真空技术：打造完美先进陶瓷的“窍门”

中国粉体网讯  在新材料时代，陶瓷与无机材料领域，先进陶瓷是当下最为重要的支柱产业之一。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，基本上保持7%~10%的年增长率。

先进陶瓷之所以具备如此优异的特性，是因为与传统陶瓷相比，其采用了纯度更高、粒度更细小的原料以及更复杂的制备工艺。随着应用领域的持续拓展，对先进陶瓷性能的要求也在不断提升。为此，研究者们在传统制备工艺的基础上，不断开发出新的技术，专门用于提升特种陶瓷的性能，以推动其进一步发展。在这些新技术中，成型与烧结技术因引入了真空技术而实现了显著的提升和飞跃。

真空技术在陶瓷成型中的应用

良好的成型技术是获得高质量陶瓷产品的关键。坯体成型方法主要分为干法成型、塑法成型和湿法成型三类。其中，湿法成型是目前常用的成型方法，适合制备形状复杂和成分均匀的陶瓷制品，其制备过程是将粉料制备成具有一定流动性的浆料，然后充填模型，经干燥后成型，包括注浆成型、流延成型、离心成型和凝胶注模成型等。

浆料的质量是决定成型过程的关键，要求浆料应具备良好的流动性和稳定性，还需要降低浆料的气泡含量。由于浆料制备常采用水作为溶剂，而水溶剂表面张力大，对粉料的润湿性较差，因此在浆料配置过程中容易产生大量气泡，从而严重影响成型的坯体质量。为此，研究者们在制备中引入了真空技术。

陶瓷浆料，来源：浙江中科立德新材料有限公司

注浆成型方法中引入真空技术的方式主要有两种：一种是在石膏模外面抽真空，增大模内外压差；另一种是在真空室中，处于负压下注浆。这两种方式都可以有效减少浆料中的气泡。

流延成型法常被用于制备片状陶瓷材料，具有可连续成型、操作简单、工艺稳定、基片缺陷少等优点。其制备过程是首先将粉体原料与粘结剂、增塑剂和分散剂溶于水基或有机溶剂中，混合后得到均匀稳定的悬浮浆料；再将浆料放入流延机的料斗中使其下流至传送带，并在传送带上被刮刀刮压涂敷，经干燥、固化后便得到薄膜生坯。为减少气泡的影响，在倒入流延机前对浆料进行搅拌与真空脱气处理，可以有效提高坯体致密度，改善坯体质量。

潮州三环流延成型生产线

凝胶注模成型是由美国橡树岭国家实验室在20世纪90年代初开发的一种新型陶瓷成型工艺。其核心是使用有机单体溶液，该溶液能聚合成为高强度的、横向连接的聚合物-溶剂的凝胶。该方法制得的坯体均匀性好、强度较高，而且烧结时收缩率小，适用于精准尺寸陶瓷的成型。但该方法在制备浆料过程中需要长时间的机械搅拌，由于存在大量有机添加剂，高速搅拌会使浆料中混入大量气泡，而在浆料固含量较高时，这些气泡通常难以依靠自身浮力脱出液体表面，气泡的存在势必会在交联过程中形成缺陷，影响坯体质量。

对此，研究者们选择引入真空技术以排出浆料中的气泡。Yao等在凝胶注模成型方法中引入了“真空消泡+引发剂”技术，该方法可以有效改善凝胶体的均匀性，降低成型件的缺陷含量，所制备的YAG透明陶瓷具有良好的光学性能，在1064nm的直线透过率高达82.8%，极大地促进了凝胶注模工艺在YAG透明陶瓷制备中的应用。

真空技术在陶瓷烧结中的应用

烧结是先进陶瓷制备过程中最关键的环节，其本质是坯体排除气孔完成致密化的过程。而烧结过程对于晶粒尺寸与气孔含量有着直接影响，决定着先进陶瓷样品的最终性能。先进陶瓷制备技术发展至少，烧结方法有很多，按照压力、烧结气氛等要素的不同可以分为真空烧结、热压烧结、放电等离子体烧结等。在这些烧结方法中，真空技术都发挥着重要作用。

1.真空烧结

烧结过程中，气氛的影响是复杂且重要的。烧结气氛一般分为氧化、还原和中性3种。一般而言还原气氛促进阴离子从晶体表面脱离，增加扩散系数，利于烧结；而氧化气氛则利于阳离子扩散。由于氧化物烧结多受O^2-扩散控制，所以还原气氛（尤其是真空）更合适。真空还促进坯体内部气体排出，加速致密化，从而在真空气氛下加热可得致密陶瓷。

真空烧结炉，来源：上海皓越电炉技术有限公司

真空烧结技术的出现为多种光功能陶瓷的发展奠定了技术基础。1995年，Ikesue 等将细化处理过的Y₂O₃与高纯Al₂O₃和Nd₂O₃粉末混合，添加球磨助剂、分散剂等，采用球磨方法混合均匀，等静压成型后经过1700～1800℃真空烧结得到相对密度为99.98％的高透明YAG:Nd陶瓷，其平均晶粒尺寸为50µm，并且首次实现了激光输出。

2.真空热压烧结

热压烧结是对较难烧结的粉体在模具内施加压力，同时升温烧结的工艺。模具要求能导电且耐压强，目前选用石墨作模具材料最为广泛。石墨在高温下容易发生氧化，而恰好在密闭的真空条件下能够很好地延长石墨的使用寿命。同时，真空条件又能够促进阴离子扩散。因此，目前真空热压烧结已成为重要的烧结手段。

光功能陶瓷可以应用真空热压法制备，外加压力的辅助能够有效促进致密化，缩短烧结时间，减少能耗。此外，针对其他常压下难以烧结致密的陶瓷，采用真空热压技术也得到了较好的性能，例如应用较广泛的ZnO和MgO陶瓷。

3.放电等离子体烧结（SPS）

放电等离子体烧结技术是在热压烧结技术基础上进行改进，引入了等离子体的活化作用，提高了加热效率。SPS技术采用的依然是与热压烧结相近的石墨模具，因此真空气氛仍是影响烧结过程的重要条件。在真空条件下进行烧结，一方面可以保护材料本身免受氧化，另一方面可以避免因石墨氧化导致的电阻变化，防止影响脉冲电流的传输和致密化过程。

放电等离子体烧结炉示意图

SPS可以高效率地制备难烧结的陶瓷材料，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，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。

小结

随着先进陶瓷在生产和生活中的应用日益广泛，其性能需求日益提高，这对于陶瓷的制备技术也提出了更高的要求，真空技术的引入为先进陶瓷的制备带来了多角度和多层面的提升。在湿法成型工艺中，采用真空除泡技术能够提升浆料的均匀程度，并有效减少成型部件中的缺陷，这一技术现已成为生产高质量陶瓷不可或缺的一环。至于烧结环节，真空气氛则为陶瓷的致密化过程提供了关键的烧结动力。

来源：

刘诗梦等：真空技术在先进陶瓷制备中的应用

CERADIR：一文认识下先进陶瓷各类烧结炉的工作原理和性能特点

JAD电介质学术交流：先进陶瓷新型快速烧结技术总结

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（中国粉体网编辑整理/空青）

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