从本质上讲，玻璃烧结是一种制造工艺，它利用热量和通常的压力将玻璃粉末转化为固体、致密的物体。关键在于，这是在低于玻璃完全熔点的温度下实现的，这使得单个颗粒在其接触表面熔合在一起，而不是变成液体。
烧结和熔化之间的根本区别在于控制。烧结不是使整个材料液化，而是利用受控的热量来促进玻璃颗粒表面原子的键合，系统地消除颗粒之间的空隙，形成固体结构。
基本目标：从粉末到固体
烧结的主要目标是致密化。该过程从一堆松散的玻璃颗粒开始，颗粒之间存在大量的空隙，即孔隙率。目标是消除这种孔隙率，并形成一个连贯的固体部件。
“生坯”体
该过程首先将玻璃粉末塑造成所需的初步形状。这通常是通过将粉末与临时的粘合剂（如聚合物或蜡）混合来实现的，该粘合剂将颗粒粘合在一起。这种初始的、易碎的形状被称为“生坯”体。
热量和原子扩散的作用
当生坯体被加热时，粘合剂会烧掉。随着温度的持续升高，它提供了足够的能量使玻璃颗粒表面的原子移动和扩散。这种原子扩散使得相邻的颗粒在接触点形成牢固的键，形成“颈部”。
致密化阶段
随着加热的继续，这些颈部会变宽。颗粒之间的孔隙网络开始收缩，并最终分解成孤立的小空隙。在足够的时间和温度下，这些最后的空隙被消除，部件达到其最大可能密度。
关键烧结方法学
虽然原子扩散的原理是普遍的，但驱动该过程使用的方法可能大不相同，每种方法都适用于不同的应用和材料。
固相烧结与液相烧结
最基本的区别在于颗粒的熔合方式。在固相烧结中，玻璃颗粒本身直接键合，而材料的任何部分都不会熔化。
在液相烧结中，会加入少量在烧结温度下熔化的添加剂。这种液体润湿固体玻璃颗粒，毛细作用力将它们拉在一起，从而大大加速了颗粒的重新排列和致密化。
真空烧结
此过程在高真空（例如 3 × 10⁻³ Pa）下进行。真空的主要目的是去除颗粒之间孔隙中的大气气体，如氮气和氧气。如果这些气体被困住，它们将产生内部压力，阻止孔隙完全闭合，从而导致最终产品密度较低且强度较弱。
放电等离子烧结（SPS）
SPS 是一种更先进、更快速的技术。玻璃粉末放置在石墨模具中，并通过通过它的脉冲直流电流同时压缩和加热。这会产生快速加热，甚至可能在颗粒之间产生等离子体放电，从而清洁它们的表面并促进极其快速的键合和致密化。
理解权衡：烧结与熔化
选择烧结玻璃而不是熔化它涉及明确的工程权衡。它不一定更好，而是更适合特定的目标。
优势：更低的能耗和复杂的形状
由于烧结在低于完全熔点的温度下进行，因此通常需要的能量更少。它还允许制造“净形”或近净形部件，其中初始生坯体被模制成复杂的几何形状，而通过浇铸熔融玻璃则难以或不可能实现这种形状。
优势：材料复合材料
烧结是制造玻璃基复合材料的绝佳方法。可以将熔点远高于玻璃的其他材料，如陶瓷或金属，与玻璃粉末混合，并固结成一个固体部件，而无需熔化所有成分。
局限性：残余孔隙率和透明度
烧结的主要挑战是实现 100% 的密度。即使是微量的残余孔隙率也会散射光线，降低玻璃的光学透明度。虽然 SPS 等先进方法可以实现近乎完美的密度，但传统的熔化和浇铸仍然是生产无缺陷光学元件（如透镜）的标准方法。
为您的应用做出正确的选择
您的最终目标决定了正确的制造方法。
- 如果您的主要重点是创建复杂的几何形状或多孔过滤器：烧结提供了传统熔化和浇铸无法比拟的设计自由度。
- 如果您的主要重点是最大的光学清晰度和透明度：传统熔化通常是避免残余孔隙率对光线散射影响的更可靠途径。
- 如果您的主要重点是快速生产高密度或复合材料：放电等离子烧结等先进技术提供了其他方法无法比拟的能力。
最终，了解玻璃烧结使您能够为手头的特定工程挑战选择合适的工具。
摘要表：
| 方面 | 烧结 | 传统熔化 |
|---|---|---|
| 工艺温度 | 低于熔点 | 高于熔点 |
| 主要优势 | 复杂形状、复合材料、能耗较低 | 出色的光学清晰度、高密度 |
| 关键限制 | 存在残余孔隙率的风险 | 几何复杂性受限 |
| 理想用途 | 过滤器、复杂部件、复合材料 | 透镜、窗户、光学元件 |
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