是利用炸药爆轰产生的能量，以冲击波的形式作用于金属或非金属粉末，在瞬态、高温、高压下发生烧结的一种材料加工或合成的新技术。作为一种高能量加工的新技术，爆炸粉末烧结具有烧结时间短(一般为几十微秒左右)、作用压力大(可达0.1l00GPa)的特征。与常规烧结方法相比，有着其独特的优点：具备高压性，可以烧结出近乎密实的材料。具备快熔快冷性，有利于保持粉末的优异特性。可以使Si3N4、SiC等非热熔性陶瓷在无需添加烧结助剂的情况下发生烧结。5.5.6 爆炸爆炸烧结2024年7月29日烧结是在热工设备中进行的，这里热工设备指的是先进陶瓷生产窑炉及其附属设备。烧结陶瓷的窑炉类型很多，同一种制品可在不同类型的窑内烧成，同一种窑也可烧结不同的制品。本节将介绍常用的间歇式窑炉、连续式窑炉和辅助设备，如电炉、电隧道窑以及电发热元件等。5.6 烧结设备先进陶瓷生产所用窑炉，其发展过程是由低级到高级，由产量和质量低、燃料消耗大、劳动强度大、烧成温度低、不能控制气氛，发展到产量和质量高、燃料消耗低、烧成温度高、能控制气氛以及机械化和自动化。间歇式窑炉按其功能新颖性可分为电炉、高温倒焰窑、梭式窑和钟罩窑。5.6.1 间歇式窑炉歇式窑炉2024年7月29日电炉是电热窑炉的总称。一般是通过电热元件把电能转变为热能，可分为电阻加热炉、感应炉、电弧炉等。(1)电阻加热炉 当电源接在导体上时，导体就有电流通过，因导体的电阻而发热的一种电热设备。根据炉膛形状可分为箱式电阻炉和管式电阻炉。5.6.1.1 电炉炉 箱式电阻炉：如图所示，这种电炉的炉膛为长六面体，在靠近炉膛的内壁放置电热体，通电后发出的热量直接辐射给被加热的制品。2024年7月29日当电炉的最高使用温度在1200以下时，通常采用高电阻电热合金丝(或带)作为电热体；最高温度为13501400时，采用硅碳棒作为电热体；最高温度为1600时，采用二硅化钼棒作电热体。主要用于单个小批量的大、中、小型制品的烧成。马弗式电阻炉也是箱式电阻炉的一种形式，以电热合金丝作为电热体，穿绕在马弗炉炉膛砖的圆孔中，借传导及辐射的方式加热马弗壁，然后马弗壁通过辐射再把热量传给制品。马弗炉的优点是保护电热体免受炉内有害气体的侵蚀或避免电热体玷污制品，并使炉内温度较为均匀。但是，正因为隔了一层马弗壁，升温速度也慢一些。2024年7月29日 管式电阻炉其具体设备和装置示意图如图所示。炉膛为一根长度大于炉体的管状体，其原材料可以是致密的陶瓷管、石英管，也有金属管。发热体通常布置在管子的周围。2024年7月29日(2)电磁感应加热炉由于电磁感应作用在导体内，产生感应电流，而这种感应电流因为导体的电阻而产生热能的一种电炉。它又可分为感应熔炼炉和感应加热炉，常利用感应炉研制氮化硅等。(3)电弧感应加热炉热量主要由电弧产生的电加热炉，用于人工合成云母、生产氧化铝空心球及硅酸铝耐火纤维优质保温材料等。2024年7月29日倒焰窑主要是以煤和油为燃料，这些燃料燃烧而获得能量。它的结构包括3个主要部分：窑体(有圆窑和矩形窑)、燃烧设备和通风设备。因为火焰在窑内是自窑顶倒向窑底流动的，所以称为倒焰窑。5.6.1.2 高温倒焰窑高温倒焰窑倒焰窑工作时，每周转一次，要经过装砌、烧窑、冷窑及出窑四个操作过程，而烧窑是其中最主要的过程。倒焰窑的特点是：最初设备费用低；容易调节烧成制度，热耗一般较高，窑炉砌体也容易损坏；劳动强度也较大。2024年7月29日梭式窑是一种窑车式的倒焰窑，又叫抽屉窑，其结构与传统的矩形倒焰窑基本相同。烧嘴安设在两侧窑墙上，并视窑的高矮设置一层或数层烧嘴。钟罩窑是一种窑墙、窑顶构成整体像一个钟罩，并可移动的间歇窑，故称为钟罩窑。其结构基本上与传统的圆形倒焰窑相同。烧嘴沿窑墙圆周安设一层或数层，每个烧嘴的安装位置都是火焰喷出方向与窑横截面的圆周成切线方向。5.6.1.3 梭式窑梭式窑5.6.1.4 钟罩窑罩窑2024年7月29日目前先进陶瓷用得最多的是电热隧道窑。隧道窑的特点是：因连续操作窑炉砌体，无体积热损失，而且余热可充分利用，故热耗较低；制品烧制均匀，温度和气氛可较准确地控制，故产品质量较好；操作易于实现机械化和自动化，可节省人力，减轻劳动强度；窑炉的使用寿命较长；最初设备费用大，耗用钢材较多，因不易变动烧成制度，只适于大规模烧制同一类产品。5.6.2 连续式窑炉式窑炉连续式窑炉按制品的输送方式可分为隧道窑、高温推板窑和辊道窑。与传统的间歇式窑相比较，连续式窑具有连续操作性、易实现机械化、大大地改善了劳动条件和减轻了劳动强度、降低了能耗等优点。5.6.2.1 隧道窑隧道窑2024年7月29日隧道窑都可划分为三带：预热带、烧成带、冷却带。干燥至一定水分的坯体入窑，首先经过预热带，受来自烧成带的燃烧产物(烟气)预热，然后进入烧成带，燃料燃烧的火焰及生成的燃烧产物加热坯体，使达到一定的温度而烧成。隧道窑最简单的工作系