添加剂促进陶瓷致密化的机理

    烧结是使陶瓷坯体致密化，并使之成为具有某种显微结构的一个关键步骤。当然烧结以前的各工序对最后的结构同样有着重要的影响，但是为了获得更为满意的显微结构，以便提高某种性能，了解烧结致密化问题是有益的。

    以烧结对显微结构的影响来说，主要因素有：(1)粉末颗粒尺寸和活性；(2)添加剂；(3)温度；(4)保温时间；(5)压力；(6)气氛。

    为了得到需要的显微结构和性能的材料，人们力图调整和控制这些参数，若控制得当，可以得到接近完全致密的材料。正如前面已经指出的，气孔作为陶瓷显微结构的重要组成部分，如完全排除它，对材料的许多性能是大有好处的。完全排除气孔，意味着某些过程得到了加速。气孔得到更快地充填，烧结得以加速进行。另一方面，气孔几乎被完全排除，表明在烧结时，气孔没有被包进晶粒内部，这就意味着Vb -直没有明显地超过Vp，大多数气孔始终处于晶界上，从而可以得到有效地排除。

    为了使一些陶瓷材料烧结到高度致密化，总需要选用一种或几种添加剂来促进烧结和致密化。但是要了解清楚添加剂对不同泵统的烧结机理，了解气孔为什么会被更好地排除，往往需要进行大量的工作，才能逐步搞清楚。对添加剂的选择多少带有一定的经验性，其主要原因：(1)可以同时存在的致密化机理太多，不容易知道哪种在起主导作用。就以简单的A12 03而论，在致密化过程中，两种离子都需要迁移，每种离子至少有两种途径，所以有四种可能的迁移途径，每种都可能起控制作用。如选用添加剂来促进烧结，只有能够促进那个控制过程的添加剂，才能有效。如图1-3-19。(2)在改变时，控制机理也可能发生改变。(3)添加剂虽然是促进烧结致密化的一种有效办法．但 添加剂的作用并不容易确定，因为添加剂对烧结所起的作用，有以下几个方面：

    1）改变点缺陷浓度，从而改变某种离子的扩散系数；

    2）在晶界附近富集，影响晶界的迁移速率，从而减少晶粒长大的干扰作用；

    3）提高表面能与界面能的比值，直接提高致密化的动力；

    4）在晶界形成连续第二相，为原子扩散提供快速途径；

    5）第二相在晶界的钉扎作用，阻碍晶界迁移。

    盖戈要搞清楚一种添加剂所起的作用，常常要做大量反复的工作，现代测试方法对此是必7i夕约。 --51年R.L．Coble采用添加Mg0的办法，把A12 03陶瓷烧结到接近理论密度，即很少写三孔被包裹到晶粒内去，绝大部分被排除掉，去掉了对可见光的大量散射中心，使A12 03陶曼至为半透明状态。人们开始研究Mg0为什么能促进A120。的致密化、帮助排除气孔，对其：王砚理，有许多学者从不同角度采用不同方法进行大量研究，对这个问题得到比较满意的回；：Coble在1961年首先认为是Mg0溶解于A1：Oj中，提高了控制扩散过程的离子缺陷浓主．’I、而促进烧结致密化。此后R_ Jorgensen等人从为、Ig0固溶在Al-O÷中，并在晶界富姜．抵制晶粒长大。1973年A．Mocellin等人又提出、Ig0对晶垃长大的抑制作用，来源于二奢质在晶界的钉扎效应。W．C．Johnson等，‘、添加了大量、Ig0．也认为第二相的钉孑L效应三碍了晶粒长大。直至J．G.J．Peele才比较好地把这个问题说清楚，他的结果表明：不论添加量或较多量Mg0，都可促进Al：O。的致密化，但机理不一样。在固溶极限以下(1630℃约了；。0 ppm)主要是由于提高了点缺陷浓度，加速A13+的晶格扩散。而当Mg0的添加量增．超过固溶极限以上，则第二相在晶界的钉扎就发生了作用。这说明过去的两种解释都是正甍的。只是条件不同，机理也相应发生变化。M．Harmer等用高温快速烧成方法，对比了纯Al20。与添加200 ppm Mg0或200 ppm_ i02的烧结性能，发现后二者都可促进A12 03的烧结，经1850℃保温5 min，添加Mg0的样晶已接近理论密度。同时两者都有正常的晶粒长大，尺寸均匀，气孔保持在晶界。而纯A120。刘有一些不正常晶粒长大，气孔被包人品粒内。

    作者认为Mg0或Ti02固溶于A1。O。中同时促进烷结和晶粒长大，说明两者是有关联的。由于致密化速率加快，使在相同晶粒尺寸的情况下，气孔尺寸更小一些。这样气孑L对晶界迁移的抑制作用比正常情况要小，所以晶粒长大速度反而比纯Al：O。为快。这一事实也表明固溶杂质对晶界移动的牵制作用并不是很大的。晶界运动受气孔控制。

    Mg0与Ti02的作用都是由于提高A13+离子的缺陷浓度所致：对TiO：来讲，比较简单，Ti4+离子的加入，提高了A13+离子的缺陷浓度，因而加快了A13+离子的晶格扩散。对Mg0来讲，情况要复杂一些，可能由于Mg2+占据了A13+的位置，促进了间隙AI3+离子增加。因此添加Mg0的作用，可能由于间隙机理，促进了A13+离子的扩散。

    可见，添加剂对促进烧结机理是复杂的，对显微结构的影响也很大。