Различные свойства современной керамики зависят не только от химического состава материала, но и от его микроструктуры. Как правило, химический состав материала фиксирован, а его микроструктуру можно изменить путем спекания.
Определение спекания
Спекание — процесс, при котором уплотненный порошок при нагревании до определенной температуры (ниже температуры плавления материала) начинает сжиматься и превращается в плотное, прочное спеченное тело. Спекание — важнейший этап в производстве современной керамики, и производительность печи для спекания оказывает решающее влияние на качество конечного продукта.
Процесс спекания керамических сырых тел
Зелёное тело:Керамическое сырое тело состоит из частиц, находящихся в точечном контакте друг с другом.
Ранняя стадия спекания:Во время высоко-спекания материал заполняет шейки и поры между частицами, в результате чего шейки постепенно увеличиваются в размерах. Обширные контактные поверхности между частицами приводят к постоянной усадке и уменьшению пор в спеченном изделии, тем самым увеличивая уплотнение. На стыках зерен остаются мелкие изолированные поры, а фактическая плотность спеченного изделия достигает более 90 % от теоретической.
Поздняя стадия спекания:Материал на границах зерен непрерывно диффундирует в поры, еще больше увеличивая плотность керамического материала. Равномерный рост зерен заставляет поры мигрировать вместе с границами зерен до тех пор, пока не будет получен очень плотный керамический материал. Во время роста зерен на поздней стадии спекания скорость миграции границ зерен может превышать скорость миграции пор, в результате чего поры отделяются от границ зерен и впоследствии попадают в ловушку внутри зерен.
Следует отметить, что при спекании усовершенствованной керамики поры в сырце постепенно уменьшаются, а компоненты присадок исчезают. По мере спекания прочность связи между частицами и общая механическая прочность усовершенствованного керамического материала улучшаются.
Классификация печей для спекания керамики
Для получения керамических материалов с отличными свойствами необходимо правильно подобрать тип и параметры печи для спекания, а также правильно эксплуатировать и обслуживать печь.
(1) Классификация по условиям давления (наиболее распространенная)
(Примечание: в исходном тексте под этим пунктом указана таблица, но ее содержимое не указано. Здесь переведен только заголовок.)
(2) Классификация по способу нагрева
① Печь с сопротивлением-нагревом:Чаще всего используется; нагревательные элементы включают MoSi₂, SiC, графит и т. д.; температура может достигать 1800–2200 градусов.
② Индукционная-печь с нагревом:Использует электромагнитный индукционный нагрев; быстрый нагрев, высокая эффективность; подходит для проводящих материалов или керамики, содержащей проводящую фазу.
③ Микроволновая печь для спекания:Использует объемный нагревательный эффект микроволн, генерируя тепло изнутри молекул материала для достижения быстрого и равномерного нагрева. В зависимости от формы применения СВЧ в эту категорию входят спекание СВЧ-нагревом, СВЧ-плазменное спекание и т. д.
④ Печь искрового плазменного спекания (ИСП):Использует импульсный-ток, проходящий через частицы порошка, для генерации разрядной плазмы, обеспечивая сверх-быстрое, низкотемпературное-спекание в мгновенном поле высокой-температуры и высокого-давления. Широко используется в исследованиях материалов и производстве новых сплавов, композиционных материалов и функционально классифицированных материалов.
(3) Классификация по способу производства
① Периодические печи (муфельные печи, коробчатые печи, колпаковые печи):Подходит для мелко-серийного, многосортного-производства; высокая гибкость.
② Печи непрерывного действия (роликовые печи, толкательные печи, туннельные печи):Подходит для крупномасштабного-промышленного производства; высокая эффективность и хорошая консистенция.
③ Печи специального-назначения (специальные печи LTCC, стоматологические керамические печи, керамические печи для 3D-печати):Печи LTCC, предназначенные для конкретных процессов, например, требуют точного удаления вяжущих веществ и контроля совместного-обжига.