CN111440002A - 陶瓷烧结方法及陶瓷烧结装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷烧结方法，包括如下步骤：获取陶瓷生坯；设置相互间隔的一第一电极及至少两个第二电极至所述陶瓷生坯；以及向所述第一电极施加第一电压，并分时向所述至少两个第二电极施加第二电压，以烧结所述陶瓷生坯。本发明还提供一种陶瓷烧结装置。

Description

陶瓷烧结方法及陶瓷烧结装置

技术领域

本发明涉及陶瓷烧结技术领域，尤其涉及一种陶瓷烧结方法及该陶瓷烧结方法使用的陶瓷烧结装置。

背景技术

陶瓷材料在各个领域都有着广泛的应用，例如可用于制造太阳能电池、压电器件等等。陶瓷材料的形成需要将陶瓷粉体通过成型技术变成生坯，再通过烧结技术使得生坯的晶粒迁移长大、坯体收缩。传统的烧结技术普遍需要1000℃以上的高温，能耗和成本较高。

近年来诞生了不少新兴的陶瓷烧结技术。其中，“闪烧”(Flash Sintering)是在电场的辅助作用下，降低陶瓷的烧结温度，并且极大地缩短烧结所需的时间的一种新兴烧结工艺。如何进一步将闪烧所需温度降低至低温(＜400℃)甚至室温更是研究的一大热点。然而低温闪烧却面临条件限制的困境：对于固定的生坯-电极结构，若要进一步降低闪烧所需温度，必须继续升高电压以增大压强，但这同时也增大闪烧发生时通过闪烧样品的电流，电流过大会导致闪烧样品断裂。此外，常规烧结技术或者闪烧技术都无法实现一体化陶瓷烧结。

发明内容

本发明为了克服现有闪烧技术的不足，一方面提供一种瓷烧结方法，包括如下步骤：

获取陶瓷生坯；

设置相互间隔的一第一电极及至少两个第二电极至所述陶瓷生坯；以及

向所述第一电极施加第一电压，并分时向所述至少两个第二电极施加第二电压，以烧结所述陶瓷生坯。

优选的，所述设置相互间隔的一第一电极及至少两个第二电极至所述陶瓷生坯的步骤，具体为：

以喷涂或粘粘方式设置相互间隔的一第一电极及至少两个第二电极至所述陶瓷生坯。

优选的，所述第一电压高于第二电压。

优选的，所述第二电极为两个；

所述向所述第一电极施加第一电压，并分时向所述至少两个第二电极施加第二电压的步骤，具体包括：

在第一烧结时段，向所述第一电极施加所述第一电压，并同时向其中一第二电极施加所述第二电压；

在第二烧结时段，向所述第一电极施加所述第一电压，并同时向另一第二电极施加所述第二电压。

优选的，在所述第一烧结时段及所述第二烧结时段，加热所述陶瓷生坯。

优选的，在所述第一烧结时段及所述第二烧结时段，所述陶瓷生坯置于空气、惰性气体或还原性气体环境。

本发明另一方面提供一种陶瓷烧结装置，用于烧结陶瓷生坯；所述陶瓷烧结装置包括：

烧结炉，用于容置所述陶瓷生坯；

电源，与所述陶瓷生坯电连接，用于施加第一电压和第二电压至所述陶瓷生坯；以及

开关模块，电连接所述电源和所述陶瓷生坯，用于分时将所述电源电连接至所述陶瓷生坯的不同位置。

优选的，还包括设置于所述烧结炉外的加热模块，所述加热模块用于在烧结所述陶瓷生坯的过程中加热所述陶瓷生坯。

上述陶瓷烧结方法，在不同的烧结时段，通过分时切换不同的第二电极被施加第二电压，可以分时对陶瓷生坯上的不同区段进行烧结，因此，陶瓷生坯的不同区段被烧结的时长、烧结温度等不同，可实现一个整体的陶瓷生坯上的不同区段呈现不同的结构、性质，以满足后续的应用要求。此外，对陶瓷生坯进行分时、分区段烧结，对于整体尺寸较大的陶瓷生坯，有助于降低烧结时的电压(烧结尺寸越大电压要求越高)，烧结时电压减小，则有利于解决高压致使陶瓷生坯断裂的问题，且有助于节省能耗。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的陶瓷烧结装置与陶瓷生坯的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例提供的陶瓷烧结方法的流程示意图。

图3为本发明实施例一提供的陶瓷烧结装置与陶瓷生坯的结构示意图。

图4为本发明实施例一中的陶瓷生坯烧结之后其中一个区段形成的晶粒结构示意图。

图5为本发明实施例一中的陶瓷生坯烧结之后另一个区段形成的晶粒结构示意图。

图6为本发明实施例二提供的陶瓷烧结装置与陶瓷生坯的结构示意图。

图7为本发明实施例二中的陶瓷生坯烧结之后其中一个区段形成的晶粒结构示意图。

图8为本发明实施例二中的陶瓷生坯烧结之后另一个区段形成的晶粒结构示意图。

主要元件符号说明

陶瓷烧结装置 10

烧结炉 11

烧结腔 111

电源 12

开关模块 13

第一电极 14、

第二电极 1、n-1、n、171、172、181、182

加热模块 16

陶瓷生坯 20、30、40

步骤 S1、S2、S3

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

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，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方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的所有的和任意的组合。

在本发明的各实施例中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

请参阅图1，本发明较佳实施例提供的陶瓷烧结装置10，用于将陶瓷生坯20烧结为目标陶瓷结构。陶瓷烧结装置10包括烧结炉11、设置于烧结炉11外的电源12和开关模块13，电源12与开关模块13电连接。

陶瓷生坯20由陶瓷粉体(粒径为1nm-10μm)放入模具中挤压成型(压力范围40MPa-800MPa)。陶瓷生坯20的形状根据所述模具进行设置，可包括但不限于：“狗骨头”形、圆柱体、长方体等规则或不规则几何形状。本实例中，以大致为“狗骨头”形的陶瓷生坯20为例进行说明。所述陶瓷粉末经过球磨、造粒工艺处理，使其粒径较小且流动性高，易于成型。

请继续参阅图1，陶瓷烧结装置10还包括一第一电极14和n个第二电极，分别为第二电极1、第二电极2、…第二电极n-1及第二电极n，所述n大于等于2。第一电极14和n个第二电极设置于陶瓷生坯20表面。第一电极14与各个第二电极间隔设置且相互绝缘，且，第一电极14和第二电极n分别固定在陶瓷生坯20的两端。本施例中，第一电极14、n个第二电极在陶瓷生坯20表面上沿轴向或者长径方向等间距分布。也即，陶瓷生坯20表面上每相邻的两个电极之间的间隔相等。第一电极14、n个第二电极在陶瓷生坯20表面上等间距分布有利于简化电极设置流程。于其他实施例中，第一电极14、n个第二电极的分布方式可以不同。第一电极14、n个第二电极的分布方式取决于形成陶瓷生坯20的陶瓷粉末的材料、陶瓷生坯20的形状和尺寸以及需要烧结形成的所述目标陶瓷结构等因素。第一电极14与n个第二电极通过喷涂或粘粘导电材料形成于挤压成型后的陶瓷生坯20表面。其中，通过喷涂或粘粘导电材料于陶瓷生坯表面形成电极的方法为本领域的常规方法，具体细节在此不再赘述。

请继续参阅图1，烧结炉11具有一烧结腔111，烧结腔111用于容置陶瓷生坯20。

请继续参阅图1，电源12和开关模块13通过导线延伸至烧结腔111内与陶瓷生坯20建立电连接，从而电源12可施加电压至陶瓷生坯20。本实施例中，电源12施加第一电压至陶瓷生坯20上的第一电极14，并分时施加第二电压至陶瓷生坯20上的n个第二电极，也即，电源12在不同的时间段施加第二电压至不同的第二电极。其中，第一电压高于第二电压，以于第一电极14与各个第二电极之间产生所需的电压差。本实施例中，在施加第一电压至第一电极14时，各第二电极分时接地。电源12可为直流、交流或脉冲电源。电源12提供的电压可在0-500kV范围内调节。交流或脉冲电源频率可在1Hz-50kHz范围内调节。于其他实施例中，交流或脉冲电源最高频率应低于微波频率(300MHz)。

请继续参阅图1，开关模块13一端与电源12电连接，另一端通过导线与陶瓷生坯20的第一电极14和n个第二电极电连接，从而建立电源12与陶瓷生坯20之间的电连接。烧结陶瓷生坯20过程中，开关模块13控制电源12输出的第一电压施加至陶瓷生坯20的第一电极14，并控制电源12输出的第二电压分时施加至陶瓷生坯20上各个第二电极。也即，烧结陶瓷生坯20过程中，开关模块13用于切换陶瓷生坯20上接收电源12输出的第二电压的第二电极。

请继续参阅图1，陶瓷烧结装置10还包括加热模块16。加热模块16设置于烧结炉11的烧结腔111外，用于在烧结陶瓷生坯20的过程中，加热陶瓷生坯20。在其他条件相同的情况下，烧结陶瓷生坯20时通过加热模块16辅助加热，可以降低烧结时的电压。因此，烧结陶瓷生坯20时通过加热模块16辅助加热，有利于解决烧结时的高压致使陶瓷生坯20断裂的问题，且有助于节省能耗。本实施例中，加热模块16可为加热板、箱式炉等设备。

应当理解，于本发明其他实施例中，陶瓷烧结装置10可不包括加热模块16。

以下将对利用上述陶瓷烧结装置10烧结陶瓷生坯20的流程进行详细阐述。

请参阅图2，本发明较佳实施例提供的陶瓷烧结方法，包括：

步骤S1，获取陶瓷生坯；

步骤S2，设置相互间隔的一第一电极及至少两个第二电极至所述陶瓷生坯；以及

步骤S3，向所述第一电极施加第一电压，并分时向所述至少两个第二电极施加第二电压，以烧结所述陶瓷生坯。

请同时参阅图1及图2，步骤S1中，陶瓷粉体经过如上述的球磨、造粒工艺后，放入模具(图未示)中挤压成型形成陶瓷生坯20。

继续同时参阅图1及图2，步骤S2中，在陶瓷生坯20的表面，设置一第一电极14及n个第二电极，包括第二电极1、第二电极2……第二电极n-1及第二电极n，所述n大于等于2。第一电极14、n个第二电极在陶瓷生坯20表面间隔设置且相互绝缘。第一电极14、n个第二电极在陶瓷生坯20表面等间距分布。也即，陶瓷生坯20表面上，第一电极14、n个第二电极中，每相邻排列的两个电极之间的间距相等。第一电极14、n个第二电极以向陶瓷生坯20喷涂或在陶瓷生坯20表面粘粘导电材料的方式形成。

继续同时参阅图1及图2，步骤S3中，在第一烧结时段，电源12输出第一电压与第二电压，开关模块13控制电源12输出的第一电压施加至陶瓷生坯20的第一电极14，并控制电源12输出的第二电压施加至陶瓷生坯20表面上的第二电极1。第一电极14与第二电极1之间形成电压差，产生电流，对陶瓷生坯20位于第一电极14和第二电极1之间的区段进行烧结。

在第n-1个烧结时段，开关模块13控制电源12输出的第一电压施加至陶瓷生坯20的第一电极14，并控制电源12输出的第二电压施加至陶瓷生坯20表面上的第二电极n-1。第一电极14与第二电极n-1之间形成电压差，产生电流，对陶瓷生坯20位于第一电极14和第二电极n-1之间的区段进行烧结。

第n-1个烧结时段结束后，在第n个烧结时段，开关模块13控制电源12输出的第一电压施加至陶瓷生坯20的第一电极14，并控制电源12输出的第二电压施加至陶瓷生坯20表面上的第二电极n。第一电极14与第二电极n之间形成电压差，产生电流，对陶瓷生坯20位于第一电极14和第二电极n之间的区段进行烧结。

开关模块13控制电源12输出的第二电压分时依次施加至陶瓷生坯20表面上各个第二电极后，陶瓷生坯20烧结完成。

上述的开关模块13控制电源12输出的第二电压施加至陶瓷生坯20表面上各个第二电极的顺序仅做示例，并非用于限制本发明。开关模块13切换各个第二电极的顺序由想要烧结形成的目标陶瓷结构决定。

在上述各个烧结时段，陶瓷生坯20可处于空气、惰性气体、还原性气体或上述气体的混合环境中。气体环境的选取根据陶瓷生坯20的材料决定。

如上所述，在不同的烧结时段，通过开关模块13分时切换不同的第二电极被施加第二电压，可以分时对陶瓷生坯20上的不同区段进行烧结，因此，陶瓷生坯20上的不同区段被烧结的时长、烧结温度等不同，可实现一个整体的陶瓷生坯20上的不同区段呈现不同的结构、性质，也即使得一个完整的陶瓷生坯20烧结完成之后获得结构梯度分布，以满足后续的多样化应用要求。此外，对一个陶瓷生坯20进行分时、分区段烧结，对于整体尺寸较大的陶瓷生坯20，有助于降低烧结时的电压(烧结尺寸越大电压要求越高)，烧结时电压减小，则有利于解决高压致使陶瓷生坯20断裂的问题，且有助于节省能耗。

下面通过实施例来对使用本发明提供的上述陶瓷烧结装置10的陶瓷烧结方法的实施例进行具体说明。

实施例一

请参阅图3，本实施例中，陶瓷烧结装置10包括两个第二电极，分别为第二电极171和第二电极172，第一电极14、第二电极171和第二电极172相互间隔、等间距设置于“狗骨头”形的陶瓷生坯30表面且相互绝缘，其中，第一电极14和第二电极172分别固定在陶瓷生坯30的两端；形成陶瓷生坯30的所述陶瓷粉末为平均粒径30nm的氧化锌粉末，陶瓷生坯30两端电极间的立方体尺寸为13mm×3.3mm×0.8mm，电源12采用工频交流电源。

在第一烧结时段，开关模块13控制电源12输出的第一电压施加至陶瓷生坯30的第一电极14，并控制电源12输出的第二电压施加至第二电极171，第一电极14与第二电极171之间形成电压差，产生电流，对陶瓷生坯20位于第一电极14和第二电极171之间的区段进行烧结，施加至第一电极14的第一电压从零逐渐升高至4kV并保持，此后2min内通过陶瓷生坯30的电流逐渐增大直至发生闪烧，闪烧时通过陶瓷生坯30的电流为600mA，闪烧保持30s后第一电压归零。在所述第一烧结时段，输出至第二电极171的第二电压持续保持为接地电压。

在第二烧结时段，开关模块13控制电源12输出的第一电压施加至陶瓷生坯30的第一电极14，并控制电源12输出的第二电压施加至第二电极172，第一电极14与第二电极172之间形成电压差，产生电流，对陶瓷生坯30位于第一电极14和第二电极172之间的区段进行烧结，施加至第一电极14的第一电压从零逐渐升高。第一电压未达到4kV便发生闪烧，继续升压直至通过陶瓷生坯30的电流为600mA，闪烧30s后第一电压归零，断开电源12。在所述第二烧结时段，输出至第二电极172的第二电压持续保持为接地电压。

经上述烧结过程后的陶瓷生坯30冷却至室温后取出并保存，烧结完成。上述烧结过程中，通过陶瓷生坯30的电流呈迅速降低→缓慢升高→骤升(闪烧发生时)→基本保持不变的变化趋势；陶瓷生坯30的致密度、导电率和力学性能等呈不断上升到基本不变的变化趋势；陶瓷生坯30的表面温度随第一电压的上升而逐渐升高到300℃以上，在闪烧时骤升到1000℃以上并基本维持不变。

在一对比例中，采用不同于本实施例的陶瓷烧结装置和陶瓷烧结方法，需要使用7kV以上的电压。而本实施例提供的陶瓷烧结装置10和陶瓷烧结方法，大大降低了烧结时的电压(第一电压)；且本实施例通过采用两个第二电极(171和172)，可以实现对陶瓷生坯30进行分段烧结，从而使得陶瓷生坯30在烧结完成之后，不同区段的晶粒尺寸存在明显差异。具体的，位于第一电极14和第二电极171之间的区段烧结完成之后晶粒结构如图4所示，位于第二电极171和第二电极172之间的区段烧结完成之后晶粒结构如图5所示。

实施例二

请参阅图6，本实施例中，陶瓷烧结装置10包括两个第二电极，分别为第二电极181和第二电极182，第一电极14、第二电极181和第二电极182相互间隔、等间距设置于陶瓷生坯40表面且相互绝缘，其中，陶瓷生坯40为圆柱形，第一电极14和第二电极182分别固定在陶瓷生坯30的两端，陶瓷生坯40尺寸为直径10mm，高度80mm；陶瓷生坯40由平均粒径30nm的氧化锌粉末压模制成；电源12采用工频交流电源。

本实施例的陶瓷烧结方法，步骤S3中，在第一烧结时段，电源12输出第一电压与第二电压，开关模块13控制电源12输出的第一电压施加至陶瓷生坯40的第一电极14，并控制电源12输出的第二电压施加至陶瓷生坯40的第二电极181，第一电极14与第二电极181之间形成电压差，产生电流，对陶瓷生坯40位于第一电极14和第二电极181之间的区段进行烧结，第一电压从零逐渐升高至4.5kV并保持，此后2min内通过陶瓷生坯40的电流逐渐增大直至发生闪烧，闪烧时通过陶瓷生坯40的电流为640mA，闪烧30s后第一电压归零。在所述第一烧结时段，输出至第二电极181的第二电压持续保持为接地电压。

第一烧结时段结束后，在第二烧结时段，开关模块13控制电源12输出的第一电压施加至陶瓷生坯40的第一电极14，并控制电源12输出的第二电压施加至陶瓷生坯40的第二电极182。第一电极14与第二电极182之间形成电压差，产生电流，对陶瓷生坯40位于第一电极14和第二电极182之间的区段进行烧结，第一电压从零逐渐升高，电压未达到4.5kV便发生闪烧，继续升压至通过陶瓷生坯40的电流为640mA，闪烧30s后第一电压归零，断开电源12。在所述第二烧结时段，输出至第二电极182的第二电压持续保持为接地电压。

待陶瓷生坯40冷却至室温后取下并保存，烧结完成。上述过程中通过陶瓷生坯40的电流呈迅速降低→缓慢升高→骤升(闪烧发生时)→基本保持不变的变化趋势；过程中陶瓷生坯40的致密度、导电率和力学性能等呈不断上升到基本不变的变化趋势；过程中陶瓷生坯40的表面温度随第一电压上升而逐渐升高到300℃以上，在闪烧时骤升到1000℃以上并基本维持不变。

在一对比例中，采用不同于本实施例的陶瓷烧结装置和陶瓷烧结方法，需要使用7kV以上的电压。而本实施例提供的陶瓷烧结装置10和陶瓷烧结方法，大大降低了烧结时的电压(第一电压)；且本实施例通过采用两个第二电极(181和182)，可以实现对陶瓷生坯40进行分段烧结，从而使得陶瓷生坯40在烧结完成之后，不同区段的晶粒尺寸存在明显差异。具体的，位于第一电极14和第二电极181之间的区段烧结完成之后晶粒结构如图7所示，位于第二电极181和第二电极182之间的区段烧结完成之后晶粒结构如图8所示。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种陶瓷烧结方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取陶瓷生坯；

设置相互间隔的一第一电极及至少两个第二电极至所述陶瓷生坯；以及

向所述第一电极施加第一电压，并分时向所述至少两个第二电极施加第二电压，以烧结所述陶瓷生坯。

2.如权利要求1所述的陶瓷烧结方法，其特征在于，所述第一电极及所述至少两个第二电极在所述陶瓷生坯上等间距分布。

3.如权利要求1所述的陶瓷烧结方法，其特征在于，所述设置相互间隔的一第一电极及至少两个第二电极至所述陶瓷生坯的步骤，具体为：

以喷涂或粘粘方式设置相互间隔的一第一电极及至少两个第二电极至所述陶瓷生坯。

4.如权利要求1所述的陶瓷烧结方法，其特征在于，所述第一电压高于第二电压。

5.如权利要求1所述的陶瓷烧结方法，其特征在于，所述第二电极为两个；

所述向所述第一电极施加第一电压，并分时向所述至少两个第二电极施加第二电压的步骤，具体包括：

在第一烧结时段，向所述第一电极施加所述第一电压，并同时向其中一第二电极施加所述第二电压；

在第二烧结时段，向所述第一电极施加所述第一电压，并同时向另一第二电极施加所述第二电压。

6.如权利要求5所述的陶瓷烧结方法，其特征在于，在所述第一烧结时段及所述第二烧结时段，加热所述陶瓷生坯。

7.如权利要求5所述的陶瓷烧结方法，其特征在于，在所述第一烧结时段及所述第二烧结时段，所述陶瓷生坯置于空气、惰性气体或还原性气体环境。

8.一种陶瓷烧结装置，用于烧结陶瓷生坯；其特征在于，所述陶瓷烧结装置包括：

烧结炉，用于容置所述陶瓷生坯；

电源，与所述陶瓷生坯电连接，用于施加第一电压和第二电压至所述陶瓷生坯；以及

开关模块，电连接所述电源和所述陶瓷生坯，用于分时将所述电源电连接至所述陶瓷生坯的不同位置。

9.如权利要求8所述的陶瓷烧结装置，其特征在于，还包括间隔且相互绝缘设置于所述陶瓷生胚的一第一电极及至少两个第二电极；

所述电源用于施加所述第一电压至所述第一电极，并分时施加所述第二电压至所述至少两个第二电极。

10.如权利要求8所述的陶瓷烧结装置，其特征在于，还包括设置于所述烧结炉外的加热模块，所述加热模块用于在烧结所述陶瓷生坯的过程中加热所述陶瓷生坯。

Images