6.1  激光燒結(jié)合成陶瓷工藝
　　6.1.1激光燒結(jié)合成陶瓷概述
　　陶瓷是由無(wú)機(jī)化合物粉料經(jīng)高溫?zé)�結(jié)而成，以多晶聚集體為基本結(jié)構(gòu)的固體物質(zhì)。功能陶瓷則是特指利用材料的電、磁、光、聲、熱等直接性能或其耦合效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)某種使用功能的一類新型陶瓷。陶瓷燒結(jié)中，粉末壓制品或多晶混合物需在高溫條件下經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理一化學(xué)過(guò)程，達(dá)到密度增大和氣孔率降低的致密化目的。致密度是影響功能陶瓷物理性能的重要因素，如介電陶瓷致密度的提高有利于增強(qiáng)其介電常數(shù)，而對(duì)于透明陶瓷，致密度更是影響其透光性的重要因素。常規(guī)陶瓷固相燒結(jié)的傳質(zhì)過(guò)程僅通過(guò)固態(tài)的表面、界面或體內(nèi)擴(kuò)散來(lái)完成，不涉及氣態(tài)或液態(tài)傳質(zhì)。對(duì)于具有很大晶格能和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)的高熔點(diǎn)陶瓷，質(zhì)點(diǎn)遷移需要較高的激活能才能進(jìn)行，因此高熔點(diǎn)陶瓷的致密燒結(jié)往往具有較大的難度。
　　傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)方法有熱壓燒結(jié)、等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)等，但自20世紀(jì)80年代初日本學(xué)者奧富衛(wèi)開(kāi)創(chuàng)大功率CO2激光非平衡態(tài)下合成陶瓷的新方法以來(lái)，該方法由于有燒結(jié)周期短、可避免外來(lái)雜質(zhì)引入、可獲得平衡相圖中沒(méi)有的新相等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛而深入的研究。激光燒結(jié)陶瓷技術(shù)中的輻照件一般是由粉末壓制而成的陶瓷素坯，表面缺陷和粗糙程度遠(yuǎn)大于金屬材料，因而對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)的激光具有較高的吸收率。當(dāng)激光照射到陶瓷素坯表面時(shí)，高效的能量吸收使得表層溫度快速升高，引起表面焓的迅速增加。捕獲了大量光子能量的微觀粒子以較快的速度被激發(fā)到高能態(tài)，粒子能量的增加加劇了熱運(yùn)動(dòng)的程度，熱運(yùn)動(dòng)的不平衡又通過(guò)粒子間的相互碰撞產(chǎn)生能量交換，熱能主要通過(guò)高溫向低溫的熱擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)新的平衡。大多數(shù)陶瓷材料在可見(jiàn)和紅外波段內(nèi)都有較長(zhǎng)的光子平均自由程，尤其是在T〉1000℃的高溫條件下，從而保證了較高的能量傳遞效率和足夠的燒結(jié)動(dòng)力。ZrO2、HfO2和Y2O3是典型的高熔點(diǎn)陶瓷，熔點(diǎn)高于2000度。1984年，日本學(xué)者Okutomi等用大功率CO2激光燒結(jié)得到的高密度三元系結(jié)構(gòu)陶瓷，硬度可以達(dá)到180MPa。采用激光束取代常規(guī)陶瓷燒結(jié)技術(shù)中的寬帶加熱源，能源利用率高，尤其適用于高熔點(diǎn)材料的制備和改性。燒結(jié)效果既取決于激光的功率密度、光強(qiáng)分布、輻照時(shí)間等激光工藝參數(shù)，也取決于被輻照材料的物理性能，如材料對(duì)激光的吸收系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容以及材料的相變溫度、熔化溫度和密度等。