烧结主要减少了什么？掌握孔隙率、表面积和材料性能

从根本上说，烧结主要减少了材料的孔隙率和表面积。 这是当粉末团块在低于熔点的温度下加热时发生的主要物理变化。单个颗粒相互融合，消除了它们之间的空隙（孔隙），并减少了材料的总暴露表面积。

烧结是一个由表面能降低驱动的固结过程。通过加热粉末压块，您促使颗粒结合和长大，系统地消除内部空隙，并将松散的颗粒集合转变为致密的固体物体。

烧结引起的主要减少

烧结是一个变革性的过程。它引起的减少并非偶然；它们是该过程的目的，直接导致所需的最终材料性能。

烧结过程中最显著的变化是孔隙率的降低。初始粉末压块的孔隙率可能高达 40-60%，这意味着其体积中近一半是空的空间。

随着材料被加热，原子在相邻颗粒的边界处扩散，在它们之间形成坚固的“颈部”。这些颈部生长，使颗粒更靠近，系统地闭合孔隙，从而极大地提高材料的密度。

烧结的基本驱动力是表面积的减小。细粉末相对于其质量具有巨大的表面积，这对应于高表面能的状态。

自然倾向于较低的能量状态。通过融合，小颗粒减少了它们的总表面积，就像小肥皂泡合并成更大的肥皂泡一样。这种过剩表面能的释放是整个固结过程的动力。

消除孔隙率的直接后果是收缩。当颗粒之间的空隙被消除时，整个部件会收缩，其总体积会减小。

这种收缩是制造中的一个关键因素。工程师必须将初始模具或“生坯”设计得比最终零件大，以精确补偿烧结过程中发生的尺寸变化。

孔隙率和表面积的主要减少带来了材料体积特性的其他几项重要变化。

随着相互连通的孔隙网络被封闭，材料的渗透率会显着下降。这使得液体或气体更难通过。

此特性是可控的。对于自润滑轴承等部件，会保留一些孔隙以容纳油。对于结构件，目标是通过消除尽可能多的孔隙来最小化渗透率。

对于金属粉末等导电材料，烧结通常会降低电阻率。这意味着材料成为更好的电流导体。

初始粉末压块在颗粒之间存在不良的电接触。烧结形成固体、熔合的键，为电子流动提供了更有效的路径，从而提高了导电性并降低了电阻。

虽然烧结对于从粉末制造强力材料至关重要，但该过程涉及必须仔细管理的关键权衡。

收缩是不可避免的，但可能难以完美控制。初始粉末压块中不均匀的加热或密度变化可能导致翘曲或开裂。

要实现严格的尺寸公差，需要对粉末特性、压实压力、加热速率和烧结温度进行极其精确的控制。

如果烧结温度过高或时间过长，即使在大部分孔隙消失后，晶粒仍可能继续长大。这被称为晶粒长大。

虽然高密度是理想的，但过大的晶粒通常会使材料更脆，降低其韧性和强度。理想的过程是在保持细小、坚固的晶粒结构的同时实现最大密度。

达到材料理论密度的 100% 通常是不切实际或成本过高的。几乎总会有少量残余孔隙被困在晶粒内部。

对于大多数应用来说，达到理论密度的 95-99% 就足以实现所需的机械性能。

了解烧结减少了什么，可以让你控制过程以实现特定的结果。

最终，知道烧结减少了孔隙率和表面积，就能让你有能力设计材料的微观结构以达到最佳性能。