陶瓷烧结装置和陶瓷烧结方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料制备
技术领域
，特别涉及一种陶瓷烧结装置和陶瓷烧结方法。背景技术
陶瓷材料在电子、化工、航天以及医疗等领域有着广泛的应用。长时间的高温烧结不仅耗时耗能，还会产生陶瓷晶粒显著生长的问题，即使是纳米尺寸的粉体，烧结后其晶粒尺寸也会增长到微米大小。此外高温烧结后陶瓷的温度很高，目前还没有得到有效利用。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能够解决上述技术问题的陶瓷烧结装置和陶瓷烧结方法。
本申请第一方面提供一种陶瓷烧结装置，包括：
密闭容器，用于盛放陶瓷生坯；
电源装置，用于与所述陶瓷生坯电性连接以向所述陶瓷生坯施加电压进行烧结得到陶瓷；
滴液装置，与所述密闭容器相连接并用于向所述陶瓷生坯滴加液体。
本申请实施方式提供的陶瓷烧结装置，利用电源装置对陶瓷生坯进行施加电压，使得陶瓷生坯在电压和电流的作用下经闪烧烧结形成具有一定致密度的陶瓷，避免了传统需要长时间高温烧结的弊端。在使用该陶瓷烧结装置时，烧结中的陶瓷生坯具有较高的温度，烧结过程中利用滴液装置在具有较高温度的陶瓷生坯上滴加液体，利用烧结中陶瓷生坯表面的高温作为高温反应平台，液体与高温的陶瓷生坯在强电场的条件下发生固液反应，从而使得烧结成型后的陶瓷表面性能得到了调整，改变了陶瓷的表面性能，且通过滴加不同的液体来调控烧结成型的陶瓷中掺杂不同的离子，同时有效地利用了烧结中陶瓷生坯表面的高温作为高温反应平台。利用本申请提供的陶瓷烧结装置能够同时实现陶瓷烧结和调整表面性能的效果，且流程与操作较为简单，具有良好的应用前景。
根据本申请的一些实施例，滴液装置用于向烧结过程中的陶瓷生坯滴加液体。控制滴液装置在陶瓷生坯烧结形成陶瓷的过程中滴加液体，利于陶瓷进行表面改性。
根据本申请的一些实施例，所述电源装置为高压交流电源，能够根据需求提供不同大小的电流。
根据本申请的一些实施例，所述电源装置包括电压测量装置和/或电流测量装置。本申请的电源装置可以仅使用电压测量装置，仅使用电流测量装置，或者同时使用电压测量装置和电流测量装置。电压测量装置可以例举的有电压表，电流测量装置可以例举的有电流表，利用电压测量装置和电流测量装置可以测量和控制施加在陶瓷生坯上的电压和电流。
根据本申请的一些实施例，所述滴液装置包括液滴流量控制装置和液滴生成装置，所述液滴流量控制装置用于控制注入所述液滴生成装置的液体流量。在一些实施方式中，所述液滴流量控制装置为台式注射泵，由注射泵、控制器、电源适配器组成。注射泵主体由透明亚克力支架和工业铝型材构成，可夹持直径合适的注射器，使用控制器操控步进电机进行高速或者定速运动，从而控制注射器的液滴流量。
根据本申请的一些实施例，所述液滴生成装置为注射器。
根据本申请的一些实施例，还包括与所述密闭容器连接的输气装置，所述输气装置用于向所述密闭容器输入气体，所述密闭容器开设有出气口，所述气体通过所述出气口排出。
根据本申请的一些实施例，所述气体为氧气、惰性气体或还原气体。在密封容器的环境中，可以根据需要提供惰性气氛、还原性气氛等，且能通过出气口实现废气排出。当制备氧化物陶瓷时，可以选择通入氧气可以提供氧气气氛，当制备碳化物陶瓷时，可以选择通入还原气氛或惰性气氛，防止材料被氧化。
本申请第二方面还提供一种陶瓷烧结方法，包括以下步骤：
提供陶瓷生坯，并将所述陶瓷生坯与电源装置接通，对所述陶瓷生坯施加电压，逐渐升高所述电压至目标电压；
保持流经所述陶瓷生坯的电流密度恒定，向所述陶瓷生坯滴加液体，烧结得到陶瓷。
本申请提供的陶瓷烧结方法，利用电源装置对对陶瓷生坯进行施加电压，不断升高电压使得陶瓷生坯发生沿面放电或内部放电，在保持流经陶瓷生坯的电流密度恒定时滴加液体，滴加的液体用于控制陶瓷烧结成型后的表面性能，最终使得陶瓷生坯在烧结形成具有较高致密度陶瓷的过程中实现表面改性。利用本申请提供的陶瓷烧结方法能够在较低炉温下实现陶瓷快速致密化，能够显著降低陶瓷烧结温度、提高烧结效率而且可以实现精确控制材料的结构和性能。陶瓷在烧结过程中迅速升温，本申请利用其作为良好的高温反应平台，在陶瓷生坯上滴加液体，利用液体和高温的陶瓷固体在强电场的条件下发生固液反应，以此来调控陶瓷表面性能，通过控制滴加的液体来实现不同离子的掺杂，操作简单，利用本申请提供的陶瓷烧结方法能够实现陶瓷烧结成型和陶瓷表面性能调整，具有良好的应用前景。
根据本申请的一些实施例，保持流经所述陶瓷生坯的电流密度为10～150mA/mm2。控制流经陶瓷生坯的电流密度为10～150mA/mm2，过低的电流密度无法保证陶瓷生坯的快速致密，过高的电流可能使得陶瓷急剧收缩、导致局部过热而断裂。在流经陶瓷生坯的电流密度为10～150mA/mm2时滴加液体，利于形成表面改性且高质量的陶瓷。
根据本申请的一些实施例，所述陶瓷生坯与电源装置接通的方式为：在所述陶瓷生坯上设置第一电极和第二电极，将所述第一电极和第二电极与所述电源装置接通。
根据本申请的一些实施例，所述第一电极和所述第二电极的材质各自独立地选自金、导电银浆中的一种。可以采用喷金或者涂抹导电银浆的方式在陶瓷生坯上形成电极，从而使得陶瓷生坯后续能够与电源装置进行电性连接。
根据本申请的一些实施例，升高电压的速率为0.1～5kV/s。当升压速率小于0.1kV/s时，烧结过程过慢，不利于闪烧的发生，当升压速率高于5kV/s时，过快的升压可能使得陶瓷生坯的两端直接击穿起弧，从而会将与陶瓷生坯两端连接的导线熔断。
根据本申请的一些实施例，所述目标电压为1～20kV。
根据本申请的一些实施例，所述陶瓷生坯的形状为圆柱体、长方体、狗骨头形状中的至少一种。
根据本申请的一些实施例，所述陶瓷的致密度大于等于90％。通过控制电源装置施加的电压和流经陶瓷生坯的电流，从而实现烧结成型后的陶瓷的致密度大于等于90％。
根据本申请的一些实施例，所述液体选自酸溶液、碱溶液、盐溶液中的一种。通过滴加含有不同离子的液滴，能够使得烧结成型的陶瓷中掺杂不同的离子，从而改变陶瓷的表面性能，制备出新颖功能特性的陶瓷。
附图说明
图1为本申请一实施方式提供的陶瓷烧结装置的结构示意图；
图2为本申请一实施例中滴加硫酸铜溶液后致密化陶瓷表面的SEM图；
图3为图2区域1对应的X射线能谱图；
图4为本申请一实施例中施加电压前后与闪烧前后的陶瓷样品表面温度分布图。
主要元件符号说明
陶瓷烧结装置 100
密闭容器 110
出气口 111
输气装置 120
滴液装置 130
液滴流量控制装置 131
液滴生成装置 132
电源装置 140
电压测量装置 141
电流测量装置 142
陶瓷生坯 150
如下
具体实施方式
将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，本申请一实施方式提供的陶瓷烧结装置100，包括密闭容器110、与密闭容器110连接的滴液装置130和电源装置140。密闭容器110用于盛放陶瓷生坯150。滴液装置130与密闭容器110相连接，用于向置于密闭容器110中的陶瓷生坯150进行滴加液体，以实现烧结后陶瓷的表面性能调制。电源装置140用于与陶瓷生坯150进行电性连接，以向对陶瓷生坯150施加电压和电流。使用时，将电源装置140与陶瓷生坯150电性连接并接通电源，逐渐升高施加在陶瓷生坯150上的电压，直至陶瓷生坯发生沿面放电或内部放电，并控制流经陶瓷生坯150的电流密度，利用闪烧法场致烧结以形成具有一定致密度的陶瓷，在场致烧结过程中利用滴液装置130滴加液体，以调控陶瓷烧结成型后的表面性能。
在一些实施方式中，电源装置140包括电压测量装置141和电流测量装置142，电压测量装置141用于测量和控制施加在陶瓷生坯150上的电压，电流测量装置142用于测量流经陶瓷生坯150的电流，通过控制施加的电压和控制通过陶瓷生坯150的电流值，使得陶瓷生坯150经闪烧形成陶瓷，实现陶瓷快速致密化，制得陶瓷的致密度可达90％及以上。
在一些实施方式中，滴液装置130包括液滴流量控制装置131和液滴生成装置132，液滴生成装置132可以例举的有注射器，液滴流量控制装置131可以例举的有台式注射泵，用来控制注入液滴生成装置132的液体流量，进而控制液滴生成装置132滴加液滴的流速，在一些实施方式中滴加的流速为3～8μL/s。
在一些实施方式中，陶瓷烧结装置100还包括与密闭容器110连接的输气装置120，密闭容器110上开设有出气口111，输气装置120与密闭容器110连接并用于向密闭容器110中输入气体，输入的气体为置于密闭容器110中的陶瓷生坯150后续进行烧结和表面性能调制提供了气体氛围，并能够通过出气口111实现废气排出。
在一些实施方式中，输气装置120输入的气体为氧气、惰性气体或还原气体，用于为密闭容器110提供气体氛围。根据烧结的陶瓷类型适应性选择输入的气体，如制备氧化物陶瓷时，可以选择输入氧气，以提供氧化气氛，制备碳化物陶瓷时，可以选择输入惰性气体或还原性气体，以防止陶瓷氧化。
在一些实施方式中，输气装置120上连接有流量计，用于控制输出气体的流量。
在一些实施方式中，陶瓷烧结装置100中滴液装置130包括液滴流量控制装置131和液滴生成装置132，液滴生成装置132为注射器，利用陶瓷烧结装置100进行烧结制备陶瓷的过程如下：
(1)制备陶瓷生坯150：将陶瓷粉体放入模具中压制成型形成陶瓷生坯，然后再放入加热炉中，以2℃/min的升温速率升温至400℃，并保温2h使得陶瓷生坯内的有机胶分解排出，采用喷金或者涂抹导电银浆的方法在陶瓷生坯的两端分别形成第一电极和第二电极。
(2)将陶瓷生坯150放入密闭容器110中，在陶瓷生坯150两端的第一电极和第二电极缠绕导线，通过导线将陶瓷生坯150与电源装置140电性连接，将导线固定在固定支架上以使得陶瓷生坯150悬空，此处实施例中陶瓷生坯150以狗骨头形状的氧化锌陶瓷生坯为例进行说明，电源装置140为高压交流电源；
(3)利用输气装置120向密闭容器110中输入气体，并从出气口111排出，使得密闭容器110中的陶瓷生坯150处于气体氛围中；
(4)接通电源装置140，之后以400V/s的速率升高电压，直至陶瓷生坯150两端的电压突然下降、通过的电流突然上升，陶瓷生坯发生沿面放电或内部放电；
(5)通过调节电压，控制流经陶瓷生坯150的电流为10～150mA/mm2利用液滴流量控制装置131控制注入液滴生成装置132中的液体流量，通过注射器向陶瓷生坯150以5μL/s的流速滴加50μL的物质的量浓度为1mol/L硫酸铜溶液，保持电压、电流不变，1分钟后断开电源装置140，完成烧结。
上述烧结的过程以滴加1mol/L硫酸铜溶液为例进行说明，可以理解的是，通过替换滴加的液体可以实现烧结成型的陶瓷中掺杂不同的离子，液体可以为酸溶液、碱溶液、盐溶液中的一种。
在一些实施方式中，上述烧结的过程中电压的升高速率为0.1～5kV/s，调节电压的升高速率，并控制通过陶瓷生坯150的电流密度，能够闪烧形成具有不同致密度的陶瓷，在保持流经陶瓷生坯150的电流密度恒定的条件下滴加液体，能够在烧结形成具有较高致密度陶瓷的过程中实现表面改性。此处以滴加硫酸铜溶液进行表面改性为例，利用扫描电镜与X射线能谱分析(EDS)对表面改性后的陶瓷进行表征，图2示出了滴加硫酸铜溶液进行表面改性后陶瓷表面的SEM图，图3示出了图2中框线1区域的EDS谱线实时收集的结果，纵坐标是X射线光子的计数率CPS，横坐标是元素的能量值(KeV)。表1为图3中X射线能谱的元素分析。从图2-3和表1可知，在烧结后形成的致密化陶瓷表面检测到了铜离子的存在，表明滴加硫酸铜溶液实现了对陶瓷表面的改性。
表1图3中X射线能谱的元素分析
本申请提供的陶瓷烧结方法，通过对陶瓷生坯施加电压进行烧结，初始烧结阶段通过不断升高电压至目标电压使得陶瓷生坯发生沿面放电或内部放电，发生闪烧，后维持流经陶瓷生坯的电流密度，进入闪烧烧结，施加电压前后与闪烧前后的陶瓷样品表面温度分布如图4所示，在未加电压时(图4中(a))，样品表面的温度接近室温，加电压2s时(图4中(b))，样品中间的局部温度也在不断升高，并且升温的区域向四周扩散。这种分布不均匀，主要是由于局部放电点的分布随机且不均匀导致的。最先开始发热区域就标志了局部放电最强烈的地方。闪烧发生瞬间(图4中(c))高温区域分布呈溅射状，这是由于电击穿瞬间产生了大量的热，释放大量的能量。闪烧过程中(图4中(d))，样品表面温度趋于稳定，整体温度分布在970～1100℃之间。若在施加电压前进行滴液，则主要通过增加陶瓷生坯的含水量来促进闪烧的发生。相较于在施加电压前进行滴液的方式，本申请采用在闪烧过程中进行滴液，滴加液体中的水在1100℃高温的陶瓷表面迅速蒸发，而酸、碱、盐溶液中的离子则留在高温陶瓷表面并且在强电场下与高温的陶瓷发生固液反应，进而能够实现表面改性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明任何形式上的限制，虽然本发明已是较佳实施方式揭露如上，并非用于限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
