什么是液相烧结，它与固相烧结有何不同？实现更快、更密集材料的指南

从本质上讲，液相烧结使用少量熔融的添加剂来显著加速粉末颗粒的结合，而固相烧结仅通过固体颗粒之间的原子扩散来实现这种结合。液体充当传输介质和粘合剂，使得烧结能够在比仅使用固相方法更低的温度和更短的时间内实现致密化。

在这两种工艺之间的根本选择不在于哪种更优越，而在于克服材料对致密化固有抗性的机制。液相烧结为难烧结材料提供了一种工程化的捷径，而固相烧结则提供了一条通往化学纯度的途径。

基础知识：什么是烧结？

烧结是一种热处理工艺，用于将松散的粉末压实成连贯的固体块。这是通过加热和通常施加压力来实现的，但温度低于材料的熔点。

主要目标是显著减小单个颗粒之间的多孔空间，将它们挤压在一起，直到形成致密的固体物体。

在原子层面，烧结通过促进原子的移动来实现。在高温下，原子从粉末颗粒表面迁移到它们相互接触的点。

这种原子的移动会在颗粒之间形成“颈部”或桥梁。随着这些颈部的生长，颗粒之间的孔隙收缩并最终闭合，从而形成致密的材料。

在固相烧结中，整个过程依赖于原子在固体表面上的迁移。不涉及任何液态添加剂。

将粉末压块加热到高温，原子缓慢移动以填充间隙并在相邻颗粒之间形成牢固的键合，这完全由热能和压力驱动。

由于原子通过固体扩散是一个非常缓慢的过程，固相烧结需要大量的能量。它要求高温，通常接近主要材料的熔点，并且可能需要长时间的保持时间才能实现高密度。

固相烧结的一个主要优点是化学纯度。由于不使用添加剂，最终烧结的部件仅由原始粉末材料组成。这对于痕量第二相会产生不利影响的应用至关重要。

液相烧结用于那些通过固相方法极难致密化的材料，例如那些熔点极高或扩散速率极慢的材料。

将少量具有较低熔点的第二种粉末（添加剂或“烧结助剂”）与主要粉末混合。

当混合物达到高于添加剂熔点但低于主要材料熔点的温度时，添加剂熔化并形成液体。这种液体润湿固体颗粒，强大的毛细作用力将它们拉到一起，形成更密集的堆积排列。

接下来，固体颗粒开始溶解在周围的液体中，特别是在它们之间的高应力接触点。溶解的材料通过液体传输，并在低应力空隙区域（例如颗粒之间的颈部）重新沉淀（固化）。这个过程比固相扩散快得多。

在某些先进情况下，称为瞬态液相烧结（TLPS），液体仅存在很短的时间。例如，在烧结含铜添加剂的铁时，熔融的铜会迅速扩散到固体铁颗粒中，增强它们，然后作为明显的液相消失。

液相烧结明显更快且更节能。与固相烧结缓慢、高温的要求相比，液相传输介质的存在使得在低得多的温度和更短的时间内实现致密化成为可能。

对于陶瓷、金属陶瓷（例如碳化钨-钴）和难熔金属等材料，液相烧结通常是唯一实用的选择。这些材料的熔点过高或扩散速率过低，无法进行有效的固相致密化。

这是一个关键的权衡。固相烧结产生单相、化学纯净的部件。液相烧结产生复合材料，其中包含至少两个相：主要材料和固化的液相，它保留在微观结构中（通常在晶界处）。这个第二相会改变最终的机械、热和电性能。

液相烧结中显著的材料传输可能导致更大的收缩，这必须经过仔细预测和控制。然而，像瞬态液相烧结这样的先进方法可以被设计成平衡自然收缩与膨胀，从而在加工过程中实现接近零尺寸变化的部件。

选择正确的烧结路径需要了解您的部件所需的最终性能。

了解这些基本机制，使您能够选择正确的工艺，不仅基于您正在制造的材料，还基于您需要实现的特定性能。