烧结(sintering)

将粉状物料或其成形体加热至低于其主要组分熔点的温度下，为提高强度而进行的固结过程。

简史    烧结作为一种热处理工艺已有几千年的历史。在古代陶瓷生产中就已采用。但对烧结进行定量的、科学的研究是从俄国物理学家弗兰克尔1945年发表第1篇烧结理论论文开始的。后来，波兰裔美国人库斯仲斯基，美国科布尔(R．L ．Coble)与金格里(w．D．Kingery)等人都做出了重要贡献，奠定了经典烧结理论的基础。但人们至今对烧结的了解仍很不够。即使对烧结定义的看法也不尽相同。为此，国际烧结科学学会(The   International   institute。for  the   Science  of   Sintering)于1977年成立了一个专门委员会来研究烧结的定义。后来他们发表的报告指出：科学家与实际工作者对烧结的理解很不相同，需要大家进一步共同努力才能提出一个统一的、科学的定义。

烧结类型    按材料形态，烧结可分为固相烧结与液相参加下的烧结。前者指纯固体材料的烧结，后者指有液相参与下的烧结。按工艺过程分，烧结的方法很多，新方法还在不断出现。最常见的方法有：(1)等温烧结。在恒温条件下的烧结。现有许多烧结动力学模型是在这种条件下导出的。(2)非等温烧结。在非等温条件下的烧结。常见的有等速升温烧结。(3)热压烧结。被烧结料块在压力下进行的烧结。(4)热等静压烧结。料块置于高等静压条件下所进行的烧结。这种情况下料块受到来自各方向的均匀压力。(5)反应烧结。烧结与化学反应在同一过程中进行的烧结。(6)活化烧结。这是一个意义广泛的名词。按国际标准，所有被加速了的烧结均被称为活化烧结。

烧结机理    烧结的基本推动力为系统的表面能的减少，是通过物质的迁移来实现的。主要的传质形式有流动传质、固相传质、液相传质和气相传质。流动传质包括塑性流动与粘滞流动。固相、液相和气相传质的可能机理主要有扩散、溶解一沉淀和蒸发一凝聚。

按传统烧结理论，固相烧结分为三个阶段：初期、中期与后期。在烧结初期，料块颗粒间先形成接触点，物质迁移到两颗粒的凹部，逐渐形成颈部。此阶段的特点是料块颗粒与空隙都无显著变化。颈部半径与颗粒半径之比小于0．3，线收缩率小于6％。固相烧结初期阶段的扩散动力学可表示为：

式中L₀为t=0时试样长度，ΔL为烧结t时间后试样长度与L₀之差，γ为表面张力，a³为扩散空位的体积，D为扩散系数，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，r为颗粒直径。q，K₂与s为与扩散机理有关的常数。蒸发一凝聚也是早期固相烧结的一种机理。由于凸面和凹面蒸气压之差，物质从颗粒的凸表面蒸发通过气相扩散到凹表面凝结。蒸发一凝聚机理可促使料块颗粒之间的颈部形成与长大，空隙进一步变形与缩小，但仍保持连通状态。此时，烧结进入中期。在烧结中期被烧结料块颗粒大小与形状会发生较大变化，是研究烧结机理时必须考虑的重要因素。动力学模型与颗粒模型密切相关。最重要的有考波等人提出的14面体模型等。当烧结体的体积密度达到理论密度的90％以上，多数气孔已变成孤立的封闭气孔时，烧结进入后期。此时，气孔表面作为空位源，通过晶界或体积扩散而导致孤立气孔逐渐消失。同时，通过晶界移动使晶粒长大。

液相烧结的主要机理为烧结体颗粒重排与溶解一沉淀。其颗粒在表面张力的作用下通过粘性流动而重新排列。致密速度与粘性流动有关。线收缩率与烧结时间的关系为。通常y值很小。故可粗略地认为线收缩率与烧结时间t有线性关系。液相的数量、粘度与它对固相润湿程度对烧结有很大影响。若液相的量不大且对固相的润湿性很差，液相在烧结体内孤立存在，这种情况实际上为固相烧结。此外，由于表面曲率不同造成大、小颗粒在液相中溶解度的差异。此溶解度之差促使溶质从小颗粒周围向大颗粒周围扩散，并在大颗粒上沉淀下来，即所谓溶解一沉淀。液相结构、组成与性能以及固体颗粒的大小与分布是影响溶解一沉淀过程的重要因素。

影响烧结的因素     影响烧结的因素很多，主要有如下三方面：(1)颗粒的尺寸与分布以及晶体的完整程度。通常，颗粒尺寸愈小，晶体的缺陷愈多，则愈容易烧结。(2)添加物的种类与数量。添加剂的作用是与主烧结相形成固溶体活化晶体，一或生成液相而加速传质过程，还可以控制晶粒长大等。(3)烧结工艺条件。如烧结温度、升温制度与气氛、坯体密度及热压压力等因素对烧结都有很大影响。