中国粉体网讯 烧结，作为一种粉末致密化的艺术，已存在6000多年。尤其在制备先进陶瓷的过程中，烧结是最重要的一个环节。传统烧结方法对特定材料体系的烧结具有局限性，陶瓷材料的传统烧结受加热设备限制，通常需要10h以上，长时间的烧结对能源来说是极大的消耗，不利于工业生产。
于是，快速烧结技术的出现与发展为先进陶瓷材料的广泛应用开辟了新的方向。快速烧结能在较低温度或较短时间内实现高度致密化，无论在节省能源还是经济效益方面都有巨大优势。
美国马里兰大学在2020年公开过一种陶瓷快烧技术，该技术是将陶瓷前驱体粉末压坯，之后夹在两根碳条之间，通过碳条的辐射和传导来迅速加热陶瓷前驱体，创造了一个持续的高温环境，迫使陶瓷粉末快速凝固。据介绍，这种工艺所需的总处理时间不到10秒，比传统的烧结炉方法快1000倍以上。
目前研究较多的适用于先进陶瓷材料的快速烧结技术主要有：放电等离子烧结、闪电烧结、选区激光烧结、感应烧结、微波烧结、传统烧结装置中的快速烧结等。
不同快速烧结方式优缺点及工业应用前景
放电等离子烧结（SPS）
SPS技术是一种受到学术界广泛关注与研究的新型快速烧结技术。SPS技术开创性地将直流脉冲电流引入烧结过程，压头在向材料施加压力的同时也充当电流通过的载体。与传统烧结技术通常利用发热体辐射加热不同，SPS技术借助大电流通过模具或导电样品产生的热效应来加热材料。对于绝缘样品，通常使用导电性良好的石墨作为模具材料，利用模具的电阻热使样品快速升温；对于导电样品，则可以使用绝缘模具，使电流直接通过样品进行加热。其升温速率可达1000℃/min，当样品温度达到设定值后，经过短时间保温即可完成烧结。
SPS设备的工作原理示意图
SPS技术具有烧结温度低、保温时间短、升温速率快、烧结压力可调控、可实现多场耦合(电－力－热)等突出的优点。除Al2O3、ZrO2等常见陶瓷外，SPS技术也可用于许多难烧结材料的制备，如ZrB2、HfB2、ZrC、TiN等超高温陶瓷以及W，Ｒe，Ta，Mo等难熔金属及其合金。
闪电烧结
闪电烧结（FS）是一种节能的烧结技术，涉及电焦耳加热，可以实现颗粒材料极快速致密化（<60s）。在闪电烧结中，当炉温和通过样品的电流超过临界值条件时，陶瓷坯体迅速实现致密化。这种现象出现在多种氧化物体系中，包括氧化钇稳定氧化锆、氧化镁掺杂氧化铝、钛酸锶、钴锰氧化物、二氧化钛、铝酸镁尖晶石等。
闪电烧结被认为是陶瓷烧结领域最具有前途的创新之一，相对于传统烧结和其他快速烧结技术，极大地缩短了烧结时间，降低了烧结温度，能获得特殊的不平衡结构。而在应用方面，闪电烧结还有很大一段距离。
选区激光烧结
选区激光烧结（SLS）主要是通过聚焦激光束将粉末颗粒连接在一起形成固体物体而实现快速烧结。在SLS工艺中，一层薄薄的粉末通过刀片或滚柱机构在平台上扩散，调制激光器有选择地将计算机辅助设计（CAD）数据写入粉末床上，以便只有具有物体横截面的区域中的颗粒被激光能量熔化。SLS中使用了多种材料。当材料的特性适合于此工艺类型时，则选区激光烧结技术要优于其他快速烧结技术。
选区激光烧结参数示意图
选区激光烧结相对于其他快速烧结方式的最大优点是烧结区域和烧结功率可控，其在制备复杂、梯度结构以及性能材料方面优势巨大。同时，由于激光束功率密度高，材料往往在短时间内发生熔化形成液相使其致密度显著提高，对材料性能有一定提高作用。然而，在使用SLS技术制备全致密陶瓷零件方面仍存在许多挑战，如：粉末层沉积、激光-粉末相互作用、烧结或熔化机理和残余应力等问题。一旦这些问题得到解决，SLS技术将对航空航天和生物医学等各个行业产生颠覆性影响。
感应烧结
感应烧结（IH）是一种非接触加热过程，其典型装置如下图所示，感应线圈一端连接高频交流电源，一端置入感应样品或容器，其产生的感应电流可以加热导电材料。由于这是一种非接触式方法，所以加热过程不会污染被加热材料。而且，因为热量实际上是在样品内部产生，所以非常高效，该过程通常用于冶金热处理（淬火、硬化、钎焊）、表面涂层或熔化。
纵向磁通配置下感应加热系统的典型装置
感应烧结只有在加热材料导电性足够好时才能实现，如果材料同时也是导磁材料则加热效率更高，因为磁通量和感应电磁场的非线性关系，所以一部分的加热来自磁滞的贡献，然而这也仍然比直接焦耳加热的贡献要小。还应指出，随着频率的增加，感应加热会导致趋肤效应，即样品表面涡流产生的磁感应会抵消样品中心的磁感应。然而，大部分陶瓷材料都属于非铁磁材料，甚至绝缘材料，所以在感应烧结过程中必须使用坩埚或者模具进行热传递。由于陶瓷材料烧结温度高，所以一般使用石墨材料。与其他快速烧结方式类似，感应烧结也能在几分钟内得到致密且晶粒细小的样品。
感应加热已经广泛应用于冶金和生物领域，然而在陶瓷材料应用领域还面临多种问题，如能量平衡、感应装置简化、生产安全、陶瓷材料磁感应强度问题等，总体来说是一种非常具有潜力的快速加热技术。
微波烧结
微波烧结主要是利用微波能的烧结技术。微波能是一种电磁能，频率范围从300MHz到300GHz。微波加热是一种材料与微波耦合，从体积上吸收电磁能量，并将其转化为热量的过程。与传统加热相反，微波加热首先在材料内部产生热量，然后加热整个炉体。
微波烧结先进陶瓷材料的主要优点是：低能耗、强化扩散过程、缩短烧结时间、微观组织均匀、可能提高物理或机械性能。由于微波烧结是一项相对较新的技术，陶瓷工业可能需要相当长的时间来实施这项技术，所以未来研究重点主要是微波烧结工业化应用。
冷烧结(CS)
美国研发出一种叫做冷烧工艺(ColdSinteringProcess)的新技术，最高只需200℃就能制成陶瓷，并且最短在15分钟之内就能完成烧结，很大程度上降低了陶瓷制造成本。据介绍，冷烧工艺结合使用了热量、压力和水，可显著减少能源消耗，远低于传统烧结法、激光烧结法、液相烧结法和快速烧结法等其他烧结工艺。
英国谢菲尔德大学教授首席研究员IanReaney解释道：“冷烧工艺是一种颠覆性的新工艺，在这个工艺中，可以在低温下用水作为离子的传输介质来使陶瓷致密化。将湿陶瓷在约200MPa的压力下压入模具中，然后水分蒸发，水离子重结晶，使陶瓷致密化。”他指出，在该过程中会施加单轴压力，整个过程大约需要10-20分钟，具体时长取决于压制材料的类型。
冷烧工艺具有较低资金成本获得最佳投资回报的优势，同时能节省大量能源，减少碳排放，是最为经济的烧结方式。以钛酸钡陶瓷的烧结技术为例，每节省一吨碳所需要投入的成本，冷烧工艺是最低的——冷烧工艺需要10.63英镑，传统烧结工艺需要76.95英镑，微波烧结法需要132.59英镑，液相烧结法需要142.81英镑，热压烧结法需要322.12英镑，快速烧结法需要340.55英镑，放电等离子体烧结法则需要2273.84英镑。
高温自蔓延烧结（SHS）
SHS技术是利用外部提供的能量诱发，使强放热反应体系的局部发生化学反应，形成反应前沿燃烧波，此后化学反应在自身放出热量的支持下，继续向前进，使邻近的物料发生化学反应，结果形成一个以一定速度蔓延的燃烧波，随着燃烧波的推进，原始混合物料转化为产物，待燃烧波蔓延至整个试样时，则合成了所需的材料。通过利用SHS反应来进行陶瓷材料的烧结，可以使陶瓷坯体在几秒钟之内达到数千摄氏度的高温，是一种超快速的烧结新技术。
利用SHS烧结技术可以在短时间里合成材料，但是直接获得的产品往往是多孔、疏松状的，不能作为结构件用。将SHS过程与动态快速机械轴压结合起来，一次完成材料的合成与密实化过程的新工艺成为研究的热点。此方法实际上是SHS过程加上一个快速加压过程，所以我们称其为自蔓延高温合成结合快速加压技术，SHS／QP。其设备工作原理如图如下所示：
自蔓延高温合成结合快速加压技术设备的工作原理图
小结
快速烧结技术既能节省时间和能源，又能做到性能优异，理应具有广阔的工业应用前景。但是在快速烧结技术的研究中很少提到大批量、大尺寸等工业应用研究，似乎快速烧结技术只能停留在实验室，所以快速烧结技术未来的另一发展方向是如何将其应用于工业生产，解决快速烧结技术工业化生产中大尺寸、大批量生产的难题。
参考来源：
[1]谭划等.先进陶瓷材料快速烧结技术发展现状及趋势
[2]谢志鹏等.先进陶瓷材料烧结新技术研究进展
[3]季伟，傅正义.特种陶瓷材料快速烧结新技术研究
