粉末烧结理论(powder sintering theory)

研究粉末烧结过程和致密化规律的理论。粉末烧结理论的研究围绕着两个基本问题：一是烧结的原动力或热力学问题；二是烧结的机理或动力学问题。

粉末烧结理论的研究始于19世纪20年代初期。1942年德国许蒂希(G．F．Hatting)利用物理化学研究方法测定了烧结温度对烧结体的电动势、密度、显微组织、力学性能的影响，发现烧结是一个十分复杂的过程。1945年前苏联弗仑克尔发表了关于粘性流动烧结理论的论文。1949年美国库金斯基(G．C．Kuczynski)研究了金属球与金属板烧结模型，认为烧结主要是以扩散方式进行的。他们的工作使烧结理论的研究进入了一个新的阶段。中国粉末冶金学者黄培云于1961年提出了综合作用烧结理论，认为粉末烧结是扩散、流动和物理化学反应综合作用的结果。

烧结理论都是根据单元系固相烧结建立的烧结模型而确立的。常用的烧结模型如图所示。

a                                                                                     b

c                                                                                   d

烧结热力学烧结系统自由能的降低是烧结过程的原动力，主要包括：(1)由于粉末结合面(烧结颈)的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总表面积和总表面自由能减小；(2)烧结体内部孔隙的总体积和总表面积减小；(3)粉末颗粒内晶格畸变的消除。

烧结原动力的定量分析可以从3个方面着手：(1)由两球模型(图中a)，考虑表面张力)，的作用，推导出在烧结颈表面存在一张应力一使烧结颈长大。张应力的大小与烧结颈曲率半径成反比。这说明随烧结颈长大，驱动力随之减小。(2)烧结颈表面存在张应力一，使得该处的空位浓度C。将高于无应力作用区域的空位浓度a。这样在烧结颈表面下微小区域内产生过剩空位浓度梯度，引起烧结颈表面下微小区域内的空位向烧结体内扩散，而原子则向烧结颈迁移，使烧结颈长大。(3)考虑物质表面的平衡蒸气压与其表面曲率半径有关，推导出烧结粉末颗粒球表面(凸面)与烧结颈表面(凹面)存在饱和蒸气压差，使原子从球面蒸发而在烧结颈凹面上凝聚下来引起烧结颈长大。

烧结动力学烧结理论主要是围绕这一问题进行的，都是通过模型而确定烧结过程中物质迁移方式及其速率。归纳起来主要有以下几种：(1)流动机理。认为粉末烧结时发生的粘结和烧结颈长大，是由于在表面张力作用下引起粘性流动或塑性流动的结果。前苏联弗仑克尔提出粘性流动烧结模型(图中c)，得出烧结颈半径-z的2次方与时间t成正比；美国的勒尼尔(F．V．Lenel)和安塞尔(G．S．Anse-11)提出塑性流动模型(图中6)，得出烧结颈长大遵循x⁹-t线性关系。

(2)蒸发一凝聚机理。认为粉末烧结过程中的物质迁移主要是由于粉末颗粒表面(凸面)与烧结颈表面(凹面)存在饱和蒸汽压差，使原子从颗粒表面蒸发而在烧结颈凹面上凝聚下来，使烧结颈长大。其关系是烧结颈半径z的3次方与时间成正比。

(3)扩散机理。认为粉末烧结过程中物质的迁移主要是扩散在起作用。库金斯基研究了金属球与金属板烧结模型(图中d)，得出了在不同扩散方式下烧结颈长大的特性方程。体积扩散方式下烧结颈半径x的5次方与时间t成正比；表面扩散方式时，x的7次方与t成正比；晶界扩散方式下，x的6次方与t成正比。

(4)综合作用烧结理论。由理想的烧结模型推导出来的烧结颈长大与时间的关系，虽然在一定实验条件下得到验证，但在另一些条件下与实际烧结过程存在较大的差异。反映在数学关系上，就是同一种烧结机理下，x^m-t关系中的m值不一致。这反映出实际烧结过程的复杂性。中国学者黄培云的综合作用烧结理论得出d_m-d₀/d_m-d值的双对数lnln(d_m-d₀/d_m-d)与烧结温度丁的倒数1/T成线性关系。式中如为粉末的理论密度，d₀为烧结前压坯的密度，d为烧结体的密度。用金属镍粉、钴粉、铜粉、钼粉、钽粉进行的粉末烧结实验，用钨粉进行的活化烧结实验，用铜粉、氧化铍粉进行的热压实验等数据验证，均符合得很好。