一文认识下先进陶瓷各类烧结炉的工作原理和性能特点

烧结炉在先进陶瓷制备过程中具有非常重要的地位。烧结是先进陶瓷制备过程中的关键环节，其作用是将已经成型的陶瓷生坯在高温下进行热处理，促进陶瓷颗粒之间的结合和致密化，最终得到具有优异性能的陶瓷材料。它不仅影响着陶瓷材料的结构和性能，还影响着整个制造过程的效率和环保性。为了获得具有优异性能的陶瓷材料，需要选择合适的烧结炉类型和参数，并进行合理的操作和维护。本文就市面上现有的部分烧结炉进行区分介绍：

先进陶瓷烧结炉的种类

①真空烧结炉：在真空状态下进行烧结，适用于高温、高纯度陶瓷材料的烧结。

②气氛烧结炉：在特定气氛下进行烧结，如氮气、氩气等，适用于对气氛敏感的陶瓷材料。

③热压烧结炉：通过施加压力进行烧结，适用于多孔、结构复杂的陶瓷材料。

④微波烧结炉：利用微波进行加热进行烧结，具有快速、均匀加热的特点。

各类烧结炉工作原理及优劣势介绍

01 真空烧结炉：

真空烧结炉的工作原理是将陶瓷材料放置在炉膛中，然后将炉膛抽成真空状态。接着，通过加热炉膛，使陶瓷材料达到高温状态，从而进行化学反应和结晶。在烧结过程中，可以通过控制温度、真空度和压力等参数，来控制陶瓷制品的质量和性能。

图. 氮化碳化硅陶瓷真空烧结炉（来源：博纳热窑炉有限公司）

具体来说，其工作原理包括以下几个步骤：

①装料：将待烧结的陶瓷材料放入炉内。

②抽真空：通过真空泵将炉内空气抽出，形成真空环境。

③加热：通过加热元件对炉膛进行加热，使陶瓷材料达到所需的高温。

④保温：在一定温度下保持一段时间，使陶瓷材料充分进行化学反应和结晶。

⑤冷却：在烧结结束后，通过冷却系统对炉膛进行冷却，使陶瓷材料逐渐冷却至室温。

在整个过程中，真空环境可以避免空气中的氧气和水分对陶瓷材料的影响，提高烧结质量和产品性能。同时，通过精确控制温度、真空度和压力等参数，可以实现对陶瓷制品的质量和性能的有效控制。

优势：

（1）在真空环境下，可以避免氧化、污染等问题，适用于高纯度、高温陶瓷材料的烧结。

（2）可以控制烧结气氛，确保烧结过程的质量和稳定性。

劣势：

（1）真空烧结炉的设备成本较高，运行和维护成本也相对较高。

（2）真空环境下的操作需要专业技术和经验，操作难度较大。

02 气氛烧结炉：

气氛烧结炉的工作原理是通过控制炉内的气氛，以实现陶瓷材料的烧结和硬化。

图. 700度气氛烧结炉（来源：科晶真空科技）

先进陶瓷气氛烧结炉通常包含加热装置、压力机构、烧结室和气体控制系统等部分。在烧结过程中，首先将陶瓷材料放入炉内，然后通过加热装置将炉内温度升高到所需温度。同时，通过气体控制系统控制炉内的气氛，例如氮气、氩气等，以保持适宜的烧结环境。

在高温和适宜的气氛下，陶瓷材料中的粉粒会不断进行物质迁移，晶界随之移动，气孔逐步排出，产生收缩，使坯体成为具有一定强度的致密的瓷体。这个过程可以通过控制加热温度、压力和气氛等因素来控制陶瓷制品的质量和性能。

主要包括以下几个步骤：

①加热：气氛烧结炉通常采用电阻加热元件或者感应加热系统，通过电流经过导体产生热能，使炉膛温度升高。

②气氛控制：为了保持炉内温度恒定且符合烧结过程的需求，配备了热控制系统。该系统通常包括温度传感器、控制器和加热元件。温度传感器监测炉膛内的温度变化，并将信号传递给控制器。控制器根据预设的温度参数，通过调节加热元件的功率来维持炉内温度稳定。同时，炉内气氛需受严格控制，以使烧结过程处于最佳状态。

③烧结：在炉内温度达到预设值后，开始进行烧结过程。陶瓷材料中的粉粒在高温和适宜的气氛下会发生物质迁移、晶界移动等现象，经过一段时间的烧结后，陶瓷材料逐渐致密化，成为具有一定强度的瓷体。

优势：

（1）在特定气氛下进行烧结，可以控制陶瓷材料的成分和结构，提高产品质量。

（2）对于对气氛敏感的陶瓷材料，气氛烧结炉具有独特的优势。

劣势：

（1）气氛烧结炉需要使用特定气体，对于气体供应和排放处理的要求较高。

（2）对于不同的陶瓷材料，需要调整和优化气氛成分，操作相对复杂。

03 热压烧结炉：

热压烧结炉的工作原理是利用真空环境下的高温和高压，将陶瓷粉末加热到一定温度，使其熔化并在高压的作用下融合成为固体材料。

热压烧结炉主要由炉体、加热器、压力系统和真空系统等组成。当陶瓷粉末进入烧结炉后，先经过真空系统的处理，使其处于低压状态下，然后通过加热器对其进行加热，当达到设定温度后，加压系统开始工作，对粉末进行加压处理。在高温和高压的作用下，粉末之间的空隙逐渐填满，形成致密的固态结构，最终形成具有一定机械强度和化学稳定性的陶瓷材料。

图. 真空热压烧结炉（来源：上海皓越真空设备）

工作原理包括以下步骤：

①装料：将陶瓷粉末装入炉内。

②抽真空：通过真空系统将炉内抽成真空状态，以去除炉内的气体和杂质。

③加热：通过加热器将炉内温度升高到设定温度，使陶瓷粉末熔化。

④加压：在高温状态下，通过加压系统对陶瓷粉末施加压力，使其融合成为致密的固态结构。

⑤冷却：在烧结结束后，通过冷却系统对炉膛进行冷却，使陶瓷材料逐渐冷却至室温。

在整个过程中，热压烧结炉通过控制温度、压力和气氛等参数，可以实现对陶瓷制品的质量和性能的有效控制。

优势：

（1）通过施加压力进行烧结，可以制造出结构复杂、多孔的陶瓷材料。

（2）热压烧结可以促进陶瓷材料的致密化，提高产品的强度和性能。

（3）热压烧结炉具有烧结时间短、产品性能优异、生产效率高等优点。（4）由于热压烧结是在封闭的环境中进行，可以有效地防止氧化和污染，提高产品的质量。

因此，热压烧结技术被广泛应用于各种高性能陶瓷材料的制备中。

劣势：

（1）热压烧结炉的设备成本较高，且需要专业的操作和维护。

（2）在施加压力的过程中，需要确保压力的均匀和稳定，避免产品出现缺陷。

04 微波烧结炉：

微波烧结炉的工作原理是利用微波的特殊波段与陶瓷材料的基本细微结构耦合而产生热量，使陶瓷材料在电磁场中整体加热至烧结温度，实现致密化的方法。

图. 3D打印用微波烧结炉（来源：湖南华冶微波科技）

微波烧结炉主要由微波源、加热腔和物料传送系统等组成。当陶瓷材料进入加热腔后，微波源产生的微波能量通过波导传输到加热腔中，对陶瓷材料进行整体加热。由于微波的频率与陶瓷材料的频率相匹配，所以能够高效地将电磁能转化为热能，使陶瓷材料在短时间内达到烧结温度。

与传统烧结方式相比，微波烧结具有加热速度快、温度均匀、烧结时间短、节能环保等优点。同时，由于微波烧结是在封闭的环境中进行，可以有效地防止氧化和污染，提高产品的质量。因此，微波烧结技术被广泛应用于各种高性能陶瓷材料的制备中。

工作原理包括以下几个步骤：

①装料：将待烧结的陶瓷材料放入炉内。

②抽真空：通过真空系统将炉内抽成真空状态，以去除炉内的气体和杂质。

③微波加热：通过微波源产生的微波能量对陶瓷材料进行整体加热，使其达到烧结温度。

④保温：在一定温度下保持一段时间，使陶瓷材料充分进行化学反应和结晶。

⑤冷却：在烧结结束后，通过冷却系统对炉膛进行冷却，使陶瓷材料逐渐冷却至室温。

在整个过程中，微波烧结炉通过控制微波功率、烧结时间和气氛等参数，可以实现对陶瓷制品的质量和性能的有效控制。

优势：

（1）利用微波进行加热，具有快速、均匀加热的特点，可以缩短烧结时间。

（2）微波烧结可以降低能源消耗，提高生产效率。

劣势：

（1）微波烧结炉的设备成本较高，且对微波技术的掌握要求较高。

（2）对于不同的陶瓷材料，需要调整微波功率和频率，操作相对复杂。