納米陶瓷的燒結方法

常規燒結

　　常規燒結是最簡單原始的燒結方法，多用于普通陶瓷燒結，一般認為，常規燒結只對易燒結，粉體性能優良，素坯致密度較高且結構均勻性好的材料有效。否則，通常只能嘗試添加燒結助劑的方法以降低燒結溫度或以第二相的形式釘扎在晶界上進而降低晶界遷移速率，增加晶界擴散來實現陶瓷的納米化。因此，如何獲得晶粒尺寸較小、尺寸分布較窄的優異粉體，同時成型時得到致密度較高且結構較好的均勻的素坯，或燒結時選擇合適的燒結助劑是今后常規燒結制備納米陶瓷的研究重點。

兩步燒結法

　　一般的無壓燒結是采用等速燒結進行的，即控制一定的升溫速度，達到預定溫度后保溫一定時間獲得燒結體。在無壓燒結中，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溫度，從而在控制晶粒長大的前提下實現坯體的致密化，是納米陶瓷制備中最需要研究的問題。從燒結理論上看，兩步燒結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，來實現在晶粒不長大的前提下完成燒結的目的。清華大學研究人員運用兩步燒結法，得到了密度高達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

　　熱壓燒結是在燒結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同作用下完成，由于受模具材料的限制，常規熱壓燒結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往往需要很高的壓力。

　　高壓力作用使得納米陶瓷的燒結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，這種燒結方式也被稱為是超高壓燒結。超高壓燒結的特點是不僅能夠迅速達到高密度，而且使晶體結構甚至原子、電子狀態發生變化，從而材料具有在通常燒結下不能達到的性能。

熱等靜壓燒結

　　熱等靜壓燒結是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產技術，制備陶瓷時加熱溫度通常為超過2000℃，達2300℃。該燒結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，使得粉末的各個方向受到相等的壓力。

　　熱等靜壓燒結方法能克服壓力不均勻現象，減少了陶瓷材料顯微結構的結構梯度和結構缺陷，故加工的產品均勻致密、性能優異。同時，該技術還具有燒結時間相對較短、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，即使是團聚嚴重的粉體也能達到較好的效果。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(SPS)

　　放電等離子燒結出現于20世紀60年代，是近年來被廣泛應用于材料制備的一種先進的燒結技術。SPS與熱壓燒結相似，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的加壓的燒結方法。直流脈沖電流初期的電火花放電產生局部高溫場、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體。SPS燒結充分利用了粉體內部的自發熱作用，產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，已經廣泛應用于包括氧化物(ZrO2、MgO、BaTiO3)、碳化物(SiC、TiC、WC)、氮化物(Si3N4、TiN)等納米陶瓷的燒結中。SPS燒結工藝優勢非常明顯：加熱均勻，升溫速度快，燒結溫度低，燒結時間短，生產效率高，產品組織細小均勻，能保持原材料的自然狀態，得到高致密度的材料，還可燒結梯度材料以及復雜工件等。

微波燒結

　　微波燒結為20世紀80年代中后期國際上發展起來的一種新型陶瓷的燒結技術，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溫度，并最終實現致密化的快速燒結的新技術，具有升溫速度快、能源利用率高、加熱效率高和安全衛生無污染等優點，并能提高產品的均勻性，改善被燒結材料的微觀結構及性能。

　　對于納米陶瓷，微波燒結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成正比，對于多數低耗散的納米陶瓷，其介電損耗系數隨溫度和頻率增加，因此往往較高的微波頻率更利于陶瓷的微波燒結。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(SLS)

　　選擇性激光燒結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分層截面信息進行有選擇地燒結， 一層完成后再進行下一層燒結，全部燒結完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結好的零件。

　　在納米陶瓷制備中，選擇性激光燒結技術利用激光能量瞬時產生極高的溫度梯度保證燒結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部缺陷。

閃燒

　　閃燒技術為近幾年出現的一種新型電場輔助陶瓷燒結技術，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完成致密化。

　　相對于傳統的燒結方法，閃燒有如下優勢：閃燒需要的溫度一般遠低于傳統材料的燒結溫度；閃燒過程只需幾秒鐘，時間遠低于傳統燒結，是一種超快速、節能的燒結方式。目前，閃燒技術研究的材料體系包括：離子導體(3YSZ等)、絕緣體(Al2O3)、半導體(BaTiO3、SiC等)以及電子導體(Co2MnO4和ZrB2)等。