Спекание
Спекание или фриттаж — это процесс уплотнения и образования твердой массы материала под действием тепла [1] или давления [2] без его плавления до точки разжижения .
Спекание происходит как часть производственного процесса, используемого с металлами , керамикой , пластмассами и другими материалами. Атомы в материалах диффундируют через границы частиц, сплавляя частицы вместе и создавая один сплошной кусок. Поскольку температура спекания не должна достигать точки плавления материала, спекание часто выбирают в качестве процесса формования материалов с чрезвычайно высокими температурами плавления, таких как вольфрам и молибден . Изучение спекания в металлургических процессах, связанных с порошками, известно как порошковая металлургия .. Пример спекания можно наблюдать, когда кубики льда в стакане с водой прилипают друг к другу, что обусловлено разницей температур между водой и льдом. Примерами спекания под давлением являются уплотнение снегопада на леднике или формирование твердого снежного кома путем сжатия рыхлого снега.
Материал, полученный спеканием, называется агломератом . Слово «sinter» происходит от средневерхненемецкого sinter , родственного английскому « золь ».
Спекание эффективно, когда в процессе снижается пористость и улучшаются такие свойства, как прочность, электропроводность , прозрачность и теплопроводность ; тем не менее, в других случаях может быть полезно увеличить его прочность, но сохранить его способность поглощать газ постоянной, как в фильтрах или катализаторах. В процессе обжига атомарная диффузия приводит к удалению поверхности порошка на разных этапах, начиная с образования шейки между порошками и заканчивая окончательным устранением мелких пор в конце процесса.
Движущей силой уплотнения является изменение свободной энергии из-за уменьшения площади поверхности и снижения свободной энергии поверхности за счет замены границ раздела твердое тело-пар. Он образует новые, но более низкоэнергетические границы твердого тела с полным уменьшением появления свободной энергии. В микроскопическом масштабе на перенос материала влияет изменение давления и разность свободной энергии на искривленной поверхности. Если размер частицы мал (и ее кривизна велика), эти эффекты становятся очень большими по величине. Изменение энергии намного выше, когда радиус кривизны меньше нескольких микрометров, что является одной из основных причин, по которой многие керамические технологии основаны на использовании материалов с мелкими частицами. [3]
Для таких свойств, как прочность и проводимость, площадь соединения по отношению к размеру частиц является определяющим фактором. Переменными, которые можно контролировать для любого данного материала, являются температура и начальный размер зерна, поскольку давление пара зависит от температуры. С течением времени радиус частицы и давление пара пропорциональны (p 0 ) 2/3 и (p 0 ) 1/3 соответственно. [3]
