1 范围

　　本文件描述了陶瓷材料在高温作用下由粉体聚集成致密体的基本过程、特征变化及关键衡量指标。

　　2 术语、定义与衡量指标

　　2.1烧结

　　将压制好的陶瓷生坯（如由高岭土压制的条形试样）置于其主晶相熔点（例如氧化铝熔点为2050℃）以下的温度（如1600℃）进行加热。在此过程中，粉体颗粒间发生物质迁移，导致颗粒间接触面积由点接触变为面接触，颗粒中心距缩小，气孔率下降，坯体整体尺寸收缩（例如，边长10cm的方块烧结后可能缩短至8.5cm），形成一个具有一定机械强度的坚硬多晶体的过程。

　　2.2衡量指标

　　烧结程度通常采用以下三个具体指标进行量化评估：a)体积收缩率：通过测量烧结前后试样的几何尺寸或排水法体积计算得出。例如，普通黏土砖烧结后线收缩率通常在3%-8%之间。b)显气孔率：采用阿基米德排水法测定。以日用陶瓷为例，吸水率低于0.5%通常对应显气孔率接近于零，表明烧结致密。c)相对密度：实测烧结体密度与该材料理论密度（如氧化铝陶瓷理论密度为3.98 g/cm³）的百分比。当相对密度达到95%以上时，可认为材料已基本烧结。

　　3 烧结发生的必要条件

　　烧结过程的启动与维持，必须同时满足以下两个物理条件：a)物质迁移机制：即原子或离子必须能够发生扩散、流动或蒸发-凝聚。例如，在高温下，晶格空位浓度增加，原子沿颗粒接触颈部表面进行扩散。b)能量与动力供给：烧结动力来源于系统表面能的降低（颗粒越细，比表面积越大，储存的表面能越高，驱动力越强）。加热是提供原子越过能垒进行迁移所需能量的常见方式。例如，纳米级氧化锆粉末因其巨大的表面能，其烧结起始温度可能比微米级粉末低200-300℃。

　　4 烧结与相关物理化学过程的区别

　　4.1 烧结与熔融

　　两者均由原子热振动加剧引发，但其本质区别在于相态。熔融：指晶体完全转变为液相的过程。例如，将石英砂在1600℃以上高温下加热，会熔融成透明的玻璃态液体。烧结：至少有一种固相始终保持。例如，将石英砂压制成坩埚形状，在1400℃下加热，颗粒间通过玻璃相连接成坚固的坩埚，但石英颗粒本身并未熔化。泰曼经验关系：大量实验观察到，烧结开始发生的温度（Ts）与材料的熔点（TM）存在关联：金属粉末（如铜粉）：Ts ≈ (0.3-0.4) TM，即约350-470℃开始烧结（铜熔点1083℃）。盐类（如氯化钠）：Ts ≈ 0.57 TM。硅酸盐材料（如黏土）：Ts ≈ (0.8-0.9) TM，例如长石质瓷的烧结起始温度通常在1000-1200℃之间。

　　4.2 烧结与固相反应

　　两者都在低于熔点的温度下进行。固相反应：特征是至少两种不同物质参与，并发生化学反应生成新物相。例如，氧化镁（MgO）与氧化铝（Al₂O₃）混合后，在高温下发生固相反应，生成新的化合物镁铝尖晶石（MgAl₂O₄），其晶体结构和物理化学性质完全不同于原始两种氧化物。烧结：主要是一个物理致密化过程，一般不生成新物相。例如，纯氧化铝陶瓷烧结后，从微观上看，晶粒排列更紧密，晶界更清晰，但其主体晶相依然是刚玉（α-Al₂O₃），化学成分并未改变。即使有液相参与（如长石玻璃相促进烧结），其主要作用也是填充气孔、促进颗粒重排，而非形成新的化合物（反应烧结，如氮化硅反应烧结，作为特例除外）。

　　4.3 烧结与烧成

　　烧成：是一个更宽泛的工业术语，包含了烧结过程，但必然伴随复杂的物理化学变化。例如，传统陶瓷的烧成过程包括：脱水与分解：在500-700℃，高岭石脱水，碳酸盐（如方解石）分解。氧化与多相反应：在800-1000℃，有机物和碳素氧化，黏土分解产物开始与长石、石英反应，形成低共熔液相。烧结：是烧成过程的阶段（约1000℃以上）。此时，前期化学反应基本结束，坯体中生成的液相（如长石玻璃相）浸润并填充剩余固体颗粒（如残余石英、莫来石晶体）之间的空隙，通过毛细管力拉动颗粒重新排列，排出气体，实现坯体的致密化。

　　5典型材料烧结现象举例

　　5.1 氧化铝陶瓷烧结

　　原料：平均粒径2μm的α-Al₂O₃粉，添加少量MgO作为烧结助剂。过程：在1750℃下保温2小时。结果：体积密度达到3.90 g/cm³以上，抗弯强度超过300 MPa。晶相为发育良好的刚玉晶体，晶粒尺寸约5-10μm，晶界清晰，气孔主要分布在晶界交汇处。

　　5.2 氧化锆陶瓷烧结

　　原料：添加3mol%氧化钇稳定的四方相氧化锆纳米粉（粒径<100nm）。过程：在1500℃下保温1小时。结果：相对密度可达99%以上，晶粒尺寸控制在1μm以下。其断裂韧性因相变增韧机制可达到8-10 MPa·m¹/²，远高于氧化铝陶瓷。

　　6 结论要点

　　温度关联性：大量测试表明，纯氧化物陶瓷的烧结温度通常为其熔点绝对温度的0.7-0.9倍。例如，氧化镁熔点2800℃，其有效烧结通常在1900-2100℃区间完成。致密化数据：对于典型的干压成型陶瓷生坯（成型压力80-100MPa），烧结后线收缩率一般在15%-20%之间。这意味着，要制造一个尺寸为100mm的精密陶瓷零件，生坯模具的设计尺寸需放大至约118-125mm。气孔率变化：普通陶器烧结后，吸水率可能仍在5%-10%（显气孔率高）；而精细陶瓷（如99氧化铝瓷）烧结后，显气孔率可降至0%，完全致密，吸水率为零。（更多资讯请关注先进材料应用哦！）