Introducere în tehnicile de sinterizare ale ceramicii avansate

Materialele ceramice avansate, datorită compoziției lor structurale fine și a unei serii de proprietăți excelente, cum ar fi rezistența ridicată, duritatea ridicată, rezistența la temperatură ridicată, rezistența la coroziune și rezistența la uzură, sunt utilizate pe scară largă în diferite domenii, inclusiv aerospațial, electronică, mașini și biomedicală. Dezvoltarea tehnologiei de sinterizare ceramică influențează direct progresul materialelor ceramice avansate și este un pas esențial în fabricarea produselor ceramice.

După uscarea inițială, corpurile verzi trebuie să fie supuse sinterizării pentru a-și spori rezistența, stabilitatea termică și stabilitatea chimică. În timpul procesului de sinterizare, ceramica suferă o serie de modificări fizice și chimice, inclusiv contracția de volum, creșterea densității, rezistență și duritate îmbunătățite și transformări de fază în boabe, obținând proprietățile fizice și mecanice necesare. Diferite tehnici de sinterizare aplicate corpurilor ceramice verzi cu aceeași compoziție chimică pot avea ca rezultat diferențe semnificative de microstructură și performanță ale materialelor ceramice finale.

Pe baza obiectivului cercetării, sinterizarea poate fi clasificată în sinterizare în stare solidă și sinterizare în fază lichidă. În funcție de procesele specifice, metodele de sinterizare includ sinterizarea fără presiune, presarea la cald, presarea izostatică la cald, sinterizarea în atmosferă, sinterizarea cu microunde, sinterizarea cu plasmă cu scânteie și altele. Să introducem câteva tehnici de sinterizare frecvent utilizate:

1.Sinterizarea fără presiune

Cunoscut și sub denumirea de sinterizare atmosferică, acest proces se desfășoară fără o forță motrice externă. Principala forță motrice pentru sinterizare provine din modificările energiei libere de suprafață a pulberii ceramice, rezultând o reducere a suprafeței totale a pulberii și o scădere a energiei interfațale. Sinterizarea fără presiune este cel mai simplu și cel mai frecvent utilizat proces de sinterizare pentru materiale ceramice. Pentru compușii cu legături covalente puternice, cum ar fi nitrururile, carburile și borurile, produsele dense nu pot fi obținute numai prin sinterizare în stare solidă datorită coeficienților lor mici de autodifuziune. Pentru a obține densificarea, se adaugă adesea o cantitate mică de ajutoare de sinterizare pentru a scădea temperatura de sinterizare și pentru a reduce energia la granița procesului de difuzie în stare solidă, promovând densificarea.

Materialele sinterizate prin sinterizare fără presiune pot prezenta performanțe puțin mai scăzute în comparație cu cele sinterizate prin presare la cald, presare izostatică la cald și sinterizare în atmosferă. Cu toate acestea, procesul este simplu, nu necesită echipamente speciale, este rentabil și permite pregătirea de produse în formă complexă și producția de loturi.

2.Sinterizarea sub presiune a gazului

Sinterizarea sub presiune a gazului a fost dezvoltată simultan în Japonia și Statele Unite. Aceasta implică sinterizarea produselor ceramice în condiții de temperatură și presiune ridicată folosind azot presurizat sau alte atmosfere inerte. Sinterizarea sub presiune a gazului satisface nevoile de sinterizare a anumitor materiale ceramice speciale, cum ar fi prevenirea descompunerii. În etapele ulterioare ale perioadei de menținere, presiunea aplicată ajută la realizarea unui proces de presare izotrop similar cu presarea izostatică la cald, care îmbunătățește și mai mult proprietățile materialului.

3.Presare la cald

Presarea la cald (HP) este o metodă de sinterizare care implică presiune mecanică. În acest proces, pulberea ceramică este plasată într-o cavitate a matriței și încălzită la temperatura de sinterizare în timp ce este supusă la presiune. Presiunea externă completează forța motrice, permițând densificarea să apară într-un timp relativ scurt și rezultând o microstructură cu granule fine și uniforme. Această tehnică de sinterizare oferă proprietăți mecanice îmbunătățite, reduce timpul de sinterizare sau scade temperatura de sinterizare, care la rândul său scade cantitatea de ajutoare de sinterizare ceramică covalentă și în cele din urmă îmbunătățește performanța mecanică la temperatură înaltă a materialului.

4. Presare izostatică la cald

Tehnologia Hot Isostatic Pressing (HIP) a fost inițiată în 1955 de către Laboratorul Battelle Columbus din Statele Unite pentru dezvoltarea materialelor pentru reactoare nucleare. Introducerea primei mașini HIP de către Laboratorul Battelle Columbus în 1965 a marcat nașterea echipamentelor de presare izostatică la cald.

Presarea izostatică la cald este o tehnică de sinterizare care utilizează gaze inerte precum azotul sau argonul ca medii de transmitere a presiunii. Procesul implică plasarea produsului într-un recipient sigilat și supunerea acestuia la presiuni egale din toate direcțiile sub o combinație de temperaturi cuprinse între 900°C și 2000°C și presiuni de 100~200 MPa, realizând astfel un tratament de sinterizare presurizat simultan. Presarea izostatică la cald poate fi clasificată în două tipuri: (1) sinterizare după încapsulare sau pulbere ceramică încapsulată direct cu presare izostatică la temperatură înaltă ulterioară și (2) post-procesare prin presare izostatică la temperatură înaltă după modelarea și sinterizarea pulberii ceramice.

Această metodă de sinterizare are ca rezultat produse cu densitate mare, uniformitate excelentă și performanțe remarcabile. În plus, tehnica oferă avantaje cum ar fi cicluri scurte de producție, pași redusi de proces, consum redus de energie și pierderi minime de material.

5. Sinterizarea cu plasmă cu scânteie (SPS)

Spark Plasma Sintering (SPS) este o nouă tehnică de sinterizare rapidă dezvoltată în Japonia în ultimii ani. Utilizează curent electric pulsat pentru sinterizarea asistată de presiune. Curentul de impuls face ca materialul prelucrat să se autoîncălzească, iar energia plasmei de descărcare între particule realizează o sinterizare rapidă și densă. Se crede în general că mecanismul de sinterizare al SPS implică încălzirea Joule a presării la cald convenționale și deformarea plastică cauzată de presiune. În plus, tensiunea impulsului de curent continuu apare între particulele de pulbere, utilizând efectul de încălzire spontană al descărcării particulelor de pulbere, rezultând unele fenomene unice specifice procesului SPS.

În comparație cu tehnicile tradiționale de sinterizare, SPS oferă avantaje precum încălzirea rapidă, timpul scurt de încălzire și temperatura scăzută de sinterizare, permițând formarea de materiale cu granule ultrafine sau chiar la scară nanometrică și nu prezintă o anizotropie semnificativă.

6.Sinterizarea cu microunde

Sinterizarea cu microunde a materialelor ceramice a fost propusă pentru prima dată de Levinson și Tinga la mijlocul anilor 1960. Utilizează pierderea dielectrică a materialelor ceramice în câmpurile electromagnetice de microunde pentru a realiza sinterizarea și densificarea. În timpul sinterizării cu microunde, materialele absorb energia cu microunde, transformând-o în energie cinetică moleculară și potențială în material. Acest lucru are ca rezultat o încălzire uniformă, gradienți interni minimi de temperatură și viteze rapide de încălzire și sinterizare. Sinterizarea cu microunde poate realiza sinterizarea rapidă la temperatură joasă, îmbunătățind semnificativ proprietățile mecanice ale materialelor ceramice. În plus, nu necesită o sursă de căldură, ceea ce îl face extrem de eficient și economisește energie. Se mândrește cu eficiență ridicată a producției, cost unitar redus,

7.Sinteză cu autopropagare la temperatură înaltă

Sinteza cu autopropagare la temperatură înaltă (SHS) este o tehnică de pregătire a materialelor care a apărut la mijlocul secolului XX, propusă de fostul om de știință sovietic Merzhanov. Această metodă se bazează pe principiul reacțiilor chimice exoterme, utilizând energia externă pentru a induce reacții chimice localizate, rezultând în formarea unui front de reacție chimică (undă de ardere). Ulterior, reacția chimică continuă cu suportul căldurii degajate de ea însăși, iar pe măsură ce unda de ardere se propagă, arderea se răspândește în întregul sistem, sintetizând materialele dorite. Sinterizarea SHS se referă la utilizarea căldurii mari eliberate de reacțiile SHS, combinată cu presarea la cald sau presarea izostatică la cald, pentru a realiza sinteza și densificarea simultane,

Această metodă se caracterizează prin echipamente și procese simple, reacții rapide, puritate ridicată a produsului și consum redus de energie. Este potrivit pentru sintetizarea compușilor cu rapoarte chimice nestoichiometrice, produse intermediare și faze metastabile, printre altele. Din anii 1980, tehnologia de sinteză cu autopropagare la temperatură înaltă a suferit o dezvoltare rapidă și a fost aplicată cu succes în producția industrială. A fost integrat cu diverse alte tehnologii din domenii conexe, rezultând o serie de tehnici înrudite, cum ar fi sinteza pulberilor SHS, sinterizarea SHS, densificarea SHS, metalurgia SHS și multe altele. Sinteza cu autopropagare la temperatură înaltă poate fi utilizată nu numai în sinteza pulberilor ceramice și sinterizarea materialelor ceramice, ci și la prepararea tijelor de materiale cu punct de topire ridicat,

Viitorul tehnologiei de sinterizare se îndreaptă către precizie, controlabilitate și eficiență energetică. Noile tehnici de sinterizare au devenit un subiect fierbinte în cercetările actuale privind sinterizarea materialelor ceramice datorită potențialului lor de energie și beneficii de economisire a timpului.

XIAMEN MASCERA TECHNOLOGY CO., LTD. este un furnizor reputat și de încredere specializat în producția și vânzarea de piese ceramice tehnice. Oferim producție personalizată și prelucrare de înaltă precizie pentru o serie largă de materiale ceramice de înaltă performanță, inclusiv ceramică de alumină, ceramică din zirconiu, nitrură de siliciu, carbură de siliciu, nitrură de bor, nitrură de aluminiu și sticlă ceramică prelucrabilă. În prezent, piesele noastre ceramice se găsesc în multe industrii precum mecanică, chimică, medicală, semiconductoare, vehicule, electronice, metalurgie etc. Misiunea noastră este de a oferi piese ceramice de cea mai bună calitate pentru utilizatorii globali și este o mare plăcere să vedem piesele noastre ceramice funcționând eficient în aplicațiile specifice ale clienților. Putem coopera atât la prototip, cât și la producția de masă, bine ați venit să ne contactați dacă aveți cerințe.