Avancerad keramik, även känd som specialkeramik, hänvisar till keramiska material framställda på basis av traditionell keramik med hjälp av avancerad kemisk och fysikalisk teknik, med utmärkta egenskaper inom mekanik, termiska, optiska, akustiska och elektriska fält. Jämfört med metaller och polymermaterial har avancerade keramiska material ojämförliga strukturella egenskaper som hög hårdhet, hög modul, hög-temperaturbeständighet och korrosionsbeständighet, såväl som utmärkta funktionella egenskaper som elektrisk isolering, ljusgenomsläpplighet och vågtransparens. Därför används de alltmer inom flyg-, informationsteknologi, nationellt försvar och militär industri, biomedicin och nya energiområden.
Beredningsprocessen för avancerad keramik inkluderar huvudsakligen pulverberedning, grönkroppsformning och sintring. Bland dessa är formning och sintring de direkta faktorerna som bestämmer egenskaperna hos keramiska produkter. Formning avser att göra pulver till en grön kropp med specificerade dimensioner och form och viss mekanisk styrka. Sintring avser den process där den gröna kroppen, vid en hög temperatur under sin smältpunkt, eliminerar porer, förtätar och bildar en sintrad kropp med viss styrka.
01 Pulverberedning
Framställningsmetoderna för avancerade keramiska pulver kan huvudsakligen sammanfattas i tre kategorier: metoder i fast-fas, metoder i flytande-fas och metoder i gas-.
Fastfasmetoden använder fasta ämnen som utgångsråmaterial för att framställa ultrafina keramiska pulver. Exempel inkluderar hög-temperaturreaktion i fast-tillstånd, karbotermisk reduktion, fast-gasreaktion, termisk saltnedbrytning och själv-förbränningssyntes vid hög-temperatur. Den kännetecknas av att den är lämplig för massproduktion och relativt låg kostnad, men ibland förekommer föroreningar.
Vätskefasmetoden kännetecknas av enkel kontroll av kemisk sammansättning, enhetlig blandning i jonisk eller molekylär skala och förmågan att framställa keramiska pulver i nano- och submikron-skala med hög renhet och god sintringsaktivitet. Det är särskilt lämpligt för att syntetisera enkel-oxid eller komposit-oxidpulver för strukturell keramik och funktionell keramik, och används därför flitigt. Vanliga metoder i flytande-fas inkluderar kemisk utfällning, hydrotermiska metoder och sol-gelmetoder.
Gas-fasmetoden syntetiserar det önskade keramiska pulvret genom kemiska reaktioner av reaktantgaser i en lokalt hög-temperaturmiljö. Det inkluderar kemisk ångavsättning, plasmagas-fassyntes och annat. Pulver som syntetiseras med gas-fasmetoder har en stor specifik yta och adsorberar lätt fukt eller agglomererat, vilket gör dem olämpliga för sintring av strukturkeramer med hög-densitet och elektroniska keramiska material. Dessutom är råvarorna och reaktionssyntesutrustningen som används i gas-fasmetoder dyra och har mycket liten produktionskapacitet, vilket resulterar i höga kostnader för pulverberedning.
02 Formningsprocesser
Beroende på kroppens flöde och reologiska egenskaper kan formningsmetoder delas in i tre kategorier: torrkroppspressformning, plastkroppsformning och slurryformning.
Pressformning, även kallad formpressning, innebär att tillsätta en liten mängd bindemedel till pulvret (fukthalten kontrolleras till 4%–7%, eller till och med så låg som 1%–4%) för granulering, sedan placera det granulerade pulvret i en form och pressa det under en press för att bilda en grön kropp av en viss form. Pressformning är uppdelad i torrpressning och isostatisk pressning.
Plastformning använder en plastkropp som utgångsmaterial och använder tryck som genereras av formrörelse för att plastiskt deformera kroppen till en grön kropp. Plastmaterial består huvudsakligen av keramiskt pulver, bindemedel, mjukgörare och lösningsmedel, och deras råmaterialberedning är krävande. Plastkroppen innehåller en relativt stor mängd formningsmedel, men i allmänhet inte mer än 30 %. Plastformningsmetoder inkluderar extrudering, tejpkalandrering, formsprutning och andra.
Slurryformning använder en flytbar keramisk suspension som råmaterial. Förutom pulverpartiklar innehåller slammet även vatten och dispergeringsmedel. Formning av slurry inkluderar huvudsakligen slipgjutning, gelgjutning, tejpgjutning och andra.
Både plastformning och slurryformning hör till våtformningsprocesser. Jämfört med torrformning kan våta processer lättare kontrollera pulveragglomerering och minska föroreningshalten, och därigenom producera keramiska produkter med komplexa former.
När tillämpningsområdena för avancerad keramik fortsätter att expandera har nya teknologier som centrifugaldeponering, elektroforetisk deposition, direkt koaguleringsgjutning och solid friformstillverkning dykt upp en efter en.
03 Sintringsprocesser
Keramiska gröna kroppar måste sintras för att få en tät mikrostruktur. I huvudsak är sintring en process av ömsesidig diffusion mellan olika pulverkomponenter. Genom att stärka bindningen mellan partiklar ger det keramiska material en enhetlig mikrostruktur, stabil form och relativt hög mekanisk hållfasthet. Vanliga sintringsprocesser inkluderar trycklös sintring, varmisostatisk presssintring, gnistplasmasintring och andra.
Trycklös sintring är sintring av material under atmosfärstryck utan att anbringa tryck. Denna metod utförs vanligtvis under syre eller en speciell gasatmosfär. Under trycklös sintring utsätts den formade gröna kroppen inte för yttre tryck; aggregatet av pulverpartiklar värms helt enkelt upp under atmosfärstryck och omvandlas till en bunden kornkropp.
Gastrycksintring avser att applicera ett visst gastryck under hög-temperatursintring av keramer, i intervallet 1–10 MPa (dvs. 10–100 atm), för att undertrycka nedbrytning och viktförlust av keramiska material vid höga temperaturer. Detta kan öka sintringstemperaturen, främja förtätning ytterligare och ge keramiska produkter med hög-densitet.
Varm-presssintring är en förtätningsprocess som kombinerar mekaniskt tryck och hög temperatur. Genom att samtidigt applicera axiellt tryck och värma i en form, ökar det sintringsdrivkraften avsevärt. Denna process har tre kärnfördelar: att uppnå snabb förtätning, förkorta sintringscykeln och avsevärt förbättra materialens mekaniska egenskaper. Det är särskilt lämpligt för att förbereda-högpresterande keramik.
Varm isostatisk presssintring använder en inert gas som medium och uppnår keramisk förtätning under hög temperatur och konstant högt tryck. För vissa keramiska material med låga själv-diffusionskoefficienter som är svåra att förtäta med konventionell sintring, kan varm isostatisk presssintring användas för att öka drivkraften för diffusion. Varm isostatisk presssintring uppfyller det höga-tryck och höga-temperatur som krävs för sintring av transparent keramik och har unika fördelar vid sintring av transparenta keramiska gröna kroppar.
Gnistplasmasintring (SPS) använder direkt Joule-uppvärmning som genereras av en pulsad likström, assisterad av mekaniskt tryck. På grund av dess sintringsegenskaper kan den användas för att snabbt förbereda ultra-hög-temperaturkeramik. För keramik med ultra-hög-temperatur som Ta2AlC, TaC och ZrB2-SiC kan SPS-processen uppnå korta sintringstider, uppenbara finkorniga stärkande effekter, avsevärt förbättrade mekaniska egenskaper och förbättrad oxidationsbeständighet.
Den kalla sintringsprocessen, under högt tryck, tillsätter ett övergående lösningsmedel till pulvret för att främja partikelomlagring och diffusion, och därigenom främja förtätning av keramiskt pulver vid en relativt låg temperatur och på relativt kort tid. Denna process skapar möjligheten till låg-temperatursintring för att förbereda hög-strukturell och funktionell keramik. För närvarande har denna process framgångsrikt tillämpats på framställning och sintring av olika material, inklusive typiska oxidkeramik, keramiska/keramiska kompositer, mikrovågsdielektrisk keramik, ferroelektrisk och piezoelektrisk keramik, fasta elektrolyter, termoelektriska material och keramiska/2D nanomaterialkompositer.
Oscillerande trycksintringsteknik är baserad på varm-presssintring och ändrar konstant tryck till dynamiskt tryck. Genom partikelomläggning orsakad av kontinuerligt oscillerande tryck ökar det packningsdensiteten hos pulvret före sintring. Samtidigt ger oscillerande tryck en större sintringsdrivkraft för pulversintring, vilket hjälper till att främja kornrotation och glidning och plastflöde inuti den sintrade kroppen, och därigenom påskynda förtätningen av den gröna kroppen. Denna process har använts vid framställningen av olika strukturella keramer, och högpresterande keramiska material som ZrO2, Al2O3 och Si3N4 har framgångsrikt utvecklats.