[發(fā)明專利]一種動(dòng)態(tài)加載耦合交變電流的快速燒結(jié)設(shè)備及燒結(jié)方法

在審

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• 申請日: 2020-07-30
• 公開（公告）號: CN111912227A
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝志鵬;許靖堃
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: F27B17/00
• 分類號: F27B17/00;F27D7/06;F27D9/00;F27D11/10;F27D19/00;F27D21/00
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 任文娟

本發(fā)明涉及一種動(dòng)態(tài)加載耦合交變電流的快速燒結(jié)設(shè)備，包括如下部件：爐架，爐架內(nèi)設(shè)置有爐體，爐體內(nèi)形成有密閉的保壓艙；動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)，其包括動(dòng)態(tài)加載發(fā)生部和動(dòng)態(tài)加載控制部，動(dòng)態(tài)加載發(fā)生部設(shè)置在保壓艙內(nèi)，用于對燒結(jié)材料進(jìn)行加熱；動(dòng)態(tài)加載控制部設(shè)置在保壓艙外，動(dòng)態(tài)加載控制部的輸出端與動(dòng)態(tài)加載發(fā)生部連接，用于向動(dòng)態(tài)加載發(fā)生部輸出耦合后的總動(dòng)態(tài)加載；燒結(jié)控制系統(tǒng)，設(shè)置在保壓艙外，其輸出端與動(dòng)態(tài)加載控制部的輸入端連接；交變電流控制系統(tǒng)，設(shè)置在保壓艙外，其輸入端與燒結(jié)控制系統(tǒng)的輸出端連接，輸出端與動(dòng)態(tài)加載發(fā)生部連接。本發(fā)明設(shè)備可以顯著提高燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，抑制晶粒生長并提高燒結(jié)體的致密度，提高材料性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種動(dòng)態(tài)加載耦合交變電流的快速燒結(jié)設(shè)備及燒結(jié)方法，屬于燒結(jié)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

燒結(jié)是高性能陶瓷等先進(jìn)結(jié)構(gòu)和功能材料制備過程中最關(guān)鍵的步驟之一。在傳統(tǒng)的無壓燒結(jié)過程中，粉體的表面曲率是唯一的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)溫度升高時(shí)，待燒結(jié)材料在燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力的作用下進(jìn)行擴(kuò)散傳質(zhì)，體系氣孔率降低，致密度升高，最終得到致密的塊體材料。然而，在燒結(jié)后期，晶粒的表面曲率減小，進(jìn)一步致密化的驅(qū)動(dòng)力顯著下降，殘余氣孔無法得到有效排出，甚至導(dǎo)致晶粒異常長大，所以無壓燒結(jié)技術(shù)制備的陶瓷材料常常有較高的氣孔率和較大的晶粒尺寸。對此，研究人員開發(fā)出了熱壓燒結(jié)技術(shù)。熱壓燒結(jié)可在燒結(jié)的同時(shí)對待燒結(jié)粉體施加靜態(tài)加載，從而提供額外的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力。這一驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于表面曲率驅(qū)動(dòng)力，能夠有效促進(jìn)致密化過程，降低燒結(jié)溫度。相比無壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)樣品的致密度通常更高，晶粒尺寸更小，但由于靜態(tài)加載作用下顆粒難以進(jìn)行滑移重排，且容易產(chǎn)生“硬團(tuán)聚”，導(dǎo)致最終產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的均勻性仍不夠理想。研究表明，如果能夠?qū)㈧o態(tài)加載改進(jìn)為具有一定周期和振幅的動(dòng)態(tài)加載，可以顯著促進(jìn)燒結(jié)末期微小殘余氣孔的排出，制備出超高強(qiáng)度的全致密陶瓷。

無壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)使用外加熱源加熱，因此升溫速率通常不高于20℃/min。在緩慢升溫過程中，晶粒不可避免的發(fā)生粗化，從而降低了高溫下的致密化驅(qū)動(dòng)力。放電等離子體燒結(jié)(SPS)是近三十年發(fā)展起來的新型燒結(jié)技術(shù)，它在燒結(jié)過程中不使用外加熱源，而是依靠脈沖直流電流通過模具產(chǎn)生的焦耳熱對待燒結(jié)材料進(jìn)行加熱。這一技術(shù)的升溫速率可高達(dá)每分鐘數(shù)百攝氏度，從而有效避免了升溫階段的晶粒粗化，縮短燒結(jié)時(shí)間，提高燒結(jié)效率。但脈沖直流電流的方向性可能會(huì)導(dǎo)致樣品正負(fù)極處的微觀結(jié)構(gòu)不一致，影響整體性能。如果能夠用交變電流替代脈沖直流電流，可以完全避免樣品在電流方向上的不均勻現(xiàn)象。此外，放電等離子體燒結(jié)采用靜態(tài)加載，對于納米粉體硬團(tuán)聚的消除并不理想。若引入一個(gè)有一定振動(dòng)頻率和振動(dòng)壓力強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)加載，可在快速燒結(jié)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)樣品的完全致密化。并且使用交變電流不需要復(fù)雜的整流和濾波設(shè)備，能夠降低燒結(jié)爐的制造成本，有利于工業(yè)化推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種動(dòng)態(tài)加載耦合交變電流的快速燒結(jié)設(shè)備及燒結(jié)方法，該設(shè)備采用交變電流實(shí)現(xiàn)快速升溫加熱，可顯著縮短燒結(jié)時(shí)間，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)加載熱壓燒結(jié)可顯著提高待燒結(jié)材料致密度，減小晶粒尺寸，增強(qiáng)材料的各方面性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

本發(fā)明第一方面涉及一種動(dòng)態(tài)加載耦合交變電流的快速燒結(jié)設(shè)備，包括如下部件：

爐架，所述爐架內(nèi)設(shè)置有爐體，所述爐體內(nèi)形成有密閉的保壓艙；

動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)，其包括動(dòng)態(tài)加載發(fā)生部和動(dòng)態(tài)加載控制部，所述動(dòng)態(tài)加載發(fā)生部設(shè)置在所述保壓艙內(nèi)，用于對燒結(jié)材料進(jìn)行加壓加熱；所述動(dòng)態(tài)加載控制部設(shè)置在所述保壓艙外，所述動(dòng)態(tài)加載控制部的輸出端與所述動(dòng)態(tài)加載發(fā)生部連接，用于向所述動(dòng)態(tài)加載發(fā)生部輸出耦合后的總動(dòng)態(tài)加載；

燒結(jié)控制系統(tǒng)，設(shè)置在所述保壓艙外，所述燒結(jié)控制系統(tǒng)的輸出端與所述動(dòng)態(tài)加載控制部的輸入端連接，所述燒結(jié)控制系統(tǒng)用于根據(jù)輸入的燒結(jié)工藝參數(shù)調(diào)控施加的總動(dòng)態(tài)加載；