[发明专利]利用离心力的烧结方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种烧结方法和设备，利用这种方法和设备能够生产出一种具有致密结构(密实结构)的烧结陶瓷压块或者陶瓷膜。

背景技术

通常，由陶瓷粒子材料制成的压块，由金属粒子制成的压块或者陶瓷前体膜在任何一种环境气体(任意的环境气体)下通过高温加热而进行烧结，而不对所述压块或者薄膜施加额外的压力。此外，为了使得材料更为致密并增强它的机械、电子、磁性和光学特性，已经研究出了一种烧结技术，在该技术中，通过气体介质向用于生产由细微晶粒制成的烧结产品的材料施加一机械力或作用力。例如，众所周知的加压烧结方法和粉末冶金锻造方法。两种方法中的每一种方法均在烧结材料的同时，向材料施加一轴向机械力。在这些方法中，在烧结材料的同时，利用压杆沿材料的轴向向材料施加压力。

然而，在这些方法中，与压杆或模具接触的材料表面会被污染。从而，在烧结之后，需要对材料表面进行抛光或切削处理。因而，执行这样的工艺需要较高的生产成本。

热等静压(HIP)工艺是公知的方法，在该方法中，通过气体介质向材料施加一作用力。此外，在这种工艺中还有两种方法，也就是说，1)密封舱式HIP方法(the capsule HIP method)，其中将材料压块密封在被抽成真空的密封舱内，随后在高压气体下利用HIP工艺对材料进行加热，2)非密封舱式HIP方法，其中在高压气体下，对密度等于或大于理论密度的90％的材料进行加热。

密封舱式HIP方法的优点是，当在低温下生产致密的烧结产品时，由于高压气体的作用，烧结后的产品具有细微的粒子。然而其存在的问题是它需要额外的成本和时间，用以将材料投入到密封舱中并在以后将材料从其中取出。此外，虽然非密封舱式HIP方法具有另外一个优点，也就是说能够迅速使得大量材料的更为致密，但是它存在的问题是，必须利用额外的工序来使得材料密度等于或大于理论密度的90％，即需要一个两步式的烧结工艺。

对于生产薄膜的方法来说，依照原始材料通常可以粗略地被分成两种方法，也就是说液相方法和气相方法。具有代表性的液相方法是溶胶-凝胶方法。在这种方法中，将酚盐液体等混合到预定的成分，将由此获得的混合溶液涂敷在一单晶基片上，例如Si、SrTiO₃等，在电加热炉内对涂敷后的单晶基片进行加热，形成陶瓷膜。诸如这种溶胶-凝胶方法的液相方法的优点是，在加热之前的一个阶段内，可以准确地控制前体膜的化学成分。然而，由于液相方法要求在高温下进行加热，以便使得陶瓷膜更为致密，因而由于前体膜内的化学成分蒸发，会导致陶瓷膜的化学成分发生变化。因而，希望研究出一种在低温下能使得诸如前体膜等这样的前体膜更为致密的烧结方法。

此外，除了上述问题之外，根据所生产薄膜的材料组分和基片类型(材料类型和基片的表面粗糙度)，当对其进行加热时会在薄膜上产生裂纹等缺陷。这些在加热期间在薄膜上所产生的缺陷被认为是由于基片表面上(X-Y平面)的巨大应力所造成的，而这些巨大应力则是在加热期间由于材料体积的收缩所造成的。因此，目前的研究已经力图通过控制加热的速率等来生产致密(紧凑)的薄膜。虽然在此情况下，上述加压烧结方法和HIP方法可以被用于使得薄膜更为致密，但是由于它涉及一些问题，比如对材料进行预处理和对材料表面进行切削，因此这种方法并不总是一种合适的制备致密薄膜的工艺。

因此，希望能够研究出这样一种烧结方法和设备，该方法和设备易于生产具有紧凑(致密)结构的烧结陶瓷压块和陶瓷膜，同时却不会带来所述的问题。

发明概述

本申请的发明人已经考虑到了上述问题，并且已经认识到，本发明的主要目的在于研究一种烧结方法，当烧结一种陶瓷粒子材料压块或金属粒子材料压块，或者烧结一种陶瓷前体膜时，能够沿预定的方向将应力施加在材料上，同时又不触及到材料。经历艰难的研究，本发明人发现，通过在对工件进行加热和烘烤的同时，使得该工件高速旋转而在工件上施加一离心力，可以生产出一种致密的烧结陶瓷压块、致密的烧结金属压块或者致密的陶瓷膜，从而得到了本发明。

已经被想到用来解决上述问题的本发明是这样一种方法，即通过在进行加热和烘烤的同时向其施加离心力来对陶瓷或金属粒子材料的压块或者陶瓷前体膜进行烧结。本发明还包括有一种用于进行烧结的设备，该设备包括有加热炉；工件夹持部分，该夹持部分可旋转地安装在加热炉中用于夹持住即将被烧结的材料，以及旋转装置，该旋转装置被连接在工件夹持部分上，用于使得工件夹持部分发生转动，以便向该工件夹持部分中所夹持的材料上施加离心力。