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使用者:SzMithrandir/訳/sintering

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通過燒結產生的熟料結節

燒結（英語：sintering）是通過加熱[1]或壓力[2]壓實和形成固體物質而不將其熔化到液化點的過程。

燒結在礦物沉積物中自然發生，或作為與金屬，陶瓷，塑料和其他材料一起使用的製造工藝發生。材料中的原子擴散穿過粒子的邊界，將粒子融合在一起並形成一個實心片。因為燒結溫度不必達到材料的熔點，所以通常選擇燒結作為具有極高熔點的材料如鎢和鉬的成形方法。冶金粉末相關工藝中的燒結研究稱為粉末冶金。當一杯水中的冰塊彼此粘附時，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。壓力驅動燒結的實例是將降雪壓縮到冰川，或通過將鬆散的雪壓在一起形成硬雪球。

「sinter」這個詞來自中古高地德語sinter，是英語中「cinder」（煤渣）的同源詞。

一般燒結

 
燒結工具和燒結部件的橫截面

當該工藝降低孔隙率並增強諸如強度、導電性、半透明性和導熱性等性能時，燒結是有效的。然而，在其他情況下，增加其強度但保持其氣體吸收性在過濾器或催化劑中可能是有用的。在燒制過程中，原子擴散在不同階段驅動粉末表面消除，從粉末之間的頸部形成開始到在工藝結束時最終消除小孔。

緻密化的驅動力是通過更換固體-蒸汽界面，表面積減小和表面自由能降低引起的自由能的變化。它形成新的但能量較低的固-固界面，自由能源總量減少。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。如果顆粒的尺寸很小（並且其曲率很高），則這些效應的幅度變得非常大。當曲率半徑小於幾微米時，能量的變化要高得多，這是許多陶瓷技術基於使用細顆粒材料的主要原因之一。[3]

對於諸如強度和導電性的性質，與粒度相關的粘合面積是決定因素。對於任何給定材料可以控制的變量是溫度和初始晶粒尺寸，因為蒸汽壓力取決於溫度。隨着時間的推移，顆粒半徑和蒸氣壓分別與(p0)2/3和(p0)1/3成比例。[3]

固態過程的能量來源是頸部和顆粒表面之間的自由或化學勢能的變化。這種能量通過儘可能快的方式產生材料轉移;如果從粒子體積或粒子之間的晶界發生轉移，則會有粒子減少和孔隙破壞。對於具有許多均勻尺寸和較高孔隙率的孔的試驗，孔隙消除發生得更快，其中邊界擴散距離較小。對於該過程的後面部分，來自邊界的邊界和晶格擴散變得重要。[3]

溫度控制對燒結過程非常重要，因為晶界擴散和體積擴散嚴重依賴於溫度，材料顆粒的尺寸和分布，材料組成以及通常要控制的燒結環境。[3]

陶瓷燒結

燒結是用於製造陶器和其他陶瓷物體的燒制過程的一部分。這些物體由諸如玻璃，氧化鋁，氧化鋯，二氧化硅，氧化鎂，石灰，氧化鈹和氧化鐵的物質製成。一些陶瓷原料對水的親和力較低，塑性指數低於黏土，在燒結前的階段需要有機添加劑。通過燒結粉末製造陶瓷物體的一般程序包括：

  • 混合水，粘合劑，抗絮凝劑和未燒制的陶瓷粉末形成漿料；
  • 噴霧乾燥漿料；
  • 將噴霧乾燥的粉末放入模具中並按壓以形成生坯（未燒結的陶瓷物品）；
  • 在低溫下加熱生坯以燒掉粘合劑；
  • 在高溫下燒結以將陶瓷顆粒熔合在一起。

通過在光學膨脹​​計熱分析期間觀察膨脹-溫度曲線，可以容易地獲得在特定陶瓷製劑（即，尾部和玻璃料）的燒結循環期間發生的與相變，玻璃化轉變和熔點相關的所有特徵溫度。事實上，燒結與材料的顯着收縮有關，因為玻璃相一旦達到其轉變溫度就會流動，並開始鞏固粉末狀結構並顯着降低材料的孔隙率。

燒結在高溫下進行。另外，可以使用第二和/或第三外力（例如壓力，電流）。常用的第二外力是壓力。因此，僅使用溫度進行的燒結通常稱為「無壓燒結」。使用分級金屬-陶瓷複合材料，納米顆粒燒結助劑和整體成型技術，無壓燒結是可能的。用於3D形狀的變體稱為熱等靜壓。

為了在燒結過程中有效地將產品堆疊在爐子中並防止部件粘在一起，許多製造商使用陶瓷粉末分離器板分離器皿。這些板材有各種材料，如氧化鋁，氧化鋯和氧化鎂。它們還按細，中和粗粒度分類。通過使材料和顆粒尺寸與正在燒結的器皿相匹配，可以減少表面損壞和污染，同時最大化爐負載。

燒結金屬粉末

 
鐵粉

大多數（如果不是全部）金屬都可以燒結。這特別適用於在真空中生產的純金屬，其沒有表面污染。在大氣壓下燒結需要使用保護氣體，通常是吸熱氣體。燒結，隨後的再加工，可以產生大範圍的材料特性。密度，合金或熱處理的變化可以改變各種產品的物理特性。例如，對於較低的燒結溫度，燒結鐵粉的楊氏模量En對原始粉末中的燒結時間，合金化或粒度保持稍微不敏感，但取決於最終產品的密度：

 

其中D 是密度，E 是楊氏模量，d 是鐵的最大密度。

當在某些外部條件下金屬粉末可能表現出聚結時，燒結是靜止的，並且當除去這些條件時，燒結恢復到其正常行為。在大多數情況下，隨着材料流入空隙，顆粒集合的密度增加，導致總體積減小。在燒結過程中發生的質量運動包括通過重新包裝減少總孔隙率，然後是由於蒸發、擴散和凝結導致的材料運輸。在最後階段，金屬原子沿着晶體邊界移動到內部孔的壁，從物體的內部主體重新分布質量並使孔壁平滑。表面張力是這種運動的驅動力。

特殊形式的燒結（其仍被認為是粉末冶金的一部分）是液態燒結，其中至少一種但不是所有元素都處於液態。製造硬質合金或碳化鎢需要液態燒結。

特別是燒結青銅經常用作軸承的材料，因為其孔隙率允許潤滑劑流過​​它或保持在其中。燒結銅可用作某些類型的熱導管結構中的芯吸結構，其中孔隙率允許液體試劑通過毛細作用移動通過多孔材料。對於具有高熔點的材料，例如鉬，鎢，錸，鉭，鋨和碳，燒結是少數可行的製造工藝之一。在這些情況下，非常低的孔隙率是理想的並且通常可以實現。

燒結的金屬粉末被用來製造易碎的獵槍彈，稱為破壞圓形彈藥，軍隊和特警隊使用它來迅速進入一個上鎖的房間。這些獵槍彈的設計旨在摧毀門鎖，鎖和鉸鏈，而不會因為彈跳或以致命的速度飛過門而冒生命危險。他們的工作是摧毀他們擊中的物體，然後分散成相對無害的粉末。

燒結青銅和不鏽鋼在需要耐高溫的應用中用作過濾材料，同時保持再生過濾元件的能力。例如，燒結的不鏽鋼元件用於過濾食品和藥物應用中的蒸汽，以及用於飛機液壓系統中的燒結青銅。

含有貴金屬如銀和金的粉末的燒結用於製造小型珠寶物品。

收益

粉末技術的特殊優勢包括：

  1. 原料的純度和均勻度非常高
  2. 由於更簡單的後續製造工藝（更少的步驟），因此可以保持純度
  3. 通過在輸入階段控制晶粒尺寸來穩定重複操作的細節
  4. 隔離粉末顆粒之間沒有結合接觸 - 或「夾雜物」（稱為縱梁）- 通常發生在熔化過程中
  5. 不產生形變以產生晶粒的定向伸長
  6. 能夠生產受控，均勻孔隙的材料。
  7. 能夠生產近乎淨形的物體。
  8. 能夠生產不能通過任何其他技術生產的材料。
  9. 能夠製造渦輪葉片等高強度材料。
  10. 燒結後，處理的機械強度變高。

該文獻包含許多關於燒結異種材料的參考文獻，以在加工階段生產固/固相化合物或固體/熔體混合物。幾乎任何物質都可以通過化學，機械或物理方法以粉末形式獲得，因此基本上任何材料都可以通過燒結獲得。當純元素燒結時，剩餘的粉末仍然是純淨的，因此可以回收利用。

缺點

粉末技術的特殊缺點包括：

  1. 100%燒結（鐵礦石）不能在高爐中加入。
  2. 通過燒結，不能產生均勻的尺寸。
  3. 在燒結之前產生的微米和納米結構經常被破壞。

塑料燒結

通過燒結形成塑料材料，用於需要特定孔隙率材料的應用。燒結的塑料多孔部件用於過濾並控制流體和氣體流動。燒結塑料用於需要腐蝕性流體分離過程的應用中，例如白板標記中的筆尖，吸入過濾器以及包裝材料上的蓋子和襯裡的通風口[4]。燒結的超高分子量聚乙烯材料用作滑雪板和滑雪板基材。多孔質地允許蠟保留在基材的結構內，從而提供更耐用的蠟塗層。

液相燒結

對於難以燒結的材料，通常使用稱為液相燒結的工藝。液相燒結常見的材料是Si3N4，WC，SiC等。液相燒結是向粉末中添加添加劑的過程，其將在基質相之前熔化。液相燒結過程分為三個階段：

  • 重排：當液體熔化時，毛細管作用會將液體吸入孔隙中，並使顆粒重新排列成更有利的填充排列。
  • 溶液-沉澱：在毛細管壓力高（顆粒靠近在一起）的區域，原子優先進入溶液，然後在顆粒不接近或接觸的化學勢較低的區域沉澱。這稱為「接觸扁平化」。這使得系統以類似於固態燒結中的晶界擴散的方式緻密化。奧斯特瓦爾德成熟也將發生，其中較小的顆粒將優先進入溶液並在較大的顆粒上沉澱，導致緻密化。
  • 最終緻密化：固體骨架網絡的緻密化，液體從有效填充區域移動到孔隙中。

對於實際的液相燒結，主相應至少在液相中微溶，並且添加劑應在固體顆粒網絡發生任何主要燒結之前熔化，否則不會發生顆粒的重排。液相燒結成功應用於改善納米顆粒前體薄膜的薄半導體層的晶粒生長。[5]

電流輔助燒結

這些技術採用電流來驅動或增強燒結[6]。英國工程師AG Bloxam於1906年註冊了第一項使用真空直流電燒結粉末的專利。他的發明的主要目的是通過壓縮鎢或鉬顆粒來工業規模生產白熾燈的燈絲。施加的電流在減少增加燈絲髮射率的表面氧化物方面特別有效。[7]

1913年，Weintraub和Rush申請了​​一項改進的燒結方法，該方法將電流與壓力相結合。該方法的優點被證明用於難熔金屬以及導電碳化物或氮化物粉末的燒結。將起始的硼-碳或硅-碳粉末置於電絕緣管中並用兩根棒壓縮，這兩根棒也用作電流的電極。估計的燒結溫度為2000℃。[7]

在美國，燒結首先由Duval d'Adrian於1922年申請專利。他的三步工藝旨在用二氧化鋯、二氧化釷或五氧化二鉭等氧化物材料生產耐熱塊。步驟是：（i）將粉末注塑成型；（ii）在約2500℃下退火使其導電；（iii）採用Weintraub和Rush的方法進行電流加壓燒結。[7]

燒結使用通過電容放電產生的電弧來消除直流加熱前的氧化物，由GF Taylor於1932年獲得專利。這種起源的燒結方法採用脈衝或交流電，最終疊加到直流電流上。這些技術已經發展了數十年，並在640多項專利中進行了總結。[7]

在這些技術中，最着名的是電阻燒結（也稱為熱壓）和放電等離子燒結，而電燒結鍛造是該領域的最新進展。

放電等離子燒結

在放電等離子體燒結（SPS）中，同時施加外部壓力和電場以增強金屬/陶瓷粉末壓塊的緻密化。然而，在商業化之後，確定沒有等離子體，因此正確的名稱是由Lenel創造的火花燒結。電場驅動的緻密化以一種熱壓形式補充燒結，以實現比典型燒結更低的溫度和更短的時間[8]。多年來，人們推測顆粒之間存在火花或等離子體有助於燒結；然而，Hulbert及其同事系統地證明了在放電等離子體燒結過程中使用的電參數使其（高度）不太可能[9]。鑑於此，「放電等離子燒結」這一名稱已經過時。諸如「場輔助燒結技術」（FAST），「電場輔助燒結」（EFAS）和直流燒結（DCS）的術語已由燒結界實施[10]。使用DC脈衝作為電流，將產生火花等離子體，火花衝擊壓力，焦耳加熱和電場擴散效應[11]。通過改進石墨模具設計及其組裝，證明了在放電等離子燒結設備中產生無壓燒結條件。據報道，這種改進的模具設計設置可以增強傳統無壓燒結和放電等離子燒結技術的優勢[12]。

電燒結鍛造

電燒結鍛造是源自電容器放電燒結的電流輔助燒結（ECAS）技術。它被用於生產金剛石金屬基複合材料，並正在評估生產硬金屬[13]，鎳鈦合金[14]和其他金屬和金屬間化合物。它的特點是燒結時間非常短，允許機器以與壓實機相同的速度燒結。

無壓燒結

無壓燒結是在沒有施加壓力的情況下燒結粉末壓塊（有時在非常高的溫度下，取決於粉末）。這避免了最終組件中的密度變化，這在更傳統的熱壓方法中發生[15]。

粉末壓塊（如果是陶瓷）可以通過粉漿澆鑄，注塑和冷等靜壓製造。在預燒結之後，可以在燒結之前將最終的生坯加工成其最終形狀。

可以使用無壓燒結進行三種不同的加熱方案：恆定加熱速率（CRH），速率控制燒結（RCS）和兩步燒結（TSS）。陶瓷的微觀結構和晶粒尺寸可根據所用的材料和方法而變化[15]。

恆定加熱速率（CRH），也稱為溫控燒結，包括以恆定速率加熱生坯直至燒結溫度[16]。已經進行了氧化鋯實驗以優化CRH方法的燒結溫度和燒結速率。結果表明，當樣品燒結到相同密度時，晶粒尺寸相同，證明晶粒尺寸是樣品密度而不是CRH溫度模式的函數。

在速率控制燒結（RCS）中，開孔相中的緻密化率低於CRH方法中的緻密化率[16]。根據定義，開孔率相中的相對密度ρrel%低於90%。儘管這應該可以防止孔隙與晶界分離，但從統計學上證明，RCS對於氧化鋁，氧化鋯和氧化鈰樣品的晶粒尺寸不比CRH小[15]。

兩步燒結（TSS）使用兩種不同的燒結溫度。第一燒結溫度應保證相對密度高於理論樣品密度的75%。這將從身體中去除超臨界毛孔。然後將樣品冷卻並保持在第二燒結溫度直至緻密化完成。與CRH相比，TSS顯着改善了立方氧化鋯和立方鈦酸鍶的顆粒。然而，其他陶瓷材料（如四方氧化鋯和六方氧化鋁）的晶粒尺寸變化沒有統計學意義。[15]

微波燒結

在微波燒結中，有時在材料內部產生熱量，而不是通過來自外部熱源的表面輻射熱傳遞。有些材料無法耦合而其他材料表現出失控行為，因此其實用性受到限制。微波燒結的好處是可以更快地加熱小負載，這意味着達到燒結溫度所需的時間更少，所需的加熱能量更少，產品性能也得到改善。[17]

微波爐燒結失敗的原因是它一般只能燒結一個壓塊，因此除了涉及一種燒結的情況外，總體生產率差，例如藝術家。由於微波只能在具有高電導率和高磁導率的材料中穿透短距離，因此微波燒結要求樣品以粉末形式輸送，其粒徑大約在特定材料中微波的穿透深度。在相同溫度下的微波燒結過程中，燒結過程和副反應運行速度快幾倍，這導致燒結產品的不同性質。[17]

該技術被認為在維持燒結生物陶瓷中的細晶粒/納米尺寸晶粒方面非常有效。磷酸鎂和磷酸鈣是通過微波燒結技術加工的例子[18]。

緻密化，玻璃化和晶粒生長

在實踐中燒結是對緻密化和晶粒生長的控制。緻密化是降低樣品中孔隙率從而使其更緻密的行為。晶粒生長是晶界運動和奧斯特瓦爾德成熟的過程，以增加平均晶粒尺寸。許多性能（機械強度，電擊穿強度等）受益於高相對密度和小晶粒尺寸。因此，能夠在處理期間控制這些性質具有很高的技術重要性。由於粉末的緻密化需要高溫，因此在燒結過程中自然發生晶粒生長。減少這一過程是許多工程陶瓷的關鍵。

為了快速發生緻密化，必須具有（1）一定量的液相，（2）固體在液體中幾乎完全溶解，和（3）通過以下方式潤濕固體：液體。緻密化背後的能量來自位於細固體顆粒之間的液相的毛細管壓力。當液相潤濕固體顆粒時，顆粒之間的每個空間變成毛細管，其中產生顯着的毛細管壓力。對於亞微米級粒徑，直徑為0.1至1微米的毛細管對硅酸鹽液體的壓力範圍為175磅力每平方英寸（1,210千帕斯卡）至1,750磅力每平方英寸（12,100千帕斯卡），對於金屬如液體則在975磅力每平方英寸（6,720千帕斯卡）至9,750磅力每平方英寸（67,200千帕斯卡）的範圍內，例如鈷。[3]

緻密化需要恆定的毛細管壓力，其中溶液-沉澱物質轉移不會產生緻密化。為了進一步緻密化，在顆粒經歷晶粒生長和顆粒形狀變化時發生額外的顆粒運動。當液體在顆粒之間滑動並且在接觸點處增加壓力導致材料遠離接觸區域移動時，將導致收縮，從而迫使顆粒中心彼此靠近。[3]

液相材料的燒結涉及細粒固相以產生與其直徑成比例的所需毛細管壓力，並且液體濃度還必須在範圍內產生所需的毛細管壓力，否則該過程停止。玻璃化速率取決於孔徑，粘度和存在的液相量，導致整個組合物的粘度和表面張力。緻密化的溫度依賴性控制該過程，因為在較高溫度下粘度降低並增加液體含量。因此，當改變組成和加工時，會影響玻璃化過程。[3]

燒結機制

燒結通過原子擴散通過微結構而發生。這種擴散是由化學勢的梯度引起的，即原子從化學勢較高的區域移動到化學勢較低的區域。原子從一個點到另一個點的不同路徑是燒結機制。六種常見機制是：

  • 表面擴散 - 原子沿粒子表面的擴散
  • 蒸汽傳輸 - 蒸發在不同表面凝結的原子
  • 晶格從表面擴散 - 來自表面的原子通過晶格擴散
  • 來自晶界的晶格擴散 - 來自晶界的原子通過晶格擴散
  • 晶界擴散 - 原子沿晶界擴散
  • 塑性變形 - 位錯運動導致物質流動

還必須區分緻密化和非緻密化機制。以上1-3是非緻密化的[來源請求]，它們從表面取出原子並將它們重新排列到另一個表面或同一表面的一部分上。這些機制只是重新排列孔隙內的物質，不會導致氣孔收縮。機制4-6是緻密化機制[來源請求]，原子從大塊移動到孔的表面，從而消除孔隙度並增加樣品的密度。

晶粒生長

主條目：晶粒生長

晶界（GB）是相同化學和晶格組成的相鄰晶粒之間的過渡區域或界面，不與相界混淆。相鄰的晶粒不具有相同的晶格取向，因此使GB中的原子相對於晶體中的晶格移位。由於GB中原子的位置偏移，與晶粒晶格中的原子相比，它們具有更高的能量狀態。正是這種缺陷使得當人們希望微觀結構可見時選擇性地蝕刻GB是可能的[19]。

努力使其能量最小化導致微觀結構的粗化以達到樣品內的亞穩狀態。這涉及最小化其GB面積並改變其拓撲結構以最小化其能量。這種晶粒生長可以是正常的或異常的，正常的晶粒生長的特徵在於樣品中所有晶粒的均勻生長和尺寸。晶粒生長異常是指少數晶粒比其餘多數晶粒長得多。[20]

晶界能量/張力

GB中的原子通常處於比它們在塊狀材料中的等效物更高的能量狀態。這是由於它們更加拉伸的鍵，這導致了GB張力 。原子所具有的額外能量稱為晶界能量 。顆粒將希望最小化這種額外的能量，從而努力使晶界面積更小並且這種變化需要能量。[20]

「或者，換句話說，必須在晶界的平面中施加力並沿晶界區域中的線作用，以便在力的方向上延伸晶界區域。沿着所述線的每單位長度的力，即張力/應力是σGB。根據這一推理，它將遵循：

 

隨着dA的增加，沿着晶界區域的線，每單位長度的晶界面積增加。」[20][第478頁]

GB張力也可以被認為是表面原子之間的吸引力和這些原子之間的張力是由於它們在表面與原體之間存在較大的原子間距離（即表面張力）。當表面積變大時，粘合劑拉伸得更多，並且GB張力增加。為了抵消這種張力的增加，必須將原子輸送到表面，以保持GB張力恆定。原子的這種擴散解釋了液體中恆定的表面張力。那麼論證，

 

是的。另一方面，對於固體，原子向表面的擴散可能是不夠的，表面張力可隨表面積的增加而變化。[21]

對於實體，可以得出在GB面積dA變化時吉布斯自由能dG變化的表達式。dG由。給出

 

這使

 

 通常以 為單位表示，而 通常以   為單位表示，因為它們不同物理性質。[20]

機械平衡

在二維各向同性材料中，晶粒的晶界張力是相同的。這將在GB連接處給出120°的角度，其中三個晶粒相遇。這將使結構具有六邊形圖案，其是2D樣品的亞穩態（或機械平衡）。這樣做的結果是儘可能地接近均衡。邊長少於6的顆粒將彎曲GB以嘗試保持彼此之間的120°角。這導致彎曲的邊界，其曲率朝向自身。如上所述，具有六個邊的晶粒將具有直邊界，而具有多於六個邊的晶粒將具有彎曲的邊界，其曲率遠離其自身。具有六個邊界（即六邊形結構）的晶粒在2D結構內處於亞穩態（即局部平衡）[20]。在三維空間中，結構細節相似但更複雜，並且顆粒的亞穩結構是具有雙曲面的非規則的14邊多面體。在實踐中，所有晶粒陣列總是不穩定的，因此總是生長直到被反作用力阻止[22]。

晶粒力求最小化它們的能量，並且彎曲邊界具有比直邊界更高的能量。這意味着晶界將向曲率移動[需要解釋]。其結果是，具有少於6個邊的晶粒將減小尺寸，而具有多於6個邊的晶粒將增加尺寸[23]。

晶粒生長是由於原子穿過晶界的運動而發生的。凸面具有比凹面更高的化學勢，因此晶界將朝向它們的曲率中心移動。由於較小的顆粒傾向於具有較高的曲率半徑，這導致較小的顆粒使原子損失較大的顆粒並收縮。這是一個叫做奧斯特瓦爾德成熟的過程。大顆粒以小顆粒為代價而生長。

發現簡單模型中的晶粒生長如下：

 

這裡G 是最終平均晶粒尺寸，G0 是初始平均晶粒尺寸，t 是時間，m 是2和4之間的因子，K 是由下式給出的因子：

 

這裡Q 是摩爾活化能，R 是理想氣體常數，T 是絕對溫度，K0 是材料依賴因子。在大多數材料中，燒結的晶粒尺寸與分數孔隙率的反平方根成比例，這意味着孔是燒結過程中晶粒生長的最有效的阻燃劑。

減少晶粒生長

溶質離子

如果向材料中添加摻雜劑（例如：BaTiO3中的Nd），則雜質將傾向於粘附到晶界。隨着晶界試圖移動（當原子從凸面跳到凹面時），摻雜劑在晶界處的濃度變化將對邊界施加阻力。在大多數情況下，晶界周圍的溶質的原始濃度將是不對稱的。隨着晶界試圖移動，與運動相反的一側的濃度將具有更高的濃度，因此具有更高的化學勢。這種增加的化學勢將充當原始化學勢梯度的背力，這是晶界運動的原因。淨化學勢的這種降低將降低晶界速度並因此降低晶粒生長。

細小的第二相顆粒

如果將不溶於基質相的第二相顆粒以比其更細的粉末形式加入粉末中，將減少晶界運動。當晶界試圖移動經過夾雜物時，原子從一個晶粒擴散到另一個晶粒將受到不溶性粒子的阻礙。由於顆粒駐留在晶界中是有利的，並且與晶界遷移相比，它們在相反的方向上施加力。在估計這種阻力的人之後，這種效應被稱為齊納效應

 

其中r是粒子的半徑，λ是邊界的界面能，如果每單位體積有N個粒子，它們的體積分數f是

 

假設它們是隨機分布的。單位面積的邊界將與2r體積內的所有粒子相交，這是2Nr粒子。因此，與晶界單位區域相交的粒子數n為：

 

現在假設晶粒僅由於曲率的影響而生長，生長的驅動力是 其中（對於均勻晶粒結構）R近似於晶粒的平均直徑。這樣，在晶粒停止生長之前必須達到的臨界直徑：

 

這可以減少到

 

所以晶粒的臨界直徑取決於晶粒邊界處顆粒的尺寸和體積分數。[24]

還已經表明，小氣泡或空腔可以充當夾雜物

減緩晶界運動的更複雜的相互作用包括兩個晶粒的表面能和夾雜物的相互作用，並由CS Smith詳細討論。[25]

地質中的自然燒結

 
在法國Mont-Dauphin附近的Réotier的石化春天

在地質學中，當礦物彈簧引起化學沉積物或殼的沉積時，例如多孔二氧化硅的沉積，發生自然燒結。[26]

燒結礦是一種礦物沉積物，具有多孔或水泡的質地；它的結構顯示出小空腔。這些可能是硅質沉積物或鈣質沉積物。[27]

硅質燒結礦是蛋白石或無定形二氧化硅的沉積物，在溫泉和間歇泉附近表現為結殼。它有時形成錐形丘，稱為間歇錐，但也可以形成一個河階。負責沉積硅質燒結礦的主要成分是藻類和水中的其他植被。壁岩的改變也可以在火山噴氣孔附近和溫泉的較深處形成燒結。硅質燒結礦的例子是geyserite和fiorite。它們可以在許多地方找到，包括冰島、智利的El Tatio地熱田、新西蘭，以及美國的黃石國家公園和斯廷博特斯普林斯。

鈣質燒結礦也稱為凝灰岩，鈣質凝灰岩或鈣凝灰岩。與石灰華一樣，它是碳酸鈣沉積物。它們被稱為石化彈簧，在石灰岩地區很常見。他們的鈣質水沉積在周圍物體上。有苔蘚和其他蔬菜結構有助於降水，因此在腐爛之後在鈣質燒結礦中留下空洞。[27]

在土耳其棉花堡的石化泉井：

燒結催化劑

燒結是催化劑活性損失的重要原因，尤其是在負載型金屬催化劑上。它降低了催化劑的表面積並改變了表面結構[28]。對於多孔催化表面，孔可能由於燒結而坍塌，導致表面積的損失。燒結通常是不可逆的過程[29]。

小催化劑顆粒（具有最高相對表面積）和高反應溫度通常是提高催化劑反應性的兩個因素。然而，這些因素也是燒結髮生的環境[30]。特定材料也可以提高燒結速度。另一方面，通過將催化劑與其他材料合金化，可以減少燒結。特別是稀土金屬已經顯示出在合金化時減少金屬催化劑的燒結[31]。

對於許多負載型金屬催化劑，燒結在溫度超過500 °C（932 °F）時開始變得顯着[28]。在較高溫度下操作的催化劑，例如汽車上的催化轉換器，使用結構改進來減少或防止燒結。這些改進通常是由惰性和熱穩定材料如二氧化硅，碳或氧化鋁製成的載體形式[32]。

參見

  • 晶粒生長異常
  • 電容器放電燒結
  • 陶瓷工程
  • 直接金屬激光燒結
  • 能量改性水泥
  • 熔塊
  • 高溫超導體
  • 金屬粘土
  • 室溫緻密化方法
  • 選擇性激光燒結，一種快速原型技術，包括直接金屬激光燒結（DMLS）。
  • 放電等離子燒結
  • W. David Kingery，燒結方法的先驅
  • 釔安定氧化鋯

參考

  1. ^ "Sinter, v." Oxford English Dictionary Second Edition on CD-ROM (v. 4.0) © Oxford University Press 2009
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擴展閱讀

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外部連結

 
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