陶瓷材料的烧结技术与致密度控制

　　陶瓷毛坯成型后还是一堆松散的粉末颗粒，轻轻一碰就碎。真正让它"脱胎换骨"变成坚硬陶瓷的，是烧结。

　　烧结的原理听起来很简单：把成型好的毛坯放进高温炉里加热，粉体颗粒在高温下表面原子开始扩散，颗粒之间的空隙逐渐消失，坯体收缩致密化，最终变成一块坚硬的陶瓷。

　　但实际操作起来，温度差个十几度、保温时间差个半小时，出来的产品性能可能差一大截。

　　先看三种主流烧结工艺。

　　常压烧结是最基本的方式。毛坯在大气气氛下加热，烧结温度根据材料不同从1400度到2000度不等。氧化铝陶瓷大约在1500到1600度，碳化硅陶瓷则需要2000度以上。常压烧结成本低、适合大批量生产，但对粉体纯度和粒度分布要求高。

　　热压烧结是在烧结过程中同时对毛坯施加单轴压力。有了压力辅助，烧结温度可以降低100到200度，致密度更高，晶粒更细，力学性能更好。缺点是生产效率低、成本高，主要用在高性能、小批量的关键零部件上。

　　气氛烧结是在特定气氛中加热，比如氮气、氩气或真空。有些陶瓷材料在空气中加热会氧化或分解，必须在保护气氛中烧结。氮化硅陶瓷在氮气中烧结可以防止氮元素流失，碳化硅在真空或氩气中烧结可以避免表面氧化。

　　问：烧结温度越高越好吗?

　　答：不是。温度过高会导致晶粒异常长大，反而降低陶瓷的力学性能。以氧化铝为例，最理想的烧结温度在1550度左右，这个温度下晶粒尺寸和致密度达到最佳平衡。再往上加温，晶粒长得太快，强度反而往下掉。

　　致密度是衡量烧结质量的核心指标。用相对密度表示，也就是实际密度除以理论密度的百分比。普通陶瓷烧结后相对密度在95%左右就算合格，高端零部件要求98%以上，甚至99.5%。

　　致密度不够的问题很直接——内部有孔隙，强度下降，密封性变差，耐腐蚀性能也打折扣。对半导体设备用的陶瓷零件来说，致密度不达标意味着不能用于真空环境，因为孔隙中的气体在真空中会慢慢释放出来，污染腔室。

　　控制致密度的方法有很多：提高粉体纯度、优化粒度分布、调整烧结温度曲线、适当延长保温时间、添加烧结助剂等。这需要经验和数据的积累，不是调个参数就能马上见效的。

　　深圳方泰新材料技术有限公司配备多台进口高温烧结炉，覆盖常压烧结、气氛烧结和热压烧结三种工艺路线。氧化铝、碳化硅、氮化硅等材料的烧结工艺都经过了多年的优化验证，产品致密度稳定在98%以上。