烧结的核心是由两种基本途径驱动的。它们是固态烧结，即颗粒完全在固相中结合并致密化；以及液相烧结（LPS），即形成少量液体以显著加速结合和致密化过程。这些途径中的具体机制都与原子和材料如何移动以降低系统总能量有关。
需要掌握的核心概念是，烧结不仅仅是将物质熔化在一起。它是一个由表面能降低驱动的热力学过程，其中单个材料传输机制（如原子扩散）通过消除颗粒之间的空隙来形成一个坚固、致密的物体。
核心原理：降低表面能
在深入探讨这些机制之前，理解烧结为何会发生至关重要。驱动力是热力学。
高能量的表面
细粉末集合具有巨大的表面积。表面代表一种高能量状态，因为那里的原子不像颗粒内部的原子那样完全键合。
通往低能量状态的路径
宇宙倾向于低能量状态。通过结合在一起并减少总表面积，粉末颗粒可以达到更稳定、能量更低的构型。烧结仅仅是施加热能（热量），使原子获得完成此过程所需的迁移能力。
固态烧结机制
在固态烧结中，所有材料传输都在不发生任何熔化的情况下进行。主要机制是扩散，即原子从高浓度区域向低浓度区域的净移动。
扩散：致密化的引擎
在烧结的初始阶段，颗粒接触，形成“颈部”。扩散导致原子向这些颈部移动，使其生长。原子所走的具体路径决定了结果。
关键扩散路径
- 体扩散：原子通过颗粒的晶格（本体）移动。这是致密化的主要机制，因为它将材料从颗粒中心移动到颈部，使颗粒更靠近并使部件收缩。
- 晶界扩散：原子沿着颗粒之间的界面（晶界）移动。这也是致密化的主要贡献者，并且通常比体扩散更快。
- 表面扩散：原子沿着颗粒的自由表面移动。虽然这种机制有助于颈部生长并增加部件的强度，但它不会引起致密化。它只是在表面重新排列材料，而不会使颗粒中心更靠近。
蒸发-冷凝
在一些具有高蒸气压的材料中，原子可以从颗粒表面蒸发并在颈部区域冷凝。与表面扩散一样，这种机制增强了颗粒之间的键合，但不 contributes to致密化或收缩。
液相烧结（LPS）机制
在系统中引入少量液体可以显著提高烧结速率。这发生在粉末混合物中的少量组分在烧结温度下熔化时。
液体的作用
液相润湿固体颗粒，由此产生的表面张力将颗粒拉到一起，导致快速的初始致密化。液体还充当原子的高速传输路径。
液相烧结的阶段
- 重排：当液体形成时，它允许固体颗粒相互滑动并重新堆积成更致密的排列。
- 溶解-沉淀：较小的颗粒溶解到液相中，然后沉淀到较大的颗粒上。这个过程，称为奥斯特瓦尔德熟化，增加了平均颗粒尺寸并进一步致密化材料。
- 最终阶段烧结：一旦形成刚性固体骨架，任何剩余的孔隙通过较慢的固态扩散机制消除。
一个关键的区别：机制与方法
将潜在的物理机制与用于实现烧结的工业方法混淆是至关重要的。参考文献经常将方法列为机制。
烧结机制（“如何”）
这指的是引起键合和致密化的原子级现象。正如我们所讨论的，主要机制是扩散（体扩散、晶界扩散、表面扩散）和液相传输的阶段。
烧结方法（“什么”）
这指的是用于施加热量和/或压力以驱动机制的技术或设备。例如：
- 传统烧结：在炉中加热部件。
- 微波烧结：使用微波进行快速、体积加热。
- 放电等离子烧结（SPS）：使用脉冲直流电流和压力实现极快的加热和致密化。
- 热等静压（HIP）：在高温下施加高气压以消除残余孔隙。
这些方法中的每一种都只是提供激活扩散和材料传输基本机制所需的能量。
为您的目标做出正确选择
了解机制之间的差异使您能够控制组件的最终性能，例如其密度和强度。
- 如果您的主要目标是实现最大密度：您必须促进体扩散和晶界扩散等机制，通常通过使用更高的温度、更细的粉末或热压等方法。
- 如果您的主要目标是在不收缩的情况下提高强度：您需要通过在较低温度下长时间烧结来促进非致密化机制，例如表面扩散。
- 如果您的主要目标是快速加工：液相烧结或放电等离子烧结等先进方法是理想选择，因为它们显著加速了潜在的传输机制。
通过理解这些核心原理，您可以有效地控制烧结过程，以工程出具有您应用所需精确性能的材料。
总结表：
| 机制 | 主要驱动力 | 关键结果 |
|---|---|---|
| 固态烧结 | 原子扩散 | 颗粒结合与致密化 |
| 液相烧结（LPS） | 液体形成与毛细力 | 快速致密化与强度 |
| 体/晶界扩散 | 高温 | 致密化与收缩 |
| 表面扩散 | 较低温度 | 强化（无致密化） |
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