先進陶瓷材料由于其精細的結(jié)構(gòu)組成及高強度、高硬度、耐高溫、抗腐蝕、耐磨等一系列優(yōu)良特性被廣泛應用于航空航天、電子、機械、生物醫(yī)學等各個領域。陶瓷燒結(jié)技術的發(fā)展直接影響著先進陶瓷材料的進展，是陶瓷制品成品中不可或缺的關鍵一步

生坯經(jīng)過初步干燥后，需要進行燒結(jié)以提高坯體的強度、熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性。在燒結(jié)過程中陶瓷內(nèi)部會發(fā)生一系列物理和化學變化，體積減小、密度增加、強度和硬度提高，晶粒發(fā)生相變等，使陶瓷坯體達到所要求的物理性能和力學性能。相同化學組成的陶瓷坯體，采用不用的燒結(jié)工藝將產(chǎn)生顯微結(jié)構(gòu)及性能差別極大的陶瓷材料。

燒結(jié)工序

按研究對象，燒結(jié)可分為固相燒結(jié)及液相燒結(jié)，按照工藝具體可分為常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、氣氛燒結(jié)、微波燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)等。下面介紹幾種常用燒結(jié)技術。

燒結(jié)過程相圖

1、無壓燒結(jié)

無壓燒結(jié)又稱常壓燒結(jié)，燒成過程是在沒有外加驅(qū)動力情況下進行，燒結(jié)驅(qū)動力主要來自陶瓷粉體表面自由能的變化，即粉末總表面積減少和界面能的下降，無壓燒結(jié)是陶瓷材料燒結(jié)中最簡便、最常用的一種燒結(jié)工藝。

對于氮化物、碳化物、硼化物類共價鍵結(jié)合強的化合物，由于其自擴散系數(shù)小，因而單靠固相燒結(jié)無法獲得致密的制品，經(jīng)常采取添加少量燒結(jié)助劑的方法，降低燒結(jié)溫度，降低固相擴散過程的晶界能，促進材料的致密化。

無壓燒結(jié)制得的材料性能比熱壓、高溫等靜壓和氣氛加壓燒結(jié)等工藝制得的低一些。但其工藝簡單，對燒成設備無特殊要求，成本低廉，且易于制備復雜形狀制品和批量生產(chǎn)。

2、氣壓燒結(jié)

氣壓燒結(jié)由日本和美國同時發(fā)明。氣壓燒結(jié)是在加壓的氮氣或其他惰性氣氛的條件下，經(jīng)高溫燒結(jié)獲取致密、形狀復雜的陶瓷制品的燒結(jié)方法。

氣壓燒結(jié)滿足了部分特殊陶瓷材料燒結(jié)的需要，如防止分解。同時，在保溫階段后期，一定壓力的氣氛對燒結(jié)體產(chǎn)生一個類似于熱等靜壓過程的均向施壓過程，有利于燒結(jié)材料性能的進一步提高。

3、熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)（hot-pressing，HP）是一種機械加壓的燒結(jié)方法，此法是先把陶瓷粉末裝在模腔內(nèi)，在加壓的同時將粉末加熱到燒成溫度，由于從外部施加壓力而補充了驅(qū)動了，因此可在較短時間內(nèi)達到致密化，并且獲得具有細小均勻晶粒的顯微結(jié)構(gòu)。

這種燒結(jié)方式可獲得更好的材料力學性能，減少燒結(jié)時間或降低燒結(jié)溫度，減少共價鍵陶瓷燒結(jié)助劑的用量，從而提高材料的高溫力學性能。

4、熱等靜壓燒結(jié)

熱等靜壓(Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP)技術研究始于1955年，由美國Battelle Columbus實驗室為研制核反應堆材料而開展的。1965年美國Battelle Columbus實驗室研制的第一臺熱等靜壓機的問世，標志著熱靜壓技術設備的誕生。

熱等靜壓燒結(jié)示意圖

熱等靜壓工藝是一種以氮氣、氬氣等惰性氣體為傳壓介質(zhì)，將制品放置到密閉的容器中，在900?C~2000?C溫度和100~200 MPa壓力的共同作用下，向制品施加各向同等的壓力，對制品進行壓制燒結(jié)處理的技術。

熱等靜壓燒結(jié)工藝可分為兩類：①陶瓷粉末成型封裝或直接封裝后經(jīng)高溫等靜壓燒結(jié)；②陶瓷粉末成型、燒結(jié)后經(jīng)高溫等靜壓再處理。

此燒結(jié)方法加工產(chǎn)品的致密度高、均勻性好、性能優(yōu)異。同時該技術具有生產(chǎn)周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點。

5、放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)技術(Spark Plasma Sintering，SPS)是近年日本研發(fā)出的一種新型快速燒結(jié)技術，是一種利用脈沖電流進行加壓燒結(jié)的方法。通過脈沖電流讓加工物自行發(fā)熱，并利用粒子間發(fā)生的放電等離子能量在短時間內(nèi)實現(xiàn)快速且致密的燒結(jié)。其燒結(jié)機理目前一般認為，SPS過程除具有熱壓燒結(jié)的焦耳熱和加壓造成的塑性變形促成燒結(jié)外，還在粉體顆粒間產(chǎn)生直流脈沖電壓，利用粉體顆粒間放電的自發(fā)熱作用，才產(chǎn)生了SPS過程特有的一些現(xiàn)象。

相比于傳統(tǒng)燒結(jié)技術，SPS具有升溫速度快、加熱時間短、燒結(jié)溫度低等優(yōu)勢，可形成超細晶粒甚至納米晶粒材料，同時無明顯各向異性。

6、微波燒結(jié)

20世紀60年代中期，Levinson和Tinga最早提出陶瓷材料的微波燒結(jié)技術（Microwave sintering）。微波燒結(jié)是利用微波電磁場中陶瓷材料的介質(zhì)損耗而使材料至燒結(jié)溫度從而實現(xiàn)陶瓷的燒結(jié)及致密化。微波燒結(jié)時材料吸收微波轉(zhuǎn)為材料內(nèi)部分子的動能和勢能，使材料整體加熱均勻，內(nèi)部溫度梯度小，加熱和燒結(jié)速度快。

圖（ａ）傳統(tǒng)加熱方式；（ｂ）微波加熱方式

微波燒結(jié)可實現(xiàn)低溫快速燒結(jié)，顯著提高陶瓷材料的力學性能。另外，微波燒結(jié)無需熱源，高效節(jié)能。生產(chǎn)效率高，單件成本低。其在陶瓷材料制備領域具有廣闊的應用前景，為制備亞米級甚至微米級陶瓷材料提供了新的途徑。

7、自蔓延燒結(jié)

自蔓延高溫合成(self-propagating high-temperature synthesis，SHS)是二十世紀中期出現(xiàn)的一種材料制備技術，由前蘇聯(lián)科學家Merzhanov提出的一種材料燒結(jié)工藝。此方法是基于放熱化學反應的原理，利用外部能量誘發(fā)局部發(fā)生化學反應，形成化學反應前沿(燃燒波)，此后，化學反應在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進行，隨著燃燒波的推進，燃燒蔓延至整個體系，合成所需材料。

SHS燒結(jié)是指利用SHS反應釋放的高熱量，輔以熱壓或熱等靜壓，合成和致密化同步進行，最后燒結(jié)合成材料密度接近或等于理論密度。

該方法設備、工藝簡單，反應迅速，產(chǎn)品純度高，能耗低。適用于合成非化學計量比的化合物、中間產(chǎn)物及亞穩(wěn)定相等。20世紀80年代以來，自蔓延燒結(jié)技術得到了飛速發(fā)展，并成功應用到工業(yè)化生產(chǎn)，與許多其他領域技術結(jié)合，形成了一系列相關技術，例如，SHS粉體合成技術、SHS燒結(jié)技術、SHS致密化技術、SHS冶金技術等。

自蔓延燒結(jié)法不僅能用于陶瓷粉末合成、陶瓷材料燒結(jié)，而且還可以制備高熔點材料棒，拉制單晶，金屬表面氮化或碳化處理等。

未來的燒結(jié)技術向著精細化、可控化、節(jié)能高效方向發(fā)展。新型燒結(jié)技術因其潛在的節(jié)能省時而成為當下陶瓷材料燒結(jié)技術研究的熱點。