4 Neue Technologien zum Sintern fortschrittlicher keramischer Materialien

Da die meisten Keramikpulver Ionenbindungen oder kovalente Bindungsverbindungen sind, erfordert das herkömmliche Sinterverfahren zur Herstellung dichter Keramikmaterialien eine hohe Sintertemperatur und eine lange Haltezeit, was unvermeidlich zu einer Vergröberung der Körner und Restporen führt.

Dadurch wiederum werden die Eigenschaften keramischer Werkstoffe beeinflusst. Um die Sintertemperatur zu senken, die Sinterzeit zu verkürzen und die Sinterdichte und Materialeigenschaften zu verbessern, haben Forscher aus verschiedenen Ländern sukzessive eine Vielzahl neuer Sintertechnologien entwickelt.

Spark-Plasma-Sintern (SPS)

Die SPS-Technologie leistete Pionierarbeit bei der Einführung von gepulstem Gleichstrom in den Sinterprozess, bei dem der Eindringkörper als Träger für den Stromfluss fungiert, während er Druck auf das Material ausübt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sintertechniken, die typischerweise Strahlungswärme von einem Heizelement verwenden, nutzt die SPS-Technologie den thermischen Effekt eines hohen Stroms durch eine Form oder eine leitfähige Probe, um das Material zu erhitzen.

Zum Isolieren von Proben wird üblicherweise gut leitfähiger Graphit als Formmaterial verwendet, und die Widerstandswärme der Form wird verwendet, um die Probe schnell zu erhitzen; Für leitfähige Proben kann eine isolierende Form verwendet werden, und der Strom wird direkt durch die Probe geleitet, um sie zu erhitzen. Die Heizrate kann 1000 Grad /min erreichen. Wenn die Probentemperatur den eingestellten Wert erreicht, kann das Sintern nach kurzer Haltezeit abgeschlossen werden.

Die SPS-Technologie hat herausragende Vorteile wie niedrige Sintertemperatur, kurze Haltezeit, schnelle Aufheizrate, einstellbarer Sinterdruck und Mehrfeldkopplung (Strom-Strom-Wärme).

BlinkenSintern(FS)

Figur 3a ist ein schematisches Diagramm einer typischen FS-Vorrichtung. Der zu sinternde Keramikrohling wird in eine "Knochenform" gebracht, und beide Enden werden in dem modifizierten Ofenkörper durch Platindrähte aufgehängt, und ein bestimmtes elektrisches Gleichstrom- oder Wechselstromfeld wird an das Material angelegt.

Mit zunehmender Feldstärke sinkt die zum Sintern erforderliche Ofentemperatur weiter ab. Wenn die Feldstärke 60 V/cm beträgt, verdichtet sich die Probe sofort, wenn die Ofentemperatur auf etwa 1025 Grad erhöht wird; Bei einer Erhöhung der Feldstärke auf 120 V/cm kann die Sinterofentemperatur sogar auf 850 Grad abgesenkt werden. Diese neue Sintertechnologie wird "Flash-Sintern" genannt, was eine neue Sintertechnologie ist, die eine niedrige Temperatur und ein extrem schnelles Sintern von Materialien unter Einwirkung einer bestimmten Temperatur und eines bestimmten elektrischen Felds realisiert.

Es gibt normalerweise die folgenden drei Phänomene, die FS begleiten:

① Thermisches Durchgehen im Material;

② Plötzlicher Widerstandsabfall des Materials selbst;

③ Starkes Blitzphänomen.

Die FS-Technologie umfasst hauptsächlich drei Prozessparameter, nämlich Ofentemperatur (Tf), Feldstärke (E) und Stromstärke (J).

Im Vergleich zum herkömmlichen Sintern hat FS hauptsächlich die folgenden Vorteile: Verkürzung der Sinterzeit und Verringerung der zum Sintern erforderlichen Ofentemperatur, Unterdrückung des Kornwachstums, Realisieren von Nichtgleichgewichtssintern, einfache Ausrüstung und niedrige Kosten.

Kaltsintern (CS)

Anders als beim herkömmlichen Hochtemperatur-Sinterverfahren verbessert das keramische CS-Verfahren die Umlagerung und Diffusion zwischen den Partikeln, indem dem Pulver ein vorübergehendes Lösungsmittel zugesetzt und ein hoher Druck (350-500 MPa) ausgeübt wird, sodass das Keramikpulver a niedrigere Temperatur. Das Sintern und Verdichten kann bei einer Temperatur (120 ~ 300 Grad) und einer kurzen Zeit erreicht werden, was die Möglichkeit des Niedertemperatursinterns zur Herstellung von Hochleistungs-Strukturkeramik und Funktionskeramik schafft.

Fig. 6a ist das Prozessflussdiagramm der CS-Technologie. Der grundlegende Prozess der Keramik-CS-Technologie besteht darin, dem Keramikpulver eine kleine Menge einer wässrigen Lösung zuzusetzen, um die Partikel zu benetzen, und das Oberflächenmaterial des Pulvers wird zersetzt und teilweise in der Lösung gelöst, wodurch Flüssigkeit an der Partikel-Partikel-Grenzfläche erzeugt wird . Gegenseitig. Geben Sie das benetzte Pulver in die Form, erhitzen Sie die Form und üben Sie gleichzeitig einen großen Druck aus. Nachdem der Druck aufrechterhalten und über einen Zeitraum gehalten wurde, kann ein dichtes Keramikmaterial hergestellt werden. Während dieses Prozesses entwickelt sich die Mikrostruktur des keramischen Materials. Wie in Abbildung 6b gezeigt.

Die Anwendung des CS-Verfahrens wird stark vom Materialsystem und den Systembedingungen beeinflusst. Wichtige Einflussfaktoren sind die Partikelgröße, die Zugabemenge der wässrigen Lösung, die Löslichkeit des Partikelmaterials, der Druck, die Temperatur, die Haltezeit und die anschließende Wärmebehandlungstemperatur.

Oszillierendes Drucksintern (OPS)

Verschiedene bestehende Drucksintertechnologien verwenden statischen konstanten Druck. Das Einbringen von statischem Druck in den Sinterprozess hilft, Poren zu beseitigen und die Dichte von Keramiken zu verbessern, aber es ist schwierig, spezielle Keramiken vollständig zu ionisieren und kovalent zu binden. Der Ausschluss von Poren im Material hat immer noch gewisse Einschränkungen für die gewünschte Herstellung von Materialien mit ultrahoher Festigkeit, hoher Zähigkeit, hoher Härte und hoher Zuverlässigkeit.

Die Hauptgründe für die Einschränkungen des statischen HP-Drucksinterns spiegeln sich in den folgenden 3 Aspekten wider:

① Vor Beginn des Sinterns und in der frühen Phase des Sinterns kann der konstante Druck das Pulver in der Form nicht dazu bringen, die Partikelumlagerung vollständig zu realisieren und eine hohe Packungsdichte zu erreichen;

② In der mittleren und späteren Phase des Sinterns sind das plastische Fließen und die Beseitigung von Agglomeraten noch begrenzt, und es ist schwierig, eine vollständig gleichmäßige Verdichtung des Materials zu erreichen;

③ In der späteren Phase des Sinterns ist es schwierig, Restporen mit konstantem Druck vollständig zu beseitigen.

Die Verdichtung von Materialien während OPS beruht hauptsächlich auf den folgenden zwei Mechanismen:

Einer ist der traditionelle Mechanismus der Korngrenzendiffusion, Gitterdiffusion und Verdampfungs-Kondensation unter Einwirkung von Oberflächenenergie;

Der zweite ist der neue Mechanismus, der durch den oszillierenden Druck ausgestattet ist, einschließlich Partikelumlagerung, Korngrenzengleiten, plastischer Verformung, durch Verformung verursachter Kornbewegung und Porenentladung.

Daher kann die Verwendung der OPS-Technologie die Pulververdichtung vollständig beschleunigen, die Sintertemperatur verringern, die Haltezeit verkürzen, das Kornwachstum hemmen usw., um Hartmetallmaterialien und keramische Materialien mit ultrahoher Festigkeit und hoher Zuverlässigkeit herzustellen, um extreme Anforderungen zu erfüllen . Höhere Anforderungen an Materialeigenschaften im Anwendungsumfeld.

Diese neue OPS-Technologie bietet einzigartige Vorteile für die Herstellung von Materialien mit nahezu theoretischer Dichte (größer als 99,9 Prozent der theoretischen Dichte), geringen Defekten und ultrafeinkörniger Mikrostruktur. Bruchfestigkeit und Zuverlässigkeit bieten einen neuen Ansatz.