烧结

烧结或 frittage 是通过压力或热量压实和形成固体材料而不将其熔化至液化点的过程。

烧结是金属、陶瓷、塑料和其他材料制造过程的一部分。 材料中的原子扩散到粒子的边界，将粒子融合在一起并形成一个固体。 由于烧结温度不必达到材料的熔点，因此对于钨、钼等熔点极高的材料，常选择烧结作为成型工艺。 在冶金粉末相关过程中对烧结的研究被称为粉末冶金学。 当一杯水中的冰块相互粘附时，可以观察到烧结的一个例子，这是由水和冰之间的温差驱动的。 压力驱动烧结的例子是将降雪压实成冰川，或者通过将松散的雪压在一起形成坚硬的雪球。

通过烧结生产的材料称为烧结矿。 sinter 这个词来自中古高地德语 sinter，与英语 cinder 同源。

当该过程减少孔隙率并增强强度、导电性、半透明度和导热性等性能时，通常认为烧结是成功的。 在某些特殊情况下，谨慎应用烧结以提高材料的强度，同时保持孔隙率（例如，在过滤器或催化剂中，气体吸收性是优先考虑的）。 在烧制过程中，原子扩散在不同阶段驱动粉末表面消除，从粉末之间形成颈缩开始，到过程结束时最终消除小孔。

致密化的驱动力是自由能的变化，这是由于表面积的减少和通过固-气界面的置换而降低的表面自由能。 它形成新的但能量较低的固-固界面，总自由能净减少。 在微观尺度上，材料转移受到压力变化和曲面上自由能差异的影响。 如果粒子的尺寸很小（并且它的曲率很高），这些影响的幅度就会变得非常大。 当曲率半径小于几微米时，能量的变化要高得多，这是许多陶瓷技术基于使用细颗粒材料的主要原因之一。

键合面积与粒径之比是强度和导电性等性能的决定性因素。 为了产生所需的结合区域，温度和初始晶粒尺寸在烧结过程中得到精确控制。 在稳定状态下，粒子半径和蒸气压分别与 (p0)2/3 和 (p0)1/3 成正比。

固态过程的动力来源是颈部和颗粒表面之间的自由能或化学势能的变化。 这种能量通过尽可能快的方式创造了物质的转移； 如果从颗粒体积或颗粒之间的晶界发生转移，则颗粒数将减少并且孔隙将被破坏。 在具有许多大小均匀的孔隙的样品中，孔隙消除速度最快，因为边界扩散距离最小。 在该过程的后半部分，边界和边界的晶格扩散变得很重要。

温度控制对烧结过程非常重要，因为晶界扩散和体积扩散在很大程度上取决于温度、颗粒尺寸、颗粒分布、材料组成，通常还取决于烧结环境本身的其他特性。

烧结是用于制造陶器和其他陶瓷物品的烧制过程的一部分。 这些物体由玻璃、氧化铝、氧化锆、二氧化硅、氧化镁、石灰、氧化铍和氧化铁等物质制成。 有些陶瓷原料对水的亲和力和塑性指数都比粘土低，需要在烧结前阶段添加有机添加剂。 通过粉末烧结制造陶瓷物品的一般程序包括：

• 混合水、粘合剂、反絮凝剂和未烧制的陶瓷粉末以形成浆料
• 喷雾干燥浆料
• 将喷雾干燥的粉末放入模具中并压制以形成生坯（未烧结的陶瓷制品）
• 低温加热坯体，烧掉粘合剂
• 在高温下烧结以将陶瓷颗粒熔合在一起。

与相变、玻璃化转变和熔点相关的所有特征温度，发生在特定陶瓷配方（即尾巴和玻璃料）的烧结周期中，可以通过观察光学膨胀期间的膨胀温度曲线轻松获得。