介紹
無壓燒結設備簡單、易於工業化生產，是最基本的燒結方法。這種方法也被廣泛地套用於納米陶瓷的燒結，主要通過燒結制度的選擇來達到在晶粒生長最少的前提下使坯體實現緻密化。因為在燒結過程中，顆粒粗化（Coarsening）、素坯緻密化（Densification）、晶粒生長（Grain Growth）三者的活化能不相同的依賴關係，即顆粒粗化、素坯緻密化、晶粒生長三者主要在不同的溫度區間進行、利用這種關係，就可通過燒結溫度的控制，獲得緻密化速率大、晶粒生長較慢的燒結條件。燒結制度的控制，主要是控制升（降）溫速度、保溫時間及最高溫度等。最常用的無壓燒結為等速燒結。
在無壓燒結中，由於只有溫度制度是可控制的因素，故對材料燒結的控制相對比較困難，緻密化過程受到粉體性質、素坯密度等因素的影響十分嚴重。
無壓燒結主要採用電加熱法。電加熱發熱體根據不同要求有三種：耐熱合金電阻絲，最高加熱溫度1100℃，一般使用溫度≤1000℃；碳化矽電阻棒，加熱最高溫度1550℃，一般使用溫度≤1450℃，二矽化鉬電阻棒，在氧化性氣氛中最高使用溫度1700℃，一般使用溫度≤1600℃，在還原性氣氛中1700℃可較長時間使用；石墨發熱體在非氧化性氣氛中可使用最高溫度達2000℃。
無壓燒結法是一種最基本的燒結方式。這種方法不僅簡單易行，而且適用於不同形狀、大小物件的燒制，溫度制度便於控制。正是由於在無壓燒結過程中，對燒結緻密化過程的控制手段只有溫度及升溫速度兩個參數，故對燒結過程中物體的緻密化過程、顯微結構發育等的研究最具意義，研究得最為活躍。無壓燒結性能的優劣也與素坯的性質，或者說粉體性質密切相關。因而使用這種燒結方法，要獲得良好的燒結體（高密度、晶粒細、可控缺陷），必須對整個粉料製備、表征過程、成型過程和燒結過程作詳細研究。
原理及過程
無壓燒結的原理是：在無外界壓力條件下，將具有一定形狀的坯體放在一定溫度和氣氛條件下經過物理化學過程變成緻密、體積穩定、具有一定性能的固結緻密塊體的過程。無壓燒結是通過粉末顆粒間的黏結完成緻密化過程，其驅動力主要是孔隙表面自由能的降低。
因此，緻密化過程也就是粉體壓製件（生坯）中孔表面積的減小過程，當然也就是孔體積的減小過程。對於金屬粉體的壓製件，由於金屬顆粒在壓制過程中能產生變形，所以可以直接達到90%的緻密度，此時需要除去的孔隙率已經非常小了，只需要在一個很低的溫度下燒結一段時間就可以消除殘餘的孔隙度並建立起共格晶界。燒結過程是否完成可以通過監測樣品的硬度來判斷。當金屬晶粒大於10nm時，硬度一開始會隨著燒結的進行而增加，生坯建立起真實固體的微結構特徵。當硬度開始減小時，說明晶粒開始生長，再延長燒結已無意義。遺憾的是，對納米晶金屬，其燒結機理的研究還未見有文獻報導。
納米晶陶瓷能壓緊的程度遠低於納米晶金屬，因此要使它們達到足夠的緻密度需要進行很好的燒結。所以，對納米晶陶瓷燒結過程的研究就要深入得多。燒結過程中納米晶陶瓷的緻密化所遵循的規律與傳統陶瓷的燒結過程一般不同，緻密化過程包括三個階段。
1.相鄰顆粒的接觸點上出現瓶頸生長。
2.陶瓷呈海綿狀結構，管狀孔道形成巨大網路，孔口一直開到陶瓷樣品的外表面上。隨著管狀孔收縮，其直徑越來越小，緻密化不斷進行，大部分的緻密化就是在這一階段完成的。一旦這些孔的長徑比足夠大，它們就變得很不穩定，從而斷開形成孤立的、封閉的球形孔。
3.封閉的孔消失，完成燒結過程的最後階段。下圖為三個燒結階段的示意圖。
納米晶陶瓷燒結階段碳化矽陶瓷
碳化矽的無壓燒結可以分成固相燒結與液相燒結二種。固相燒結是美國科學家Prochazka於1974年首先發明。他在亞微米級的β-SiC中添加少量的B與C，實現SiC無壓燒結，製得接近理論密度95%的緻密燒結體。以後的許多研究表明B與B的化合物和Al與Al的化合物均可以與SiC形成固溶體而促進燒結。碳的加入是與SiC表面的SiO反應增加表面能均對燒結有利。固相燒結的SiC，晶界較為“乾淨”，基本無液相存在，晶粒在高溫下很易長大。因此斷裂時是穿晶斷裂，它們強度與斷裂韌性一般都不高，在300~450MPa與3.5~4.5MPa·m。但它晶界較為“乾淨”，高溫強度並不隨溫度的升高而變化，一般能用到1600℃，強度不發生變化。在固相燒結中SiC-AlN系統很值得注意，由於它具有良好的電阻與導熱性，有可能是一種廉價的大規模積體電路的基板材料。
碳化矽的液相燒結是美國科學家Mulla.M.A於九十年代初解決的。它的主要燒結添加劑是YO-AlO。根據其相圖可知，存在三個低共熔化合物，YAG（YAlO，熔點1760℃），YAP（YAlO，熔點為1850℃），YAM（YAlO，熔點為1940℃）。為了降低燒結溫度一般採用YAG為SiC的燒結添加劑。當YAG的組成達到質量分數為6%時，碳化矽材料已基本達到緻密化。燒結過程會發生AlO的主要組份的質量流失，使添加劑的組份達不到YAG的組成。因此應適當將AlO的組份增加，將YAG的組份變成YAG·AlO，此時材料的相對密度從98%提高到99%，幾乎完全緻密。材料的強度從600MPa提高到707MPa。斷裂韌性從8.1MPa·m提高到10.7MPa·m。此結果非常引人注目。它的出現更開拓了無壓燒結SiC的新套用面，尤其是性能要求較高的工況。
無壓燒結碳化矽力學性能與添加劑、燒結溫度、顯微結構的不同而有差異,具體見表。
不同添加劑的無壓燒結碳化矽的性能