燒結
編輯燒結或 frittage 是通過壓力或熱量壓實和形成固體材料而不將其熔化至液化點的過程。
燒結是金屬、陶瓷、塑料和其他材料制造過程的一部分。 材料中的原子擴散到粒子的邊界,將粒子融合在一起并形成一個固體。 由于燒結溫度不必達到材料的熔點,因此對于鎢、鉬等熔點極高的材料,常選擇燒結作為成型工藝。 在冶金粉末相關過程中對燒結的研究被稱為粉末冶金學。 當一杯水中的冰塊相互粘附時,可以觀察到燒結的一個例子,這是由水和冰之間的溫差驅動的。 壓力驅動燒結的例子是將降雪壓實成冰川,或者通過將松散的雪壓在一起形成堅硬的雪球。
通過燒結生產的材料稱為燒結礦。 sinter 這個詞來自中古高地德語 sinter,與英語 cinder 同源。
普通燒結
編輯當該過程減少孔隙率并增強強度、導電性、半透明度和導熱性等性能時,通常認為燒結是成功的。 在某些特殊情況下,謹慎應用燒結以提高材料的強度,同時保持孔隙率(例如,在過濾器或催化劑中,氣體吸收性是優先考慮的)。 在燒制過程中,原子擴散在不同階段驅動粉末表面消除,從粉末之間形成頸縮開始,到過程結束時最終消除小孔。
致密化的驅動力是自由能的變化,這是由于表面積的減少和通過固-氣界面的置換而降低的表面自由能。 它形成新的但能量較低的固-固界面,總自由能凈減少。 在微觀尺度上,材料轉移受到壓力變化和曲面上自由能差異的影響。 如果粒子的尺寸很小(并且它的曲率很高),這些影響的幅度就會變得非常大。 當曲率半徑小于幾微米時,能量的變化要高得多,這是許多陶瓷技術基于使用細顆粒材料的主要原因之一。
鍵合面積與粒徑之比是強度和導電性等性能的決定性因素。 為了產生所需的結合區域,溫度和初始晶粒尺寸在燒結過程中得到精確控制。 在穩定狀態下,粒子半徑和蒸氣壓分別與 (p0)2/3 和 (p0)1/3 成正比。
固態過程的動力來源是頸部和顆粒表面之間的自由能或化學勢能的變化。 這種能量通過盡可能快的方式創造了物質的轉移; 如果從顆粒體積或顆粒之間的晶界發生轉移,則顆粒數將減少并且孔隙將被破壞。 在具有許多大小均勻的孔隙的樣品中,孔隙消除速度最快,因為邊界擴散距離最小。 在該過程的后半部分,邊界和邊界的晶格擴散變得很重要。
溫度控制對燒結過程非常重要,因為晶界擴散和體積擴散在很大程度上取決于溫度、顆粒尺寸、顆粒分布、材料組成,通常還取決于燒結環境本身的其他特性。
陶瓷燒結
編輯燒結是用于制造陶器和其他陶瓷物品的燒制過程的一部分。 這些物體由玻璃、氧化鋁、氧化鋯、二氧化硅、氧化鎂、石灰、氧化鈹和氧化鐵等物質制成。 有些陶瓷原料對水的親和力和塑性指數都比粘土低,需要在燒結前階段添加有機添加劑。 通過粉末燒結制造陶瓷物品的一般程序包括:
與相變、玻璃化轉變和熔點相關的所有特征溫度,發生在特定陶瓷配方(即尾巴和玻璃料)的燒結周期中,可以通過觀察光學膨脹期間的膨脹溫度曲線輕松獲得。
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