气氛对氧化铝烧结的影响

作为最重要的特种陶瓷，氧化铝的烧结一直就是人们研究的热点。影响氧化铝烧结因素很多，包括粉料的性能、成型密度，烧结温度和压力，等等。而烧结气氛也是其中重要的一种。

今天我们就来简单聊聊气氛对于氧化铝陶瓷烧结的影响。

从现有的文献看，不同气氛对于氧化铝陶瓷的烧结都有促进作用。

最早发现气氛可以成功促进氧化铝陶瓷烧结的案例可能是透明氧化铝陶瓷的制备。在上世纪五、六十年代，Coble发现，将氧化铝陶瓷放在氢气炉中高温下烧结，可以将其中的气孔几乎完全去除，从而获得透明的氧化铝陶瓷产品。后来人们发现，即便是在低温下，氢气依然可以对氧化铝的陶瓷起到促进作用。比如，有人在1350℃下烧结95氧化铝陶瓷，发现在氢气氛下，所得样品的密度可达 3.95g/cm³，而在空气中烧结的样品，密度只有 3.88g/cm³。氮气也是人们常在氧化铝陶瓷制备中使用的一种气体。大多数研究表明，氮气氛有利于氧化铝陶瓷的致密化。比如，有人在研究纳米氧化铝陶瓷时发现，在1100℃（不保温）的条件下，在氮气氛中烧结，相对密度可达98%以上，而在空气中烧结，相对密度只有85%左右。不过，氮气的促烧作用似乎不如氢气明显。比如上面的95氧化铝陶瓷结的例子，氮气氛下1350℃下烧结，其密度只有3.90g/cm³，只比空气中高一些。

和氮气相似的还有氩气。有上面所举的纳米氧化铝陶瓷烧结的例子中，采用氩气和氮气时的致密化行为几乎相同。

对于氮气、氩气促进陶瓷致密化的机制，一般认为与氧分压低有关。因为气氛中缺氧，使得陶瓷晶界上形成大量的氧空位，有利于扩散传质的进行。有人计算过相同烧结温度而不同气氛中的晶界扩散活化能，在空气中为5.10 eV，而在氮气和氩气中分别为3.31 eV和3.06 eV。而氢气促进致密化的机制，除了氧分压低外，还与其原子半径小有关，这使得在烧结后期形成孤立气孔时，更容易排出。

比较有意思的是，虽然低氧分氛有利于氧化铝的烧结，但有研究发现，高的氧分压同样会对烧结起来促进作用——特别是在烧结后期。早在上世纪六十年代，Coble就发现，氧气氛有利于氧化铝陶瓷的致密化。那么氧分压高为什么能促进致密化呢？通常的解释是因为和氮相比，氧在氧化铝中的溶解度和扩散系数都高，这样孤立气孔容易除去。但对于烧结中期，氧气氛对于致密化的作用则似乎有些复杂。有人发现，如果升温速度较快，则氧气氛会促进烧结；如果升温速度较慢，则结果正相反。研究认为，这可能与铝空位的形成以及氧与铝空位的交换有关。

当然，以上这些规律并不总是成立的。气氛的作用还会受到氧化铝陶瓷的具体组成的影响。比如有研究发现，在95氧化铝陶瓷中加入一定的氧化钛之后，同样温度下在氮气中烧结反而比在空气中烧结的密度略低。据分析是因为还原气氛下烧结时氧化钛中的部分氧会脱离到还原气氛中，造成质量损失。

和致密度相比，氢气、氮气对于氧化铝陶瓷中的晶粒生长的影响似乎更容易受到氧化铝陶瓷的具体组成影响。比如，有人在研究纳米氧化铝陶瓷烧结的时候发现，在相同的温度下，虽然在空气、氮气或氩气中所得到的样品密度相差明显，但其晶粒则基本相同；而另有研究发现，在相同温度下烧结95氧化铝陶瓷，空气中的晶粒为18微米，氮气中为12微米，而氢气中仅有6微米。还有人对比了未掺杂氧化铝和0.1molTiO₂掺杂氧化铝在空气和氮、氢混合气体中的烧结。在同一温度下，在空气和混合气体下烧结的未掺杂的氧化铝陶瓷，晶粒大小相差不大，且与气氛并不强相关；而0.1molTiO₂掺杂氧化铝，则在空气中烧结的晶粒都比较大。分析认为，这是因为在未掺杂的氧化铝中，晶界迁移对气氛不敏感，而TiO₂掺杂时，Ti³⁺的形成会对晶界的迁移起到阻滞作用。

总之，和压力、温度等因素相比，气氛对氧化铝烧结的影响比较复杂，并没有一个十分确定的结果。这可能还是有待于进一步的研究吧。