本發(fā)明涉及陶瓷燒結(jié)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法和制得的陶瓷及其裝置。

背景技術(shù)：

快速燒結(jié)是近年來國際上陶瓷燒結(jié)技術(shù)的主流趨勢。目前符合快速燒結(jié)要求的燒結(jié)技術(shù)主要為放電等離子燒結(jié)(SPS)。等離子體是解離的高溫導電氣體，反應活性較高的狀態(tài)。由于等離子體溫度一般在4000～10999℃，其氣態(tài)分子和原子處于高度活化狀態(tài)，且等離子氣體內(nèi)離子化程度很高，這些性質(zhì)使得等離子體成為一種非常重要的材料制備和加工技術(shù)。該燒結(jié)法利用脈沖電流使得顆粒均勻地自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化成為放電等離子體，加速擴散過程，使得陶瓷顆粒之間更容易進行橋接進而在較低溫度下快速燒結(jié)粉末致密。SPS技術(shù)具有快速、低溫、高效率等優(yōu)點，可用來制備金屬、陶瓷、納米材料、非晶材料、復合材料、梯度材料等，因此近年來得到了學界和業(yè)界的大量關(guān)注和研究。其中研究最多的是功能材料，包括熱電材料、磁性材料、功能梯度材料、復合功能材料和納米功能材料等。此外，對SPS制備非晶合金、形狀記憶合金、金剛石等也作了嘗試。目前在國外，尤其是日本開展了較多用SPS制備新材料的研究，部分產(chǎn)品已投入生產(chǎn)。

然而，SPS的燒結(jié)基礎(chǔ)機理目前尚不完全清楚，需要進行大量實踐與理論研究來完善。目前的SPS由于脈沖電流的容量限制，尚無法燒結(jié)大于300mm尺寸的產(chǎn)品做到完全致密。而且，SPS目前的設(shè)計尚無法制作形狀復雜的產(chǎn)品。另外，SPS的價格較為昂貴，雖然有工業(yè)化的產(chǎn)品，但是燒結(jié)成本較高，目前尚較少應用于實際陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)。

有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的在于提供一種低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法，該方法通過電壓輔助，在溫度加熱到某特征溫度時，發(fā)生閃光現(xiàn)象，在數(shù)秒內(nèi)完成燒結(jié)，而該特征溫度比對應材料的普通無壓燒結(jié)溫度低200℃及以上，這樣不僅可有效降低燒結(jié)溫度，而且還可大大縮短燒結(jié)時間。此外，該燒結(jié)法節(jié)約能源、提高燒結(jié)效率、降低生產(chǎn)成本且可生產(chǎn)大尺寸形狀復雜的陶瓷產(chǎn)品，燒結(jié)的陶瓷塊體密度一般在95％以上，并且燒結(jié)得到的陶瓷質(zhì)量優(yōu)越。

本發(fā)明的第二目的在于提供實施所述的低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法的裝置。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：

一種低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法，包括以下步驟：

在陶瓷生坯兩端加載電壓，設(shè)定電流上限；

對所述陶瓷生坯加熱，當電極周圍出現(xiàn)閃光現(xiàn)象后，斷開電源，保溫，降溫，完成燒結(jié)。

其中，設(shè)定的電流是根據(jù)以下方法設(shè)置：先對陶瓷生坯在一定電壓下如200-1000V/cm電壓下進行預實驗，加熱至特征溫度時，電流驟升同時出現(xiàn)電擊穿的閃光現(xiàn)象，而設(shè)置的電流上限是未發(fā)生電擊穿的電流，即設(shè)置的電流上限小于電擊穿時的電流。因此，根據(jù)預實驗選擇相應的電流上限。

本發(fā)明提供的一種低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法，該燒結(jié)法利用特定陶瓷在升溫過程中電阻逐漸降低的原理，當溫度升高至某一個臨界點，即溫度加熱到某特征溫度時，陶瓷生坯的電阻將驟降至一個較低的電阻水平并同時在正極出現(xiàn)閃光點。根據(jù)歐姆定律，此時陶瓷生坯上將瞬間有極大的電流通過陶瓷生坯，因此在閃光點出現(xiàn)后很短的時間內(nèi)產(chǎn)生類似電擊穿的現(xiàn)象，使陶瓷生坯在較短的時間內(nèi)快速燒結(jié)致密。燒結(jié)后的生坯由于電阻升高，閃電現(xiàn)象隨之消失，直至燒結(jié)完成。閃光燒結(jié)的過程從出現(xiàn)閃光點到閃光現(xiàn)象結(jié)束，在數(shù)秒內(nèi)完成燒結(jié)。本發(fā)明通過電壓輔助達到的特征溫度比對應材料的普通無壓燒結(jié)溫度低200℃及以上，這樣不僅可有效降低燒結(jié)溫度，而且還可大大縮短燒結(jié)時間。該燒結(jié)法節(jié)約能源、提高燒結(jié)效率、降低生產(chǎn)成本且可生產(chǎn)大尺寸形狀復雜的陶瓷產(chǎn)品，燒結(jié)的陶瓷塊體密度一般在95％以上。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，制得的陶瓷生坯的致密度越高，則升溫過程中需要的燒結(jié)溫度越低，并且燒結(jié)得到的陶瓷性能更佳。

進一步地，所述陶瓷生坯所用的陶瓷粉末平均粒度小于500nm。

優(yōu)選地，所述陶瓷生坯的密度在50％及以上。

生坯的壓制方法包括冷壓、冷等靜壓和澆注成型等。

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，陶瓷生坯厚度越薄，燒結(jié)得到的陶瓷性能更佳。優(yōu)選地，所述陶瓷生坯的厚度為2mm-2cm。如陶瓷生坯的厚度可以為2mm、5mm、1cm、2cm等等。

進一步地，加載電壓對應的電源為直流電或者交流電源中的一種，電壓的范圍不大于2000V/cm。如可以為100V/cm、500V/cm、1000V/cm、1500V/cm、2000V/cm等等。該電壓范圍內(nèi)，根據(jù)選擇的具體材料，限定電流上限，均能在其特征溫度時，發(fā)生閃光現(xiàn)象，有效降低燒結(jié)溫度。

進一步地，在所述陶瓷生坯兩端加載電壓的方式為在生坯兩端鉆孔加載電極或者采用高溫導電膠將電極與生坯粘連；

所用的電極為金屬電極或者石墨電極。

進一步地，所述陶瓷生坯燒結(jié)過程中，不承載額外壓力，燒結(jié)氣氛為空氣、真空和非空氣氣體中的任一種。

燒結(jié)時，陶瓷生坯所用的陶瓷為氧化陶瓷，燒結(jié)的氣氛選用空氣；若陶瓷生坯所用的陶瓷為非氧化陶瓷，燒結(jié)的氣氛一般選用真空或非空氣氣體。

進一步地，所述保溫的時間在10分鐘以內(nèi)；然后以不大于5℃/min的速度進行降溫。以得到晶型很好的陶瓷產(chǎn)品，并且防止因降溫速度過快造成的裂紋。

進一步地，所述陶瓷生坯所用的陶瓷為氧化陶瓷或者非氧化陶瓷；

所述氧化陶瓷包括氧化鋁、氧化鋯陶瓷及其復合物等；

所述非氧化陶瓷包括氮化物陶瓷、碳化物陶瓷以及金屬陶瓷及其復合物等；

所述氮化物陶瓷包括氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷及其復合物等；

所述碳化物陶瓷包括碳化硅陶瓷及其復合物等。

本發(fā)明還提供了上述的低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法制得的陶瓷。

本發(fā)明還提供了實施上述的低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法的裝置，包括管式爐，所述管式爐內(nèi)加載電極，并且所述電極從所述管式爐內(nèi)伸出與外部的電源連接；

所述管式爐還設(shè)置有觀察窗，所述加載電極和所述觀察窗的部位設(shè)置有冷卻裝置。

本發(fā)明提供的實施上述低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法的裝置，結(jié)構(gòu)簡單，為陶瓷的燒結(jié)進行提供很大的便利。

其中，本發(fā)明提供的裝置中，觀察窗還可以與圖像數(shù)據(jù)采集以及處理系統(tǒng)連接。

進一步地，所述觀察窗設(shè)置于所述管式爐的進氣端的法蘭處，所述電極通過所述管式爐的出氣端的法蘭處伸出。

本發(fā)明中的裝置可由高溫管式爐改裝而成，具體地，包括管式爐、法蘭冷卻裝置、電極、電源、觀察窗以及與觀察窗連接的圖像數(shù)據(jù)采集以及處理系統(tǒng)。管式爐在密封通氣氛的模式下可制備非氧化物陶瓷，在非密封的模式下可制備氧化物陶瓷。管式爐的進氣端法蘭處加裝了觀察窗，可供實驗中的圖像觀察；出氣端的法蘭處加裝了鉑金電極以供燒結(jié)過程中的生坯的電壓加載，該電極用耐高溫橡膠與法蘭確保絕緣。由于管式爐為高溫管式爐，而且法蘭上觀察窗和電極的改裝要求不使用爐管塞，在高溫下會造成法蘭過熱影響圖像數(shù)據(jù)采集和電荷的加載，因此，需要冷卻裝置，即對法蘭進行水冷裝置的加載和改裝，并且使用循環(huán)水冷機。同時，法蘭冷卻裝置可延長密閉橡膠圈的使用壽命，并且提高爐管在通氣氛的模式下的氣密性。加載電源通過兩根鉑金絲在加熱和燒結(jié)的過程中對陶瓷生坯進行電荷的加載，以實現(xiàn)生坯的閃光燒結(jié)。該電源為直交流一體電源，可在直流或者交流的模式下進行閃光燒結(jié)，最高功率為3000-4000瓦。該電源具備電壓電源的實時數(shù)據(jù)輸出功能。此外，還可配備圖像數(shù)據(jù)采集以及處理系統(tǒng)，通過觀察窗記錄閃光燒結(jié)爐的過程，并且實時記錄加載電源的電壓電流信號(電源需具備電壓電流數(shù)據(jù)實時輸出的功能，并且電腦需配備了電壓電流數(shù)據(jù)的實時采集軟件)，可供研究中的實驗觀察和數(shù)據(jù)記錄。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明提供的一種低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法，通過電壓輔助，在溫度加熱到某特征溫度時，發(fā)生閃光現(xiàn)象，在數(shù)秒內(nèi)完成燒結(jié)，而該特征溫度比對應材料的普通無壓燒結(jié)溫度低200℃及以上，這樣不僅可有效降低燒結(jié)溫度，而且還可大大縮短燒結(jié)時間。

(2)本發(fā)明提供的燒結(jié)法節(jié)約能源、提高燒結(jié)效率、降低生產(chǎn)成本且可生產(chǎn)大尺寸形狀復雜的陶瓷產(chǎn)品，燒結(jié)的陶瓷塊體密度一般在95％以上，并且燒結(jié)得到的陶瓷質(zhì)量優(yōu)越。

(3)本發(fā)明還提供了實施低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法的裝置，結(jié)構(gòu)簡單，為陶瓷的燒結(jié)進行提供便利。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，以下將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1為本發(fā)明實施例1提供的閃光燒結(jié)爐的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例1提供的閃光燒結(jié)爐的剖面圖；

圖中：1-管式爐；2-法蘭冷卻裝置；3-電極；4-電源；5-觀察窗。

具體實施方式

下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明的實施方案進行詳細描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應視為限制本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

實施例1

本發(fā)明設(shè)置了一套用于實施低溫快速燒結(jié)陶瓷的閃光燒結(jié)方法的裝置，該裝置為一套閃光燒結(jié)爐(MX-100)。在該設(shè)備基礎(chǔ)上，可進行陶瓷的閃光燒結(jié)。

MX-100由管式爐1、法蘭冷卻裝置2、電極3、電源4、觀察窗5以及與觀察窗連接的圖像數(shù)據(jù)采集以及處理系統(tǒng)。管式爐1在密封通氣氛的模式下可制備非氧化物陶瓷，在非密封的模式下可制備氧化物陶瓷，最高溫度可達1700攝氏度，因此，可滿足大多數(shù)氧化和非氧化陶瓷的制備需求。

管式爐1的進氣端法蘭處加裝了觀察窗5，可供實驗中的圖像觀察；出氣端的法蘭處加裝了鉑金電極以供燒結(jié)過程中的陶瓷生坯的電壓加載，該電極用耐高溫橡膠與法蘭確保絕緣。

由于管式爐為高溫管式爐，而且法蘭上觀察窗5和電極3的改裝要求不使用爐管塞，在高溫下會造成法蘭過熱影響圖像數(shù)據(jù)采集和電荷的加載，因此需要冷卻裝置，即對法蘭進行水冷裝置的加載和改裝，并且使用循環(huán)水冷機。同時，法蘭冷卻裝置可延長密閉橡膠圈的使用壽命，并且提高爐管在通氣氛的模式下的氣密性。

加載電源通過兩根鉑金絲在加熱和燒結(jié)的過程中對陶瓷生坯進行電荷的加載，以實現(xiàn)生坯的閃光燒結(jié)。該電源為直交流一體電源，可在直流或者交流的模式下進行閃光燒結(jié)，最高功率為3000-4000瓦。該電源具備電壓電源的實時數(shù)據(jù)輸出功能。MX-100配備了圖像數(shù)據(jù)采集以及處理系統(tǒng)，通過觀察窗記錄閃光燒結(jié)爐的過程，并且實時記錄加載電源的電壓電流信號(電源需具備電壓電流數(shù)據(jù)實時輸出的功能，并且電腦需配備了電壓電流數(shù)據(jù)的實時采集軟件)，可供研究中的實驗觀察和數(shù)據(jù)記錄。

實施例2

利用實施例1中的裝置對陶瓷生坯進行燒結(jié)，具體步驟如下：

首先利用冷等靜壓在200MPa的壓力下壓制氧化鋯陶瓷納米粉的陶瓷生坯，氧化鋯陶瓷粉純度為99.95％，平均粒徑為160nm，冷等靜壓后的陶瓷生坯密度為60％，厚度為1cm；

在生坯的兩端鉆孔，用鉑電極插入孔中纏繞固定生坯，電極間的距離約為100mm；

將電極用電線連接到直流電源上，打開電源，給定電源200V/cm，設(shè)定電流上限0.5A；

設(shè)定管式爐加溫程序：從室溫開始，以每分鐘8攝氏度的速度加溫至1000攝氏度，然后以每分鐘5攝氏度的速度升溫至1400攝氏度；

隨后開啟加溫程序，打開水冷機，同時開始圖像數(shù)據(jù)采集和電壓電流數(shù)據(jù)的采集；

當爐溫升至1280-1350攝氏度的區(qū)間，通過圖像采集系統(tǒng)可以看見正極出現(xiàn)小白點，隨后在數(shù)秒內(nèi)光斑擴大，然后出現(xiàn)類似電擊穿的閃光現(xiàn)象，與此同時，電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示電流迅速升至0.5A的上限，之后電壓在電流升至上限值后開始下降；

閃光現(xiàn)象結(jié)束后，立即斷開陶瓷塊體上加載的電源，同時保溫5分鐘，隨后以每分鐘5攝氏度的速度開始降溫；

當爐溫降至室溫后，關(guān)閉水冷機，卸載電極，取出陶瓷塊體。

制得的氧化鋯陶瓷塊體經(jīng)測定其密度為5.75g/cm³。

實施例3

利用實施例1中的裝置對陶瓷生坯進行燒結(jié)，具體步驟如下：

首先利用冷等靜壓在200MPa的壓力下壓制碳化硅陶瓷納米粉的陶瓷生坯，碳化硅陶瓷粉純度為99.5％，平均粒徑為80nm，冷等靜壓后的陶瓷生坯密度為55％，厚度為2mm；

在陶瓷生坯的兩端鉆孔，用鉑電極插入孔中纏繞固定生坯，電極間的距離約為100mm；

將電極用電線連接到直流電源上，打開電源，給定電源1000V/cm，設(shè)定電流上限0.5A；

設(shè)定管式爐加溫程序：從室溫開始，以每分鐘8攝氏度的速度加溫至1000攝氏度，然后以每分鐘5攝氏度的速度升溫至1650攝氏度；

在管式爐爐管內(nèi)通氬氣氣氛，流速為200ml/min；

隨后開啟加溫程序，打開水冷機，同時開始圖像數(shù)據(jù)采集和電壓電流數(shù)據(jù)的采集；

當爐溫升至1600-1650攝氏度的區(qū)間，通過圖像采集系統(tǒng)可以看見正極出現(xiàn)小白點，隨后在數(shù)秒內(nèi)光斑擴大，然后出現(xiàn)類似電擊穿的閃光現(xiàn)象，與此同時，電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示電流迅速升至0.5A的上限，之后電壓在電流升至上限值后開始下降；

閃光現(xiàn)象結(jié)束后，立即斷開陶瓷塊體上加載的電源，同時保溫5分鐘，隨后以每分鐘5攝氏度的速度開始降溫；

當爐溫降至室溫后，關(guān)閉水冷機，卸載電極，取出陶瓷塊體。

制得的碳化硅陶瓷塊體密度為3.10g/cm³。

實施例4

利用實施例1中的裝置對陶瓷生坯進行燒結(jié)，具體步驟如下：

首先利用冷等靜壓在200MPa的壓力下壓制碳化硅陶瓷納米粉的陶瓷生坯，碳化硅陶瓷粉純度為99.5％，平均粒徑為450nm，冷等靜壓后的陶瓷生坯密度為50％，厚度為2cm；

在陶瓷生坯的兩端鉆孔，用鉑電極插入孔中纏繞固定生坯，電極間的距離約為100mm；

將電極用電線連接到直流電源上，打開電源，給定電源2000V/cm，設(shè)定電流上限0.4A；

設(shè)定管式爐加溫程序：從室溫開始，以每分鐘8攝氏度的速度加溫至1000攝氏度，然后以每分鐘5攝氏度的速度升溫至1650攝氏度；

在管式爐爐管內(nèi)通氬氣氣氛，流速為200ml/min；

隨后開啟加溫程序，打開水冷機，同時開始圖像數(shù)據(jù)采集和電壓電流數(shù)據(jù)的采集；

當爐溫升至1600-1650攝氏度的區(qū)間，通過圖像采集系統(tǒng)可以看見正極出現(xiàn)小白點，隨后在數(shù)秒內(nèi)光斑擴大，然后出現(xiàn)類似電擊穿的閃光現(xiàn)象，與此同時，電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示電流迅速升至0.4A的上限，之后電壓在電流升至上限值后開始下降；

閃光現(xiàn)象結(jié)束后，立即斷開陶瓷塊體上加載的電源，同時保溫5分鐘，隨后以每分鐘3攝氏度的速度開始降溫；

當爐溫降至室溫后，關(guān)閉水冷機，卸載電極，取出陶瓷塊體。

制得的碳化硅陶瓷塊體密度為3.05g/cm³。

實施例5

利用實施例1中的裝置對陶瓷生坯進行燒結(jié)，具體步驟如下：

首先利用冷等靜壓在200MPa的壓力下壓制氮化硼陶瓷納米粉的陶瓷生坯，氮化硼陶瓷粉純度為99％，平均粒徑為150nm，冷等靜壓后的陶瓷生坯密度為60％，厚度為5mm；

在陶瓷生坯的兩端鉆孔，用鉑電極插入孔中纏繞固定生坯，電極間的距離約為80mm；

將電極用電線連接到直流電源上，打開電源，給定電源2000V/cm，設(shè)定電流上限0.5A；

設(shè)定管式爐加溫程序：從室溫開始，以每分鐘8攝氏度的速度加溫至1000攝氏度，然后以每分鐘5攝氏度的速度升溫至1600攝氏度；

在管式爐爐管內(nèi)通氮氣氣氛，流速為200ml/min；

隨后開啟加溫程序，打開水冷機，同時開始圖像數(shù)據(jù)采集和電壓電流數(shù)據(jù)的采集；

當爐溫升至1500-1600攝氏度的區(qū)間，通過圖像采集系統(tǒng)可以看見正極出現(xiàn)小白點，隨后在數(shù)秒內(nèi)光斑擴大，然后出現(xiàn)類似電擊穿的閃光現(xiàn)象，與此同時，電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示電流迅速升至0.5A的上限，之后電壓在電流升至上限值后開始下降；

閃光現(xiàn)象結(jié)束后，立即斷開陶瓷塊體上加載的電源，同時保溫5分鐘，隨后以每分鐘4攝氏度的速度開始降溫；

當爐溫降至室溫后，關(guān)閉水冷機，卸載電極，取出陶瓷塊體。

制得的氮化硼陶瓷塊體密度為2.16g/cm³。

盡管已用具體實施例來說明和描述了本發(fā)明，然而應意識到，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以作出許多其它的更改和修改。因此，這意味著在所附權(quán)利要求中包括屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些變化和修改。