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陶瓷烧结助剂的作用

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陶瓷烧结助剂的作用

【摘要】:
在陶瓷的制备过程中,通常都需要加入各种助剂。根据这些助剂的作用大体可分为两类,一类是为了调节陶瓷的性能,可称为改性助剂;另一类则是为了影响陶瓷的烧结,可称为烧结助剂。当然,这两类助剂有时候并不能完全分开,因为调节性能的助剂,往往同时也会对烧结起产生某种影响,反之亦然。 今天我们就来聊一下陶瓷烧结助剂的作用。 陶瓷烧结助剂的作用可以分为狭义和广义的两种。所谓狭义上就是指直接促进陶瓷的致密化;而广义上

  在陶瓷的制备过程中,通常都需要加入各种助剂。根据这些助剂的作用大体可分为两类,一类是为了调节陶瓷的性能,可称为改性助剂;另一类则是为了影响陶瓷的烧结,可称为烧结助剂。当然,这两类助剂有时候并不能完全分开,因为调节性能的助剂,往往同时也会对烧结起产生某种影响,反之亦然。

  今天我们就来聊一下陶瓷烧结助剂的作用。

  陶瓷烧结助剂的作用可以分为狭义和广义的两种。所谓狭义上就是指直接促进陶瓷的致密化;而广义上则指影响烧结进程。

  从狭义上看,烧结助剂又分两种:一种是与烧结物形成固溶体,另一种则是在烧结过程中形成液相。

  助剂在烧结物中形成固溶体促进烧结的原理主要由于助剂离子固溶于烧结物时,会导致后者出现晶格畸变而活化。当助剂离子半径与烧结物离子半径相差较大(在保证能形成固溶体的前提下),或者助剂离子与烧结物离子电价不同而形成空位时,晶格畸变程度也较大,陶瓷就更容易烧结。如果这两个条件同时满足,则促烧的效果会更显著。

  一个典型的例子是:在氧化铝陶瓷烧结时,加入一定量的TiO2Ti4+离子与Al3+大小接近,容易形成固溶体。由于Ti4+Al3+电价不同,会在固溶体中产生正离子空位。同时,高温下窑炉往往带有弱还原性,Ti4+可能转变成半径较大的Ti3+。这样,二者共同作用下,氧化铝晶格会产生严重畸变,活性明显提高,有利于烧结。近年的烧结研究还表明,同时采用两种或更多种助剂,有时候会形成协同效应,也就是这些离子的固溶度比单一离子存在时更大,这样也会使烧结物的晶格畸变更加明显,烧结活性进一步提高。

  形成液相是另一种促进烧结的途径,因为适当的液相可大大促进颗粒重排和传质过程。形成液相的有二:一是直接引入低熔点玻璃,二是引入适当的可与烧结物形成低共熔相的氧化物。比如在烧结氧化铝陶瓷中时,可添加适当的钙硅玻璃,也可引入CaOSiO2Al2O3形成CaO-Al2O3-SiO2低共熔相,形成液相烧结,达到降低烧结温度、加速致密化的目的。不过需要注意的是,不是形成液相就一定能促进烧结,还与这与液相本身的黏度、表面张力特别是对固相的润湿和溶解作用有关。

  值得注意的是,形成固溶体和形成液相,在很多陶瓷的烧结过程中往往会同时存在。当掺杂助剂量较小时,促烧作用主要是由于固溶体的形成;而掺杂量较大时,则形成液相的促烧作用更大。另外需要说明的是,当形成较多液相时,虽然促烧很明显,但却往往会对材料性能的损害作用也比较大。例如,在制备LTCC介质材料时,由于大量低温玻璃的引入,其介电能往往也会严重恶化。因此,实践生产中要合理地选择添加剂和添加量。

  从广义上看,烧结助剂至少还有三种重要的作用:

  一是抑制晶粒长大。在陶瓷的烧结过程中,抑制晶粒长大的助剂往往同时也会抑制致密化的过程。比如在氧化铝陶瓷中添加少量氧化镁时,晶粒生长缓慢,但同时密度也往往增长得较慢。这样看来氧化镁似乎不是太合适的烧结助剂。但是到了烧结后期,氧化铝陶瓷很容易出现异常晶粒长大,气孔被包裹进晶粒内部无法排除,致密化进程中断。此时氧化镁存在的重要性就显现出来了。高温下氧化镁可氧化铝颗粒表面形成镁铝尖晶石,抑制晶界的迁移速度,促使晶界气孔的排除,从而获得使坯体高度致密化。这一点在制备透明氧化铝等高密度、无气孔陶瓷时尤为重要。

  二是扩大烧结温度范围。有一些陶瓷的烧结温度很窄,远远小于普通窑炉可以控制的范围。而采用特种烧结方式,成本会大大增加。因此最好的方法就是引入适当的助剂,使其烧结温度范围扩大。比如滑石瓷、堇青石瓷等的烧结范围只有30℃甚至更窄,温度低一点难致密,温度高一点则很容易因大量液相的形成而使坯体产生严重变形。但添加了一定量的长石后,烧结温度范围就能扩大到80-100,工艺控制就方便多了。

  三是抑制晶型转变。有些材料在热处理过程中会发生伴随有较大体积效应的晶型转变,很容易导致坯体在烧结过程开裂,无法得到所需陶瓷制品。因此需要引入适当的添加物来抑制这种相变。比如,滑石瓷高温相为原顽火辉石,在降温后很容易相转变成顽火辉石或斜顽辉石,因此制品在后期的贮存、运输、加工或使用过程中可能会自动产生裂缝、空隙及粉化。为了避免这种现象的发生,可以在原料中引入适量的助剂(如钡玻璃),在烧结过程中形成玻璃相将晶粒包裹,防止相变的发生。

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