中国粉体网讯 先进陶瓷又称特种陶瓷，是指在传统陶瓷基础上，利用化学和物理等先进技术制备的，在力学、热学、光学、声学及电学等方面具有优异特性的陶瓷材料。与金属和高分子材料相比，先进陶瓷材料具有无可比拟的高硬度、高模量、耐高温、耐腐蚀等结构特性，以及优异的电绝缘、透光、透波等功能特性，因此在航天航空、信息技术、国防军工、生物医疗与新能源等领域得到越来越多的应用。
陶瓷零部件，图源：京瓷（中国）商贸有限公司
先进陶瓷的制备流程主要包括粉体制备、坯体成型及烧结过程等，其中成型与烧结过程是决定陶瓷制品性能的直接因素。成型是指将粉料制成规定尺寸和形状，并具有一定机械强度的坯体。烧结是指坯体在低于熔点的高温下排除气孔，发生致密化，形成具有一定强度的烧结体的过程。
01 粉体制备
先进陶瓷粉体的制备方法主要可归纳为三类：固相法、液相法、气相法。
固相法是以固态物质为初始原料来制备陶瓷超细粉体。例如，高温固相反应法、碳热还原反应法、固-气反应法、盐类热分解法和自蔓延高温燃烧合成法等，特点是便于批量化生产、成本较低，但有时存在杂质。
液相法特点在于化学组成便于控制，可在离子或分子尺度上均匀混合，可制备纳米级和亚微米级陶瓷粉末，且纯度高、烧结活性好，特别适合结构陶瓷和功能陶瓷的单一氧化物或复合氧化物粉末的合成，因此得到较广泛的使用。常用的液相法包括化学沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等。
气相法是将反应物气体在局部高温环境下，通过化学反应合成所需陶瓷粉末的方法，包括化学气相沉积法、等离子体气相合成法等。气相法合成的粉末比表面积大，容易吸附水汽或产生团聚，不适合高密度结构陶瓷和电子陶瓷材料的烧结。另外，气相法所用原材料和反应合成设备价格昂贵且产能很小，粉末制备成本较高。
02 成型工艺
根据坯料流动、流变的性质，可将成型方法分为三类：干坯料压制成型、可塑性坯料成型和浆料成型。
压制成型法又称为模压成型，是将粉料（含水量控制在4％-7％，甚至可达1％-4％）加入少量粘结剂进行造粒，然后将造粒后的粉料置于模具中，在压力机械上加压成一定形状的坯体。压制成型分为干压成型和等静压成型。
冷等静压成型法
塑性成型法是以可塑性的坯料为原始材料，利用模具运动所产生的压力，使坯料塑性变形制备坯体的一种方法。可塑性物料主要由陶瓷粉料、粘结剂、增塑剂和溶剂组成，对其原料配制工艺要求较高。可塑性坯料所含成型剂含量较多，但一般不超过30%。塑性成型法包括挤压成型、轧膜成型、注射成型等。
浆料成型法以具有流动性的陶瓷悬浮体为原料，除粉末颗粒外，浆料中还含有水和分散剂。浆料成型法主要包括注浆成型、注凝成型和流延成型等。
流延成型法工艺原理
塑性成型和浆料成型都属于湿法成型工艺。相比于干法成型，湿法工艺可以较容易地控制粉体的团聚，减少杂质的含量，从而得到形状复杂的陶瓷制品。
各种成型方法对比
随着先进陶瓷应用领域的不断扩展，一些新技术如离心沉积法、电泳沉积法、直接凝固注模成型法和固体无模成型法等相继涌现。
03 烧结工艺
陶瓷素坯需进行烧结以获得致密的组织结构。本质上讲，烧结是粉末不同成分间的相互扩散过程，其通过颗粒之间结合增强从而使陶瓷材料具有均匀显微结构、稳定形状以及较高机械强度。常见的烧结工艺有常压烧结、热等静压烧结、放电等离子体烧结等。
常压烧结是对材料不进行加压而使其在大气压力下烧结，这种方法一般是在氧气或者某种特殊气体气氛条件下烧结。在常压烧结过程中，成型的坯体不受外加压力的作用，只是在常压下加热粉末颗粒的聚集体转变成晶粒结合体。
气压烧结是指陶瓷在高温烧结过程中施加一定的气体压力，压力范围在1-10MPa(即10-100atm)，以便抑制在高温下陶瓷材料的分解和失重，从而可提高烧结温度，进一步促进材料的致密化，获得高密度的陶瓷制品。
热压烧结是一种结合机械压力与高温的致密化工艺，通过在模具中同步施加轴向压力和加热，显著提升烧结驱动力。该工艺具有三大核心优势，实现快速致密化、缩短烧结周期、大幅提升材料力学性能，尤其适用于高性能陶瓷的制备。
热等静压烧结是以惰性气体为介质，在高温和恒定高压的作用下实现陶瓷致密化的过程。对于一些自扩散系数较低，常规烧结难以实现致密化的陶瓷材料，可采用热等静压烧结增大扩散的驱动力。热等静压烧结满足透明陶瓷烧结高压、高热的条件，在透明陶瓷素坯的烧结中独具优势。
放电等离子烧结（SPS）利用脉冲直流电流形成的直接焦耳加热以及机械压力辅助烧结。由于其烧结特性可用于快速制备超高温陶瓷，Ta2AlC、TaC、ZrB2-SiC等超高温陶瓷采用放电等离子烧结工艺，可实现烧结时间短、细晶强化效果明显、力学性能明显提高、耐氧化性增强等。
SPS原理示意图
冷烧结工艺是在高压条件下，通过向粉体中添加一种瞬时溶剂，促进颗粒重新排列、扩散，在较低的温度和较短的时间下，促使陶瓷粉体烧结致密化，该工艺为低温烧结制备高性能结构陶瓷和功能陶瓷创造了可能。目前该工艺已成功应用于多种材料的制备烧结，包括典型的氧化物陶瓷、陶瓷/陶瓷复合材料、微波介质陶瓷、铁电和压电陶瓷、固体电解质、热电材料和陶瓷/二维纳米材料复合材料等。
振荡压力烧结技术是在热压烧结的基础上，将恒定压力调整为动态压力，通过连续振荡压力产生的颗粒重排提高烧结前粉体的堆积密度，同时振荡压力为粉体烧结提供了更大的烧结驱动力，利于促进烧结体内晶粒旋转和滑移、塑性流动而加快坯体的致密化。该工艺已被用于多种结构陶瓷的制备中，成功研制出高性能ZrO2、Al2O3、Si3N4等陶瓷材料。
参考来源：
[1]杨雅茹：先进陶瓷粉体关键技术专利挖掘
[2]刘诗梦等：真空技术在先进陶瓷制备中的应用
[3]韩胜强等：先进陶瓷成型技术现状及发展趋势
[4]凌俊华等：先进陶瓷材料制备研究进展
[5]王晓东等：振荡压力烧结制备陶瓷材料的研究进展
（中国粉体网编辑整理/石语）
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