摘 要

本文采用放电等离子烧结（SPS）法对高纯的氧化铝样品进行研究。通过设计石墨模具，在无外加压力的条件下，采用超快速烧结法将预成型的氧化铝试样以极快的升温速率加热至1562 °C到2053 °C之间的某一烧结温度，使各个样品经历相似的升温过程，不保温，迅速冷却。文中对各个烧结温度下烧结样品的相对密度和微观形貌进行了比较，所得结果对于研究升温过程对烧结致密化的影响具有一定意义。

论文主要研究了放电等离子烧结过程中氧化铝在各个升温条件下的致密化和晶粒生长情况。研究结果表明，在超快速烧结过程中，晶粒生长滞后于致密度的增长，两者均在1950 °C附近得到最大值，其相对密度为98.9 %，晶粒尺寸增长了约13倍，即此时样品几乎完全致密，若继续升高温度相对密度不再升高，晶粒尺寸也不再有明显增大。在无压烧结过程中，超快速升温过程能极大抑制传统烧结初期的表面扩散所导致的颈部生长，从而使坯体在烧结中期有较强的烧结活性和物质扩散速度，提高了致密化速率，但物质扩散同时也导致了晶粒快速增长。

关键词：氧化铝；超快速烧结；放电等离子烧结；致密化；晶粒生长

Abstract

Spark Plasma Sintering (SPS) method was used to study the high-purity alumina specimens. By designing the graphite mould, without any impressed pressure, the pre-molded alumina compact was heated with superfast heating rate to temperatures ranging between 1562 °C and 2053°C by the superfast sintering method. These specimens go through similar heating process and then rapidly cold without holding. In this paper, the relative density and microstructures of alumina specimens under different sintering temperatures are compared, and the results have certain significance to study the impact of heating process on the sintering densification.

This paper mainly studies the densification and grain growth of alumina ceramics under different heating conditions during the Spark Plasma Sintering process. The research reveals that the grain growth lags behind the density growth during superfast sintering process, and both of which reach the maximum value around 1950 °C. The alumina’s relative density is 98.9%, and the grain size has increased by around 13 times. In other words, at this moment, the specimen is completely densified, even if the sintering temperature is continuously increased, the relative density didn’t increase, and the grain size didn’t have significant growth anymore. During the pressureless sintering process, the superfast heating process can significantly inhibit the necking growth caused by surface diffusion during the early period of traditional sintering process, so that the green body can have strong sintering activity and substance diffusion speed during the middle stage of sintering. It has increased the densification speed, but the substance diffusion has also caused significant grain growth.

Key Words：Alumina; Superfast sintering; Spark Plasma Sintering; Densification; Grain growth

目录

第1章 绪论 1

1.1 背景介绍 1

1.2 典型烧结工艺及研究进展 2

1.2.1 常规无压烧结 2

1.2.2 热压烧结（Hot Pressing, HP） 2

1.2.3 超高压烧结 3

1.2.4 微波烧结 3

1.2.5 SHS/QP技术 3

1.2.6 Flash sintering技术 4

1.3 放电等离子烧结技术（Spark Plasma Sintering, SPS） 4

1.3.1 SPS技术简介 4

1.3.2 SPS技术研究进展 5

1.4 本课题研究目的意义与内容 6

1.4.1 本课题研究目的意义 6

1.4.2 本课题研究研究内容 6

第2章 氧化铝陶瓷的烧结和制备方法 7

2.1 氧化铝陶瓷的制备 7

2.1.1 实验方案 7

2.1.2 烧结设备 7

2.1.3 烧结模具的设计 8

2.1.4 超快速烧结制备氧化铝陶瓷 9

2.2 结构表征和性能测试 10

2.2.1密度和气孔率测试 10

2.2.2 材料显微结构分析 11

第3章 超快速烧结氧化铝陶瓷的结构分析 11

3.1 超快速烧结技术烧结条件的判定 12

3.1.1 烧结温度的判定 12

3.1.2 升温速率的判定 12

3.2 氧化铝陶瓷的致密化行为 13

3.3 超快速烧结制备氧化铝的致密化及晶粒生长机理研究 16

第4章 总结 17

参考文献 18

致 谢 21

第1章 绪论

1.1 背景介绍

作为一种有悠久历史的材料制备技术，粉末烧结今天依然是高性能技术陶瓷制备的重要工艺手段。从过程本质讲，烧结一般认为是一个通过原子扩散实现物质迁移从而不断移除烧结体中残余气孔的过程。因此具有高熔点和低物质扩散系数的陶瓷材料的烧结往往需要很高的烧结温度（1200-2000 °C）和长的烧结时间（十几或几十个小时）才可能达到较高的致密度、拥有较好的力学性能，是一个高耗时、耗能的过程。为了提高效率、降低成本，在陶瓷烧结技术几千年的发展历程中，提高致密化速度、缩短烧结时间一直是人们追求的重要目标；并取得了极大的进展。如，采用古法烧结日用陶瓷（通常由瓷石、高岭土、石英石、莫来石等组成，烧结温度在900-1300 °C）通常需要在窑炉中烧结十几天甚至更长的时间，而采用现代热压工艺，由于外加压力和较高烧结温度对烧结过程中物质扩散的促进作用，具有更高熔点的技术陶瓷（如SiC，B₄C等，熔点在2000 °C以上）烧结到近乎完全致密也只需要几个小时甚至更短的时间^[1-3] 。但对于传统能源日益枯竭的今天，现有陶瓷材料烧结工艺仍是一个高耗能的工业过程，需要进一步的突破。同时，现有烧结技术的温度和烧结周期也抑制了部分高性能高技术陶瓷的开发。新一代的高性能技术陶瓷往往不仅需要有传统陶瓷材料的高比强度和高比模量，同时还要有金属材料的高强韧特性。在微/纳米尺度对陶瓷复合材料的多组分复合结构进行有序的控制是实现上述目标的可能途径之一^[4]。而现有的烧结技术无论是在小尺度上的温度控制还是致密化效率上都难以满足上述材料的制备需要，需要发展新型烧结致密化技术^[5]。要在微小尺度上实现陶瓷材料的致密化烧结并与其他物相组分实现完美的界面结合，考虑到不同组分的烧结温度差异，新型的烧结技术显然应该是极快速的（因为快速的过程以在抑制热的扩散，从而减小烧结高温组分时高的烧结温度对相邻低熔点组分的影响）；同时，它还必须是高效的，保障高熔点陶瓷组分具有较高的密实度，从而具有较好的性能。

在上述需求的推动下，近年来高效、快速的烧结致密化技术成为了材料加工工程领域里的一个热点研究问题。一些新的快速烧结技术被提出，并得到了极大的发展，如激光烧结^[6]，微波烧结^[7]和电流场辅助烧结^[8]等。其中，电流场辅助烧结方法（包括电场辅助烧结（CATS）^[9]，放电等离子体烧结（SPS）^[10]，通电闪烧（Flash Sintering）^[11]等）以其较好的工艺可控性（烧结温度制度控制）和高效的烧结效率（十几分钟或几分钟实现陶瓷的致密化）最引人注意。Risbud et al.^[10]等人对它进行了充分的论述。这类烧结技术的一个共同特点是采用一个直流电源（脉冲或无脉冲），将电流直接导模具或样品本身，通过强烈的焦耳热效应实现模具或样品的快速升温，从而极大地缩短烧结过程、提高效率^[12-13]。传统的烧结过程中，通常是通过发热体高温辐射来加热烧结体或模具，当烧结温度接近2000 °C时，样品的加热升温速度会极大地降低（工业化烧结设备大多在1 °C/min以下），因此在烧结高熔点陶瓷时加热过程很长（达到2-4 h）；而电流直接加热方式几分钟甚至更短的时间就可将样品加热到上述烧结温度。另外，研究结果还表明，在上述电流的作用下，一些陶瓷的致密化烧结温度还可能一定程度的下降^[10,12]。