引言

氮化铝陶瓷具有高强度、高硬度、高耐磨、耐高温、耐腐蚀等优良特性，常被用作精密铸造工艺中的催化剂和耐火材料。由于氮化铝陶瓷的特殊性质，在制备过程中对烧结设备提出了较高的要求。在传统的烧结工艺中，氮化铝陶瓷一般是使用高温电阻炉进行高温烧结，而这种方法存在着工艺复杂、效率低和成本高等缺点。为了满足氮化铝陶瓷的烧结要求，本文提出了一种高温烧结设备的设计方案，并进行了验证。该设计采用可拆卸式炉门结构，可根据实际需求来进行调节尺寸大小，并可根据用户需要实现自动化控制。

一、相关技术和设备

1.1 高温烧结工艺简介

1.1.1 高温烧结原理

烧结是指利用粉体的热分解或氧化，在一定温度下，使粉体材料或化合物中的晶相发生转变，由固态转化为液态或气态。反应式如下：

高温烧结过程中，陶瓷烧结时，粉体材料（固体粉末）会在高温下分解或氧化。氧化后的粉体材料具有以下几个特性：（1）在高温下会发生分解反应。（2）陶瓷粉体会发生氧化反应。

在实际生产中，为了使氮化铝陶瓷得到良好的烧结效果，需要根据实际情况对氮化铝陶瓷进行高温烧结处理。高温烧结后，氮化铝陶瓷具有以下几个特性：

1.1.2 高温烧结工艺参数

在实际生产中，要想对氮化铝陶瓷进行高温烧结处理，需要满足一定的工艺条件。这些工艺条件包括：（1）烧结温度；（2）烧结时间；（3）保温时间。

氮化铝陶瓷的高温烧结设备主要包括以下几种：（1）真空烧结：真空状态下，氮化铝陶瓷会发生分解反应，在高温下分解为α-Al2O3、γ-Al2O3等；（2）常压烧结：常压状态下，氮化铝陶瓷在较低的温度下也会发生分解反应，在高温下，会发生氧化反应；（3）热压烧结是以液态的氧化铝为原料，在高压、高温的作用下使其与氧化铝之间产生化学反应。

1.2 氮化铝陶瓷材料简介

1.2.1 氮化铝陶瓷特性

氮化铝（AlN）是一种六方晶体结构的无机化合物，密度约为4.5g/cm3,具有很高的硬度和抗弯强度，被称为“陶瓷之王”，其在高温下具有很好的化学稳定性，在1500℃时仍可保持稳定。氮化铝还具有很高的热稳定性、介电性能、机械强度等特点。在陶瓷材料中， AlN是唯一具有双折射的材料，因而被称为“光学玻璃”。AlN晶体对可见光（400~700 nm）和近红外光（850~1200 nm）的反射率高达90%以上，可用于制备光学玻璃。AlN在高温下具有高的热导率、低的热膨胀系数和耐腐蚀性，被广泛用于电子工业中。

1.2.2 氮化铝陶瓷应用领域

由于氮化铝陶瓷的硬度非常高，其加工性能非常好，因此氮化铝陶瓷被广泛应用于机械加工领域。如图1所示，在机械加工过程中，可将氮化铝陶瓷加工成各种形状，如钻头、刀具、模具等。由于氮化铝陶瓷的硬度非常高，因此在研磨、抛光等领域也有应用。此外，氮化铝陶瓷还可以用于制作传感器、换能器等元件。

1.2.3氮化铝陶瓷的应用领域氮化铝陶瓷的主要应用领域有：电子工业中的电子管、二极管、晶闸管和各种电子管；航空航天中的隔热材料、摩擦副材料和防腐蚀材料；机械工业中的机床导轨、轴承、刀具等；能源工业中的燃料电池、电加热器和热电偶等。

二、氮化铝陶瓷高温烧结设备设计

2.1 设计原理和要求

氮化铝陶瓷烧结设备以氮化铝陶瓷为原料，以高温为工艺，其加热原理是：在一定的温度下，通过氧化还原反应生成的金属铝、金属铁和氮化铝等化合物的混合物，通过机械挤压成型工艺，并经高温烧结成高强度氮化铝陶瓷制品。在烧结过程中，金属铝、金属铁和氮化铝等化合物之间发生反应生成氧化物或氮化物，同时形成各种晶体。

2.2 设计方案

根据以上要求，本文采用两段式加热方式，即第一段加热方式和第二段加热方式。其中第一段为辐射加热，通过高温辐射实现对陶瓷坯体的加热；第二段为传导加热，通过传导的方式实现对陶瓷坯体的加热。

根据氮化铝陶瓷的烧结温度范围，本文采用两段式加热处理技术，即第一段高温辐射加热处理和第二段传导加热处理相结合，具体工艺流程如下：

第一段高温辐射加热处理主要是将氮化铝陶瓷坯体均匀升温至1200℃~1900℃，以提高坯体强度和密度；第二段传导加热处理主要是在第一段低温辐射的基础上对坯体进行保温处理，以提高坯体的烧结性能。

2.3 设计验证方案

设备主要包括加热装置、控制系统和烧结装置，其结构图如下：

该设备设计完成后，首先进行了初步的加工和组装，然后进行了工艺参数的测试，包括温度曲线的测试、加热速度测试、压力测试、功率测试等，同时在此基础上，对设备的性能进行了检验。结果表明：该设备可满足氮化铝陶瓷的烧结温度范围（1200℃~1900℃）要求，同时该设备还具有良好的密封性、温度均匀性。另外，该设备在工作时的压力控制范围为10 MPa~50 MPa，能够满足用户对氮化铝陶瓷的压力控制要求。

三、实验验证和结果分析

3.1 实验条件和方法

（1）设备尺寸为：长×宽×高=600 mm×300 mm×500 mm；（2）原料配方为：Al2O3质量分数为35%，氧化锆质量分数为35%，氮化铝质量分数为5%；（3）烧结温度为1 600℃，保温时间为30 min；（4）原料粒度最大粒径为40μm，粒度分布范围在0.5~1μm之间。将Al2O3、氧化锆和氮化铝分别加入到成型模具中，压制成200 mm×100 mm的坯体。在烧结炉中，将坯体加热到1 600℃后保温30 min，然后在真空压力机上加压至1 MPa后，放入高温炉中烧结。

3.2 实验结果分析

使用上述烧结设备，在1 600℃下进行氮化铝陶瓷的烧结，烧结后的样品如图6所示。从图6中可以看出，随着烧结温度的升高，样品的致密度明显增大，当烧结温度达到1 600℃时，样品的密度达到最大值。从图6中还可以看出，在1 600℃下进行氮化铝陶瓷的烧结，样品出现了较明显的开裂现象，说明1 600℃是氮化铝陶瓷的最佳烧结温度。当温度达到1 600℃时，氮化铝陶瓷出现了较明显的开裂现象，这是由于氮化铝陶瓷在高温下进行氧化反应，造成样品内部出现裂纹。同时氮化铝陶瓷在1 600℃下进行烧结时，还出现了较大的体积收缩率。

结论

本文针对氮化铝陶瓷高温烧结设备，提出了一种用于氮化铝陶瓷高温烧结的整体结构设计，并通过实验验证了其可行性。本设计采用了三个加热模块，通过加热模块的设置，实现了对氮化铝陶瓷材料的快速加热。同时采用了双通道进料和双通道出料结构设计，提高了物料的装载量。此外，设计了一套基于 PLC控制的高温烧结炉控制系统，实现了对温度和压力的精确控制。

参考文献

[1]高可靠性氮化铝基功率负载加工工艺研究[J]. 徐亚新;赵飞;何超;龚孟磊;庄治学;梁广华.电子工艺技术,2020(02)

[2]氮化铝陶瓷烧结炉温度均匀性对烧结产品质量影响的研究[J]. 王磊.电子工业专用设备,2010(06)