为什么陶瓷要使用烧结？解锁部件的强度和稳定性

从根本上说，烧结是将压实的、易碎的陶瓷粉末转变为致密、坚固且稳定的固体部件的关键过程。这种热处理在材料熔点以下进行，利用原子扩散将单个颗粒熔合在一起，消除它们之间的空间，从而形成具有特定工程特性的统一、坚固的结构。

烧结解决了陶瓷制造的基本挑战：如何在不熔化的情况下，由松散的粉末制成坚固的固体物体。它不是一个熔化过程，而是一个固态扩散过程，系统地消除孔隙率以实现强度和稳定性。

根本性的转变：从粉末到固体

要理解为什么烧结是不可或缺的，您必须首先想象材料从松散的颗粒集合体到成品、高性能陶瓷的旅程。

该过程始于将陶瓷粉末压制成所需的形状。这种初始形式被称为“生坯”（green body），它很脆弱、易碎，并且充满了颗粒之间的微小空隙或孔隙。

尽管具有正确的形状，但生坯缺乏几乎任何实际应用所需的机械强度、密度和热稳定性。

然后将生坯在炉中加热到高温，通常在陶瓷绝对熔点的 60% 到 90% 之间。

这种热量充当催化剂。它为陶瓷颗粒内的原子提供了足够的能量使其移动，但不足以使其相变为液体。

在升高的热能下，原子开始从高浓度区域（颗粒的主体）扩散到低浓度区域（颗粒之间的接触点和颈部）。这个过程称为原子扩散。

这种质量转移有效地在颗粒的接触点将它们“焊接”在一起。这些接触点增大，使颗粒中心相互靠近。

随着颗粒熔合并相互靠近，它们之间的孔隙收缩并最终被消除。这个过程称为致密化，它极大地提高了材料的密度。

熔合晶粒和任何残留孔隙的最终排列就是材料的微观结构。烧结使工程师能够精确控制这种微观结构，而微观结构反过来决定了陶瓷的最终性能。

从多孔生坯到致密烧结件的转变，正是释放出陶瓷众所周知的卓越性能的关键所在。

烧结的主要好处是机械强度和硬度的巨大提高。孔隙是天然的应力集中点和裂纹容易形成和扩展的薄弱点。

通过消除这些孔隙，烧结形成了一个坚固的、连续的结构，可以承受更高的机械载荷。

致密的烧结陶瓷在暴露于高温或腐蚀性化学物质时也更加稳定。统一的、低孔隙率的结构最大限度地减少了化学侵蚀的表面积，并提高了导热性。

烧结过程形成了一个坚固、稳定的形状，在自身重量或轻微载荷下不会变形。这确保了部件在使用过程中保持其精确的尺寸。

烧结是一个需要仔细控制的过程。最终结果对几个关键变量高度敏感，平衡它们至关重要。

控制烧结温度和持续时间至关重要。热量或时间不足会导致致密化不完全，留下多孔且脆弱的部件。

相反，过高的热量或时间可能导致晶粒长大，即较小的晶粒合并成较大的晶粒。虽然这会增加密度，但过大的晶粒会使陶瓷变脆，容易断裂。

随着致密化消除颗粒间的空隙，整个部件会收缩。这种收缩可能很大，在线尺寸上通常在 15% 到 25% 之间。

工程师必须在初始设计和模具制造阶段精确计算并考虑这种收缩，以达到最终所需的尺寸。不受控制的收缩会导致部件变形或超出规格。

控制烧结过程可以根据特定应用调整陶瓷的最终性能。

最终，烧结是释放陶瓷材料固有潜力的基本工程步骤，将其从简单的粉末转变为高度功能化、有弹性的部件。