陶瓷材料的冷燒結

 

刊登日期:2021/8/25
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段維新/臺灣大學材料科學及工程學系
 
近五年陶瓷界最值得關注的新發展之一,應該是陶瓷材料的冷燒結製程。陶瓷材料的熔點高,一般來說燒結溫度也高,所以陶瓷材料的燒結製程成本也高。而近期由學術界開發出的冷燒結製程,陶瓷緻密化的溫度可以低到只有數百度,甚至可以低到室溫,本文將簡要介紹陶瓷的冷燒結製程及其在學理上的爭議,更期望指出此製程的潛力與機會。
 
前言
陶瓷材料的熔點高,燒結溫度也高,舉例來說,氧化鋁的燒結溫度一般來說在1,500℃以上,氧化鋯的燒結溫度在1,450℃以上,氮化矽的燒結溫度在1,700℃以上,碳化矽的燒結溫度更高達1,900℃以上,這些高溫造成陶瓷製造商必須投入大量經費於購置燒結爐上,而且能源的消耗也大,使得燒結製程一直在陶瓷製造中佔有20%以上的成本,同時因為攸關良率,在技術上也扮演極為重要的關鍵角色。為了說明陶瓷材料的冷燒結製程及在學理上的爭議,本文先簡要說明陶瓷材料的燒結機理,再對比陶瓷冷燒結的機制,及在技術及學理上的基礎。
 
陶瓷材料的燒結機理
陶瓷材料的燒結溫度一直居高不下,與陶瓷材料的鍵結有關,陶瓷的鍵結強度高,離子的擴散係數低,以氧化鋁的擴散係數為例:鋁離子在晶格內的擴散係數(Lattice Diffusion)與溫度的關係式如下(1):
 
鋁離子在晶格內的擴散係數(Lattice Diffusion)與溫度的關係式
 
以此推算,在1500℃鋁離子的體擴散係數在10-10 cm2/s之下,在如此低的擴散係數下,質量傳送是很慢的,當然陶瓷材料在燒結時不是只有晶格內的擴散,還有晶粒邊界擴散、表面擴散、氣體蒸發及凝結等傳送路徑(圖一),但是這些擴散係數也不高,而氣體傳送的量對一般陶瓷來說,貢獻也極有限。
 
圖一、當兩顆陶瓷顆粒接觸在一起時,接觸點處自然形成凹處,促成氣體蒸發及凝結(路徑1),表面擴散(路徑2),晶格內的體擴散係數(路徑3),還有晶粒邊界擴散(路徑4)等質量傳送路徑,透過這些質量傳送,可達成減少表面積,燒結的目的
圖一、當兩顆陶瓷顆粒接觸在一起時,接觸點處自然形成凹處,促成氣體蒸發及凝結(路徑1),表面擴散(路徑2),晶格內的體擴散係數(路徑3),還有晶粒邊界擴散(路徑4)等質量傳送路徑,透過這些質量傳送,可達成減少表面積,燒結的目的
 
稍微巨觀一些,當數個陶瓷顆粒一起燒結時,原來陶瓷顆粒之間的孔隙必須靠著擴散來消除,伴著擴散的進行,原來點接觸的顆粒形成了面接觸(圖二),陶瓷顆粒的形狀改變了,也達成了密度提升的目的。
 
圖二、當數顆陶瓷顆粒接觸在一起時,陶瓷顆粒必須以改變形狀的方式,才能達成減少表面積,密度提升的目的
圖二、當數顆陶瓷顆粒接觸在一起時,陶瓷顆粒必須以改變形狀的方式,才能達成減少表面積,密度提升的目的
 
陶瓷材料的冷燒結
若要提到陶瓷材料的冷燒結,就一定要提到美國賓州大學的C.A. Randall教授,他在2016年提出陶瓷冷燒結的實驗證據,至今他的實驗室已經在低於300℃的條件下製作出數十種緻密的陶瓷材料,他們甚至可以在室溫條件下製作出數種緻密化陶瓷。表一列出數種他們在120~180℃之間製備出的陶瓷,這些試樣只靠著添加6~30wt%的水而已,在室溫下以單向施壓,就可以得到緻密的陶瓷試樣。
 
Prof. Randall以冷燒結(Cold Sintering)命名這個製程,並且聲稱此製程技術與一般燒結相同,有著緻密化與晶粒成長行為,因為溫度低,他強調利用此製程可以製作緻密的陶瓷/高分子複合材料,也可以製作緻密的陶瓷/金屬複合材料,更可以製作緻密的陶瓷/金屬積層材料,但是仍有幾個挑戰…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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