烧结

金属和陶瓷的热压缩

烧结是一种用于金属或陶瓷材料的改性或生产工艺。对基材进行加热,将热能施加到粉末压块上。通过烧结将粉末压实,平均颗粒度增大。

烧制和烧结

热处理差异

在文献中,陶瓷的热处理有两个术语,“烧制”和“烧结”。一般来说,当加热过程中运行的过程非常复杂时,使用“烧制”一词。例如,许多传统上由粘土制成的陶瓷都是如此,但许多未定义的参数也会影响最终产品的性能。另一方面,不太复杂的案例使用“烧结”一词进行描述。这包括许多具有明确工艺条件和可控工艺参数的现代工艺。

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M.N. Rahaman, "Ceramic Processing and Sintering" 2nd edition, CRC Press, 2003, New York

烧结

材料科学与工程的基本要素

烧结被归类为材料科学与工程的四个基本要素之一。随着先进材料合成和加工的进步,烧结作为材料加工技术的重要性日益增加。不同的烧结技术和尺寸,都可能会使产品呈现出不同的微观结构和特性。同时,生产出具有可重复性和可调整微观结构的烧结产品,亦是可行的。晶粒尺寸、烧结密度和尺寸以及其他部分(包括孔隙)的分布可以通过微观结构测试来控制。1

烧结的解释方法

烧结工艺的广泛使用导致了今天的情况,即有大量不同的方法来解释烧结过程。了解烧结的一种方法是考虑烧结过程中与可控变量和工艺相关的行为或行为变化。这可以通过观察某些受控工艺条件下的烧结行为来经验性地完成,也可以通过对工艺进行理论建模来完成。过去50年进行的理论分析和实验研究使人们对烧结驱动力、烧结机理以及晶粒尺寸、温度和施加压力等主要工艺参数的影响有了全面的定性认识。然而,数据库和模型在为大多数系统提供烧结的定性描述方面不太成功。

一般来说,工艺和材料参数为理论和实验研究提供了有意义的值集。一些参数,如烧结温度、施加压力、平均晶粒尺寸和气体气氛,可以足够精确地控制。粉末和颗粒堆积的其他特性更难控制,但也对烧结有重大影响。2

固相烧结和液相烧结

烧结类别

基本上,烧结过程可分为两种类型:固相烧结和液相烧结。固相烧结发生在粉末压块在烧结温度下完全压实成固态时。相比之下,液相烧结是一种存在液相的过程。

除了固相和液相烧结外,还可以区分其他类型的烧结。例如,这些包括临时液相烧结和粘性流动烧结

当液相的体积份额足够高时,就会发生粘流烧结,从而可以简单地通过颗粒-液体混合物的流动来实现完全致密化,而不会在致密化过程中改变颗粒形状。

相比之下,临时液相烧结是液相烧结和固相烧结的结合。在这种烧结技术中,液相在烧结过程开始时形成,在过程中再次消失,从而完成压缩成固态。

烧结过程中的压缩

最佳烧结工艺参数

通常在任何工艺中,都可以通过使用更细的粉末和提高温度来增加压实度。但是如果液体量减少,则压实度会显得至关重要。而具体使用哪种工艺,取决于产品的预期性能和限制工艺的参数。

由于其便利性和原料易获得,建议使用粘流烧结。如果要求非常具体,例如产品需要在高温下承受高负荷,那么避免液相就变得尤为重要。在这种情况下,建议采用固相烧结法。鉴于对粉末质量和高温的要求不如固相烧结严格,液相烧结可视为一种折中的解决方案。在冷却结晶过程中,可通过对液相的分布、数量以及可能的均匀性进行仔细控制,来进一步改善结构。

通常,聚变的驱动力是从表面能降低的角度来考虑的。在热处理过程中,可以通过向粉末施加压力来施加额外的驱动力。这种热压技术对难以烧结的材料非常有帮助。

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[1] M.N. Rahaman, "Ceramic Processing and Sintering" 2nd edition, CRC Press, 2003, New York

[2] R.J. Brook (edt.) "Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials", Pergamon, 1991, Oxford

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