無(wú)論是傳統(tǒng)陶瓷還是精密結(jié)構(gòu)陶瓷，都離不開(kāi)燒結(jié)，可以說(shuō)，燒結(jié)是陶瓷坯體成型的最后一道工藝，陶瓷產(chǎn)品的性能優(yōu)劣很大一部分因素是由燒結(jié)來(lái)決定的，如何燒的致密度高、燒的均勻、降低制造成本？其實(shí)它的前一道工序脫脂環(huán)節(jié)至關(guān)重要，除此之外，我們還要了解影響它的幾大因素：粉體、添加劑、燒結(jié)溫度及時(shí)間、壓力及燒結(jié)氣氛等。

圖 手機(jī)陶瓷蓋板及中框，拍攝于丁鼎陶瓷

陶瓷素坯在燒結(jié)前是由許許多多單個(gè)的固體顆粒所組成的，坯體中存在大量氣孔，氣孔率一般為35%~60%（即素坯相對(duì)密度為40%~65%），具體數(shù)值取決于粉料自身特征和所使用的成型方法和技術(shù)。當(dāng)對(duì)固態(tài)素坯進(jìn)行高溫加熱時(shí)，素坯中的顆粒發(fā)生物質(zhì)遷移，達(dá)到某一溫度后坯體發(fā)生收縮，出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大，伴隨氣孔排除，最終在低于熔點(diǎn)的溫度下（一般在熔點(diǎn)的0.5~0.7倍）素坯變成致密的多晶陶瓷材料，這種過(guò)程稱為燒結(jié)。

圖 燒結(jié)爐高溫爐膛，來(lái)源于合肥高歌

燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力是粉末坯體的系統(tǒng)表面能減小，燒結(jié)過(guò)程由低能量晶界取代高能量晶粒表面和坯體體積收縮引起的總界面積減少來(lái)驅(qū)動(dòng)，而促使坯體致密化的燒結(jié)機(jī)理包括蒸發(fā)-凝聚、晶格擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、黏滯流動(dòng)等傳質(zhì)方式。

燒結(jié)過(guò)程中通常發(fā)生三種主要變化：

1. 晶粒尺寸及密度的增大；

2. 氣孔形狀的變化；

3. 氣孔尺寸和數(shù)量的變化，通常使氣孔率減少。

對(duì)于致密陶瓷材料，相對(duì)密度一般可達(dá)到98%以上，而對(duì)于透明陶瓷要求燒結(jié)后陶瓷內(nèi)部氣孔率趨近于零。

影響陶瓷燒結(jié)的因素有壓力、氣氛因素，同時(shí)粉體、溫度、添加劑等也對(duì)陶瓷燒結(jié)有一定影響，但最重要的是它的前一道工序：脫脂工藝，下面我們就來(lái)分析一下：

脫脂環(huán)節(jié)搞定，蓋板燒結(jié)就成功了一大半！

陶瓷如何燒的好？針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，很多人都忽略了一個(gè)環(huán)節(jié)，就是它的前道工序：脫脂，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是通過(guò)加熱或其它方法將有機(jī)物等從陶瓷坯體中脫離出來(lái)。脫脂與燒結(jié)是整個(gè)工藝中非常重要的熱工工藝，甚至可以說(shuō)，燒結(jié)好不好，要看脫脂脫的是否徹底！

脫脂工藝非常重要，如果把控不好，比如溫度不均勻、脫脂不充分、脫脂時(shí)間不夠等，都會(huì)導(dǎo)致坯體一系列問(wèn)題，包括有孔隙，有微裂紋等，但這些問(wèn)題從脫脂爐出來(lái)是看不見(jiàn)的，必須經(jīng)過(guò)燒結(jié)環(huán)節(jié)，這些缺陷才會(huì)暴露出來(lái)，但此時(shí)已經(jīng)晚了，因?yàn)闊Y(jié)工藝是不可逆的。尤其是在大批量量產(chǎn)的時(shí)候，對(duì)脫脂的要求是非常高的。

除此之外，還有哪些因素影響陶瓷的燒結(jié)？我們來(lái)看看：

一般來(lái)講，物料分散度越高，其表面能就越高，因此，具有促進(jìn)遷移擴(kuò)散的強(qiáng)大作用力，利于燒結(jié);同時(shí)，在充分粉碎過(guò)程中，顆粒內(nèi)部和表面的缺陷增加，有效地提高了質(zhì)點(diǎn)的可遷移性。無(wú)論是固態(tài)或液態(tài)的燒結(jié)，細(xì)顆粒由于增加了燒結(jié)的推動(dòng)力，縮短了原子擴(kuò)散距離和提高顆粒在液相中的溶解度而提高燒結(jié)速率。而當(dāng)原始粉料顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，緊密堆積性差，再加上素坯壓制時(shí)壓力有梯度分布以及外加劑未能與粉料混勻，就會(huì)造成素坯各部分密度與組成的不均勻，于是素坯在燒結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不均勻的致密化。

通常外加劑的加入將牽制材料在燒結(jié)時(shí)的晶界運(yùn)動(dòng)，使晶粒生長(zhǎng)受到抑制，但是在某些情況下，結(jié)果恰好相反。如在固相燒結(jié)中，少量添加劑（又稱燒結(jié)助劑）可與主晶相形成固溶體促進(jìn)缺陷增加；在液相燒結(jié)中，添加劑能改變液相的性質(zhì)（如黏度、組成等），從而起到促進(jìn)燒結(jié)的作用。

環(huán)境溫度和高溫下的保溫時(shí)間，是坯體能否完全燒結(jié)的重要外因條件。在晶體中晶格能愈大，離子結(jié)合也愈牢固，離子的擴(kuò)散也愈困難，所需燒結(jié)溫度也就愈高。各種晶體結(jié)合情況不同，因此燒結(jié)溫度也相差很大，即使對(duì)同一種晶體燒結(jié)溫度也不是一個(gè)固定不變的值。伴隨環(huán)境溫度的升高及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)遷移擴(kuò)散充分，坯體不斷收縮、體積密度不斷提高。通常將坯體的氣孔率、致密度及機(jī)械強(qiáng)度等性能參數(shù)變化，趨于穩(wěn)定時(shí)的溫度稱為燒結(jié)溫度。將在溫度最高點(diǎn)的保溫時(shí)間稱為保溫時(shí)間。環(huán)境溫度值超過(guò)某一數(shù)量限，坯體的體積密度和機(jī)械強(qiáng)度不增反降，稱之為過(guò)燒。常將上述溫度區(qū)限稱為燒成溫度范圍。

燒成溫度不到，保溫時(shí)間再長(zhǎng)也會(huì)生燒；燒成溫度過(guò)高，或在燒成溫度點(diǎn)，過(guò)分延長(zhǎng)保溫時(shí)間，均會(huì)引起晶粒粗大，體積密度下降等過(guò)燒現(xiàn)象，導(dǎo)致燒結(jié)體的機(jī)械強(qiáng)度降低，所以在穩(wěn)定配料工序的情況下，確定制品的燒成溫度和保溫時(shí)間等燒成曲線制度至關(guān)重要。

在燒結(jié)過(guò)程中，如果質(zhì)點(diǎn)或空位缺陷的遷移方向適當(dāng)，其速度及效率越大，越利于燒結(jié)。這種能夠促進(jìn)質(zhì)點(diǎn)或空位遷移擴(kuò)散效率的作用被稱作遷移驅(qū)動(dòng)力，包括表面能、環(huán)境壓力及晶界自由能等。等靜壓燒結(jié)法就是通過(guò)增加燒結(jié)過(guò)程的環(huán)境壓力因素，有效促進(jìn)燒結(jié)進(jìn)程。降低了完成燒結(jié)過(guò)程的能耗提高了燒結(jié)體的致密度，能夠勝任常溫條件下無(wú)法完成燒結(jié)的坯體燒成。一般來(lái)說(shuō)，成型壓力愈大，顆粒間接觸愈緊密，對(duì)燒結(jié)愈有利。

不同的燒結(jié)氣氛，會(huì)對(duì)陶瓷的燒結(jié)過(guò)程產(chǎn)生不同程度的影響，或促進(jìn)燒結(jié)，或阻礙燒結(jié)。例如，在ZnO粉體中摻入微量Al2O3，其素坯在氧化氣氛中燒結(jié)，ZnO的晶粒生長(zhǎng)將受到抑制，晶粒形貌細(xì)小均勻。反之，在ZnO粉料中摻入微量Li2O后，其素坯在還原氣氛下燒結(jié)，ZnO晶粒會(huì)快速長(zhǎng)大，最后有可能發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大。

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