[科普中国]-气氛烧结

对于空气中很难烧结的制品(如透光体或非氧化物)，为防止其氧化，可在炉膛内通入一定量的某种气体，在这种特定气氛下进行烧结称为“气氛烧结”。

气氛烧结的应用范围(1)制备透光性陶瓷

以高压钠灯用氧化铝透光灯管为例，为使烧结体具有优异的透光性，必须使烧结体中的气孔率尽量降低，只有在真空或氢气中烧结，气孔内的气体才能很快地进行扩散而消除。其它如MgO、Y2O3、BeO、ZrO3等透光陶瓷也都应采用气氛烧结法。

(2)防止非氧化物陶瓷的氧化

氮化硅、碳化硅等非氧化物陶瓷也必须在氮及惰性气体中进行烧结。对于在常压下高温易于气化的材料，可使其在稍高压力下烧结。

(3)对易挥发成分进行气氛控制

在陶瓷的基本成分中，如含有某种挥发性高的物质时，在烧结过程中，它将不断向大气扩散，从而使基质中失去准确的化学计量比。因此，如含PbO、Sb2O3等的陶瓷的烧结，为了保持必要的成分比，除在配方中适当加重易挥发成分外，还应注意烧成时的气氛保护。方法可用耐火坩埚盖烧，含PbO量高的气氛板夹烧，以及在炉中放PbO粉料等。1

气氛烧结的方法按照气氛性质的不同，气氛烧结技术可以分为：氧化气氛烧结、还原气氛烧结、中性气氛烧结等。以上三种气氛可分别通氧(O2能够降低气氛中N2的相对浓度，从而有利于材料中N2逸出)、通氢(H2有利于维持还原气氛)、通氮(N2有利于维持中性气氛)。

还有一种典型的气氛烧结法是控制挥发气氛烧结法。在无机非金属原料中,有许多化合物(例如PbO，SnO2，CdO)具有较高的蒸气分压，这就意味着这些化合物在较低温度下就会大量挥发。含有这种化合物的原料，其挥发份较高，所以不能保证配料时的设计组分配比，材料也不易烧结。但是,如果将含有这类化合物的材料密闭在一个容器内，加热时挥发份将在固定空间内气化而形成挥发气氛，当挥发份浓度达到平衡蒸气分压后便会停止挥发(温度越高，平衡蒸气压就越大)。但是，如果密闭容器漏气或者容器壁与挥发物发生化学反应，这时容器内的挥发份蒸气分压将会下降，,原来的平衡就被破坏于是挥发份将继续挥发至新的平衡状态。2

气氛烧结温度对于温度的主要要求是，在液相烧结过程中能够保证生成液相。使用高于液相形成的温度可以提高材料原子的扩散速率、湿润性和固相在液相中的溶解度，降低液相的黏度和增加液相的数量。在较高的温度下，界面的偏析也比较低。在持续液相烧结中，所有这些因素都有助于提高致密化的速度。为了达到最佳致密化和使显微组织的粗化程度降低到最低，在实践中需要将温度和时间结合起来进行考虑。当烧结温度提高时，由于材料原子的扩散速率提高和液相数量增加，其最佳烧结时间可以缩短。3

气氛烧结的时间达到全致密所需要的时间受几个因索的影响，但主要的是受液相的含量和烧结温度的支配。对于高溶解度比系统，在液相体积分数大约为15%的情况下，达到全致密的时间大约是20min。如图所示，在烧结温度为1400℃的情况下，烧结时间对于93% W-5% Ni-2% Cu压坯烧结密度的影响。由图可以看出，其致密化主要是发生在开始的20min以内，大约在超过60min以后仅有少量的致密化。对于非完全致密材料，延长烧结时间，由于有利于孔隙的逐渐消除，所以对于制品性能的改善通常是有利的。但烧结时间过长会导致孔隙的长大和显微组织的粗化，所以，烧结时间的长短应视具体情况的不同而进行选择。3

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学