陶瓷素坯在烧结前是由许许多多单个的固体颗粒所组成的，坯体中存在大量气孔，气孔率一般为35%~60%（即素坯相对密度为40%~65%），具体数值取决于粉料自身特征和所使用的成型方法和技术。当对固态素坯进行高温加热时，素坯中的颗粒发生物质迁移，达到某一温度后坯体发生收缩，出现晶粒长大，伴随气孔排除，最终在低于熔点的温度下（一般在熔点的0.5~0.7倍）素坯变成致密的多晶陶瓷材料，这种过程称为烧结。



图 钟罩式烧结炉

烧结是陶瓷坯体成型的最后一道工艺，陶瓷产品的性能优劣很大一部分因素是由烧结来决定的。氧化锆陶瓷要烧结地致密度高、均匀，不仅前一道加工工序脱脂环节至关重要，还受粉体、添加剂、烧结温度及时间、压力及烧结气氛等因素的影响。

在具体烧结过程中，氧化锆陶瓷坯体可能出现变形、开裂、晶粒异常长大等问题，其原因可能是哪些？下面我们就根据具体问题具体分析一下。

一、变  形

氧化锆陶瓷在烧结过程中发生变形，原因可能是粉体粒径分布过宽；粉体中添加剂的选择和添加量不合理；陶瓷的收缩不一致等。

而陶瓷的收缩不一致，有以下三方面原因：

①炉温不均匀，陶瓷坯体发生不一致的收缩；

②升温速度快，温度传导产生梯度，陶瓷坯体越靠近表层收缩越快，越中心收缩越慢。

③有密度梯度，在成型时，因为压力及填料等因素，导致坯体内部收缩比不一致。



图 氧化锆基板烧结变形，图片来自先进陶瓷及粉末冶金展

二、破  裂

烧结后的陶瓷坯体发生破裂的主要原因在于陶瓷坯体内部有缺陷，同时也与坯体收缩有关，而坯体收缩不一致的原因参见烧结变形原因分析。

当收缩不一致时，如果存在缺陷（孔洞、暗裂等），其缺陷成为断裂源，裂纹扩散导致坯体开裂。

三、晶粒异常长大

当晶粒出现异常长大时，这些过大的晶粒内往往还有大量的气孔难以再由晶粒内抵达晶界而排出，就会使陶瓷材料难以达到较高的密度，材料的许多性能恶化，特别是力学性能（断裂韧性、抗弯强度等）。

导致晶粒异常长大的主要原因有以下三点：

①原始粉料颗粒尺寸分布范围太宽，即粉料中最大颗粒大于或远大于平均颗粒晶粒尺寸的2倍；

②成型时坯体密度不均（粉体团聚、素坯压制压力有梯度、添加剂不匀），烧结发生了不均匀的致密化；

③过高的烧结温度与过长的保温时间。



图 粉体中的硬团聚（左），晶体异常长大（右）