Войти
Клинкер конкреций, полученных спеканием Спекание или фриттажа - это процесс уплотнения и образования твердой массы материала под действием тепла или давления без его плавления до точки разжижения.
Спекание происходит естественным образом в месторождениях полезных ископаемых или в качестве производственного процесса, используемого для металлов, керамики, пластмасс и других материалов. Атомы в материалах диффундируют через границы частиц, сплавляя частицы вместе и создавая одну твердую деталь. Поскольку температура спекания не должна достигать точки плавления материала, спекание часто выбирают в качестве процесса формования материалов с чрезвычайно высокими температурами плавления, таких как вольфрам и молибден. Изучение спекания в металлургических процессах, связанных с порошком, известно как порошковая металлургия. Пример спекания можно наблюдать, когда кубики льда в стакане с водой прилипают друг к другу, что происходит из-за разницы температур между водой и льдом. Примерами спекания под давлением являются уплотнение снегопада до ледника или формирование твердого снежного кома путем сжатия рыхлого снега.
Слово «sinter» происходит от средневерхненемецкого sinter, родственного английского «cinder ».
Поперечное сечение инструмента для спекания и спеченной детали Спекание эффективно, когда процесс уменьшает пористость и улучшает такие свойства, как прочность, электрическая проводимость, полупрозрачность и теплопроводность ; тем не менее, в других случаях может быть полезно увеличить его прочность, но поддерживать постоянную абсорбционную способность газа, как в фильтрах или катализаторах. Во время процесса обжига диффузия атомов приводит к удалению поверхности порошка на разных этапах, начиная от образования перемычек между порошками и заканчивая окончательным удалением мелких пор в конце процесса.
Движущей силой уплотнения является изменение свободной энергии за счет уменьшения площади поверхности и уменьшения свободной энергии поверхности за счет замены границ раздела твердое тело-пар. Он образует новые, но с меньшей энергией границы раздела твердое тело-твердое тело с полным уменьшением наличия свободной энергии. В микроскопическом масштабе на перенос материала влияет изменение давления и разница в свободной энергии по изогнутой поверхности. Если размер частицы мал (и ее кривизна велика), эти эффекты становятся очень большими по величине. Изменение энергии намного выше, когда радиус кривизны меньше нескольких микрометров, что является одной из основных причин, почему большая часть керамических технологий основана на использовании материалов с мелкими частицами.
Для таких свойств Что касается прочности и проводимости, определяющим фактором является площадь склеивания в зависимости от размера частиц. Переменными, которыми можно управлять для любого данного материала, являются температура и начальный размер зерна, поскольку давление пара зависит от температуры. Во времени радиус частицы и давление пара пропорциональны (p 0) и (p 0) соответственно.
Источник энергии для твердых -состояние процессов - это изменение свободной или химической потенциальной энергии между шейкой и поверхностью частицы. Эта энергия создает передачу материала самым быстрым из возможных способов; если бы перенос происходил из объема частиц или границы зерен между частицами, то происходило бы уменьшение частиц и разрушение пор. Удаление пор происходит быстрее при испытании с множеством пор одинакового размера и более высокой пористостью, где граничное расстояние диффузии меньше. Для последних частей процесса важны граница и диффузия решетки от границы.
Контроль температуры очень важен для процесса спекания, поскольку диффузия по границам зерен и диффузия по объему в значительной степени зависят от температуры, размера и распределение частиц материала, состав материала и часто контролируемая среда спекания.
Спекание является частью процесса обжига, используемого при производстве гончарные изделия и другие керамические изделия. Эти предметы изготовлены из таких веществ, как стекло, оксид алюминия, диоксид циркония, кремнезем, магнезия, известь, оксид бериллия и оксид железа. Некоторые керамические исходные материалы имеют более низкое сродство к воде и более низкий индекс пластичности, чем глина, что требует органических добавок на стадиях перед спеканием. Общая процедура создания керамических изделий путем спекания порошков включает:
Все характеристические температуры, связанные с фазовым превращением, стеклованием и точками плавления, возникающими во время цикла спекания конкретный состав керамики (т.е. хвосты и фритты) можно легко получить, наблюдая кривые расширения-температуры во время термического анализа оптического дилатометра. Фактически, спекание связано с заметной усадкой материала, поскольку стекловидные фазы текут, как только достигается их температура перехода, и начинают консолидировать порошкообразную структуру и значительно снижать пористость материала.
Спекание выполняется при высокой температуре. Кроме того, можно использовать вторую и / или третью внешнюю силу (такую как давление, электрический ток). Обычно используемая вторая внешняя сила - это давление. Таким образом, спекание, которое выполняется только с использованием температуры, обычно называется «спеканием без давления». Спекание без давления возможно с градуированными металлокерамическими композитами с добавкой наночастиц для спекания и технологией объемного формования. Вариант, используемый для трехмерных форм, называется горячее изостатическое прессование.
. Чтобы обеспечить эффективное штабелирование продукта в печи во время спекания и предотвратить слипание деталей, многие производители разделяют изделия с помощью листов керамического порошкового сепаратора. Эти листы доступны из различных материалов, таких как оксид алюминия, диоксид циркония и магнезия. Они дополнительно делятся на мелкие, средние и крупные частицы. Подбирая материал и размер частиц для спекаемого изделия, можно уменьшить повреждение поверхности и загрязнение при максимальной загрузке печи.
Железный порошок Большинство, если не все, металлы можно спекать. Это особенно относится к чистым металлам, полученным в вакууме, которые не имеют поверхностного загрязнения. Спекание при атмосферном давлении требует использования защитного газа, довольно часто эндотермического газа. Спекание с последующей переработкой позволяет получить материалы самых разных свойств. Изменения плотности, легирования и термообработки могут изменять физические характеристики различных продуктов. Например, модуль Юнга Enспеченных порошков железа остается в некоторой степени нечувствительным к времени спекания, легированию или размеру частиц в исходном порошке для более низких температур спекания, но зависит от плотности спекания. конечный продукт:
где D - плотность, E - модуль Юнга d - максимальная плотность железа. Спекание является статическим, когда металлический порошок при определенных внешних условиях может проявлять коалесценцию, и все же возвращается к своему нормальному поведению после устранения таких условий. В большинстве случаев плотность скопления зерен увеличивается по мере того, как материал перетекает в пустоты, вызывая уменьшение общего объема. Массовые движения, которые происходят во время спекания, состоят из уменьшения общей пористости путем переупаковки с последующим переносом материала из-за испарения и конденсации из диффузии. На заключительных стадиях атомы металла перемещаются по границам кристалла к стенкам внутренних пор, перераспределяя массу от внутреннего объема объекта и сглаживая стенки пор. Поверхностное натяжение является движущей силой этого движения.
Особой формой спекания (которое до сих пор считается частью порошковой металлургии) является спекание в жидком состоянии, при котором по меньшей мере один, но не все элементы находятся в жидком состоянии. Спекание в жидком состоянии требуется для изготовления твердого сплава и карбида вольфрама.
Спеченная бронза, в частности, часто используется в качестве материала для подшипников, так как его пористость позволяет смазочным материалам проходить через него или оставаться в нем. Спеченная медь может использоваться в качестве капиллярной структуры в некоторых типах конструкции тепловой трубы, где пористость позволяет жидкому агенту проходить через пористый материал за счет капиллярного действия. Для материалов с высокими температурами плавления, таких как молибден, вольфрам, рений, тантал, осмий и углерод, спекание - один из немногих жизнеспособных производственных процессов. В этих случаях желательна очень низкая пористость, которая часто может быть достигнута.
Спеченный металлический порошок используется для изготовления хрупких патронов для дробовика, называемых разрывными патронами, которые используются военными и группами спецназа для быстрого проникновения в запертую комнату. Эти патроны для дробовика предназначены для разрушения дверных засовов, замков и петель без риска для жизни рикошетом или полетом со смертельной скоростью через дверь. Они работают, разрушая объект, в который попали, а затем превращаются в относительно безвредный порошок.
Спеченная бронза и нержавеющая сталь используются в качестве фильтрующих материалов в приложениях, требующих высокой термостойкости при сохранении способности регенерировать фильтрующий элемент. Например, элементы из спеченной нержавеющей стали используются для фильтрации пара в пищевых и фармацевтических целях, а спеченная бронза - в гидравлических системах самолетов.
Спекание порошков, содержащих драгоценные металлы, такие как серебро и золото, используется для изготовления небольших ювелирных изделий.
Особые преимущества порошковой технологии включают:
В литературе есть много ссылок на спекание разнородных материалов для получения твердых / твердофазных соединений или смесей твердое вещество / расплав на стадии обработки. Практически любое вещество можно получить в виде порошка с помощью химических, механических или физических процессов, поэтому практически любой материал можно получить путем спекания. Когда чистые элементы спекаются, оставшийся порошок остается чистым, поэтому его можно использовать повторно.
Особые недостатки порошковой технологии:
Пластиковые материалы образуются путем спекания для применений, где требуются материалы с определенной пористостью. Пористые компоненты из спеченного пластика используются для фильтрации и управления потоками жидкости и газа. Спеченные пластмассы используются в приложениях, требующих процессов отделения едкой жидкости, таких как перья в маркерах для белой доски, фильтры для ингаляторов и вентиляционные отверстия для крышек и вкладышей на упаковочных материалах. В качестве основных материалов лыж и сноуборда используются спеченные материалы полиэтилена со сверхвысокой молекулярной массой. Пористая текстура позволяет воску удерживаться в структуре основного материала, обеспечивая тем самым более прочное восковое покрытие.
Для материалов, которые трудно спекать, обычно используется процесс, называемый жидкофазным спеканием. Материалы, для которых обычно используется жидкофазное спекание, - это Si3N4, WC, SiC и другие. Жидкофазное спекание - это процесс добавления к порошку добавки, которая плавится перед матричной фазой. Процесс жидкофазного спекания состоит из трех этапов:
Для практического применения жидкофазного спекания основная фаза должна быть, по крайней мере, слегка растворима в жидкой фазе, а добавка должна расплавиться до того, как произойдет какое-либо серьезное спекание сетки твердых частиц, иначе перестройка зерен не произойдет. Жидкофазное спекание было успешно применено для улучшения роста зерен тонких полупроводниковых слоев из пленок-предшественников наночастиц.
Эти методы используют электрические токи для возбуждения или улучшения спекания. Английский инженер А. Г. Блоксам зарегистрировал в 1906 году первый патент на спекающие порошки, использующие постоянный ток в вакууме. Основной целью его изобретений было промышленное производство нитей для ламп накаливания путем прессования частиц вольфрама или молибдена. Применяемый ток был особенно эффективным для восстановления поверхностных оксидов, которые увеличивали излучательную способность нитей.
В 1913 году Вайнтрауб и Раш запатентовали модифицированный метод спекания, который сочетал в себе электрические ток с давлением. Преимущества этого метода были доказаны для спекания порошков тугоплавких металлов, а также проводящих порошков карбида или нитрида. Исходные порошки бор - углерод или кремний -углерод помещались в электрически изолирующую трубку и сжимались двумя стержнями, которые также служили электроды для тока. Расчетная температура спекания составляла 2000 ° C.
В США спекание впервые было запатентовано Дювалем д'Адрианом в 1922 году. Его трехступенчатый процесс был направлен на производство термостойких блоков из таких оксидных материалов, как диоксид циркония, торий или танталия. Этапы были следующими: (i) формование порошка; (ii) отжиг его примерно при 2500 ° C, чтобы сделать его проводящим; (iii) применение спекания под давлением под током, как в методе Вайнтрауба и Раша.
Спекание, при котором используется дуга , возникающая с помощью емкостного разряда для удаления оксидов перед прямым Токовый нагрев был запатентован Г. Ф. Тейлором в 1932 году. Это привело к появлению методов спекания, использующих импульсный или переменный ток, в конечном итоге наложенный на постоянный ток. Эти методы были разработаны в течение многих десятилетий и обобщены в более чем 640 патентах.
Из этих технологий наиболее известны спекание сопротивлением (также называемое горячее прессование ) и искровая плазма. спекание, в то время как поковка из электроспека является последним достижением в этой области.
В искровом плазменном спекании (SPS) внешнее давление и электрическое поле применяются одновременно для увеличения уплотнения прессованных металлических / керамических порошков. Однако после коммерциализации было установлено, что плазмы нет, поэтому собственное название - искровое спекание, придуманное Ленелем. Уплотнение, управляемое электрическим полем, дополняет спекание формой горячего прессования, чтобы обеспечить более низкие температуры и меньше времени, чем при обычном спекании. В течение ряда лет предполагалось, что наличие искр или плазмы между частицами может способствовать спеканию; однако Хульберт и его сотрудники систематически доказали, что электрические параметры, используемые во время искрового плазменного спекания, делают это (очень) маловероятным. В свете этого название «искровое плазменное спекание» было устаревшим. Такие термины, как «Техника спекания с помощью поля» (FAST), «Спекание с помощью электрического поля» (EFAS) и спекание при постоянном токе (DCS), были внедрены сообществом специалистов по спеканию. Используя импульс постоянного тока в качестве электрического тока, можно было бы создать плазму искры, давление искрового удара, джоулева нагрев и эффект диффузии электрического поля. Путем изменения конструкции графитовой фильеры и ее сборки было продемонстрировано создание условий спекания без давления в установке искрового плазменного спекания. Сообщается, что эта модифицированная конструкция штампа объединяет преимущества как традиционного спекания без давления, так и технологии искрового плазменного спекания.
Поковка с использованием электроагрегата - это технология спекания с использованием электрического тока (ECAS). возник в результате спекания разряда конденсатора . Он используется для производства композитов с металлической матрицей алмаза и проходит оценку для производства твердых металлов, нитинола и других металлов и интерметаллидов. Он отличается очень малым временем спекания, что позволяет машинам спекать с той же скоростью, что и пресс для уплотнения.
Спекание без давления - это спекание прессованного порошка (иногда при очень высоких температурах, в зависимости от порошка) без приложения давления. Это позволяет избежать изменений плотности конечного компонента, которые возникают при использовании более традиционных методов горячего прессования.
Порошковая прессовка (если она керамическая) может быть получена посредством литья в шликере,, литья под давлением и холодное изостатическое прессование. После предварительного спекания конечная сырая прессовка может быть обработана до окончательной формы перед спеканием.
При спекании без давления могут быть выполнены три различных режима нагрева: спекание с постоянной скоростью (CRH), спекание с регулируемой скоростью (RCS) и двухступенчатое спекание (TSS). Микроструктура и размер зерна керамики могут варьироваться в зависимости от материала и используемого метода.
Постоянная скорость нагрева (CRH), также известная как спекание с контролируемой температурой, заключается в нагревании сырого прессованного материала при постоянном скорость до температуры спекания. Были проведены эксперименты с диоксидом циркония для оптимизации температуры спекания и скорости спекания для метода CRH. Результаты показали, что размеры зерен были идентичными, когда образцы были спечены до одинаковой плотности, что доказывает, что размер зерна является функцией плотности образца, а не температурного режима CRH.
При спекании с регулируемой скоростью (RCS) скорость уплотнения в фазе открытой пористости ниже, чем в методе CRH. По определению, относительная плотность ρ rel в фазе открытой пористости ниже 90%. Хотя это должно предотвратить отделение пор от границ зерен, статистически было доказано, что RCS не дает меньшего размера зерна, чем CRH для образцов оксида алюминия, диоксида циркония и церия.
Двухступенчатое спекание (TSS) использует два разные температуры спекания. Первая температура спекания должна гарантировать относительную плотность выше 75% от теоретической плотности образца. Это удалит из теласверхкритические поры. Затем образец охлаждают и выдерживают при второй температуре спекания до завершения уплотнения. Зерна кубического диоксида циркония и кубического титаната стронция были измельчены с помощью TSS по сравнению с CRH. Однако изменения размера в других керамических материалах, таких как тетрагональный диоксид циркония и гексагональный оксид алюминия, не были статистически значимыми.
При микроволновом спекании иногда выделяется тепло. генерируется внутри материала, а не за счет поверхностной радиационной теплопередачи от внешнего источника тепла. Некоторые материалы не соединяются, а другие проявляют неконтролируемое поведение, поэтому их полезность ограничена. Преимущество микроволнового спекания заключается в более быстром нагреве при небольших нагрузках, а это означает, что для достижения температуры спекания требуется меньше времени.
Недостатком микроволнового спекания является то, что обычно он использует только одну прессовку за раз, поэтому она оказывается низкой, за исключением случаев, связанных с единственной в своем роде спеканием, например, для художников. Микроволны могут проникать только на небольшое расстояние в материалы с высокой проводимостью и высокой проницаемостью, для микроволнового спекания требуется, чтобы образец доставлялся в порошки размером около глубины проникновения микроволны в конкретном материале. Процесс спекания и побочные реакции протекают в несколько раз быстрее при микроволновом спекании при той же температуре, что приводит к другим свойствам спеченного продукта.
Этот метод признан достаточно эффективным для поддержания мелких зерен / наноразмеров. зерна в спеченной биокерамике. Фосфаты магния и фосфаты кальция являются примерами, которые были обработаны методом микроволнового спекания.
Методика контроля как уплотнения, так и роста зерна . Уплотнение - это процесс уменьшения пористости в образе, в результате чего он становится более плотным. Рост - это процесс движения границ зерен и созревания по Оствальду для увеличения среднего размера зерна. Многие свойства (механическая прочность, прочная прочность на пробой и т. Д.) Выигрывают как от высокой относительной плотности, так и от небольшого размера зерна. Поэтому возможность контролировать эти свойства во время обработки имеет большое техническое значение. Для уплотнения порошков требуются высокие температуры, рост зерна естественным образом происходит во время спекания. Сокращение этого процесса является ключевым для многих инженерных керамик. При определенных условиях химии и ориентации зерна могут быстро расти за счет своих соседей во время спекания. Это явление, известное как аномальный рост, или AGG, приводит к бимодальному распределению зерна по размеру, которое имеет последствия для механических характеристик спеченного объекта.
Для того, чтобы уплотнение происходило быстро, важно иметь (1) жидкую фазу большого размера, (2) почти полную растворимость твердого вещества в жидкости и (3)) смачивание твердого тела жидкостью. Сила уплотнения определяется капиллярным давлением жидкой фазы, расположенной между мелкими твердыми частицами. Когда жидкая фаза смачивает твердые частицы, каждое пространство между частями становится капилляром, в котором создается значительное капиллярное давление. Для субмикронных размеров частиц капилляры размером в диапазоне от 0,1 до 1 микрометра давление в диапазоне от 175 фунтов на квадратный дюйм (1210 кПа) до 1750 фунтов на квадратный дюйм (12 100 кПа) для силикатных жидкостей и в диапазоне 975 от на квадратный дюйм (6720 кПа) до 9750 фунтов на квадратный дюйм (67 200 кПа) для такого металла, как жидкий кобальт.
Для уплотнения требуется постоянное капиллярное давление, где происходит только перенос материала из раствора в осаждение не приводит к уплотнению. Для дальнейшего уплотнения происходит дополнительное движение частиц, в то время как частица претерпевает рост зерен и изменение формы зерен. Усадка может произойти, когда жидкость проскальзывает между частями и увеличивает давление в точках контакта, заставляя материал отодвигаться от контактных пространств.
Спекание жидкофазных материалов включает мелкозернистая твердая фаза для создания необходимого капиллярного давления, пропорционального ее диаметру, а жидкость также должна создать капиллярное давление в пределах, иначе процесс прекращается. Скорость стеклования зависит от размера пор, вязкой фазы, что приводит к вязкости всей композиции и поверхностному натяжению. Температурная зависимость уплотнения контролирует процесс, поскольку при более высокой температурех вязкость уменьшается и увеличивает содержание жидкости. Следовательно, когда вносятся изменения в состав и обработку, это повлияет на процесс стеклования.
Спекание происходит за счет диффузии элементов через микроструктуру. Эта диффузия градиентом химического потенциала - атомы перемещаются из области с более высоким химическим потенциалом в области с низким химическим потенциалом. Различные пути, по которым атомы попадают из одного места в другое, являются механизмами спекания. Шесть общих механизмов:
Также нужно различать механизмы уплотнения и неуплотнения. 1–3 выше не уплотняются - они берут атомы с поверхности и перестраивают их на другую поверхность или часть той же поверхности. Эти механизмы просто перестраивают материю внутри пористости и не вызывают усадки пор. Механизмы 4–6 являются механизмами уплотнения - атомы перемещаются из объема поверхности пор, тем самым устраняя пористость и увеличивая плотность образца.
A граница зерна (GB) - это переходная область или граница раздела между соседними кристаллитами (или зернами ) того же химического вещества и состав решетки, не путать с фазовой границей . Соседние зерна не имеют одинаковой ориентации решетки, что дает атомам в ГБ смещенные положения относительно решетки в кристаллах . Из-за смещения элементов в ГБ они имеют более высокое энергетическое состояние по сравнению с атомами в кристаллической решетке зерен. Именно это позволяет избирательно травить ГЗ, когда требуется, чтобы микроструктура была видимой.
Стремление минимизировать ее энергию приводит к укрупнению микроструктуры для достижения метастабильной состояние в образце. Это включает в себя минимизацию его площади GB и изменение его топологической структуры для минимизации его энергии. Этот рост зерна может быть нормальным или аномальным, нормальный рост зерна характеризуется равномерным размером и размером всех зерен в образце. Аномальный рост зерен - это когда несколько зерен вырастают намного больше, чем остальное большинство.
Атомы в ГБ обычно имеют более высокое состояние, чем их эквивалент в сыпучем материале. Это связано с их более растянутыми связями, что приводит к напряжению GB 
«Или, другими словами, сила должна быть приложена в плоскости граница зерна и действует вдоль линии в области границы зерна, чтобы расширить область границы зерна в направлении силы. Сила на единицу длины, т. Е. Растяжение / напряжение, вдоль длины линии равна σGB. На основании этого рассуждения следует, что:
где dA увеличивает увеличение площади границы зерен на единицу длины вдоль линии в рассматриваемой зоне границы зерна. ”
Напряжение ГЗ также можно рассматривать как силу притяжения между атомами на поверхности, натяжение между этими атомами происходит из-за того, что между ними на поверхности большее межатомное расстояние по сравнению с к объему (т.е. поверхностное натяжение ). Когда площадь поверхности становится больше, связи растягиваются больше и натяжение ГЗ увеличивается. Чтобы противодействовать этому увеличению натяжения, должен происходить перенос элементов на поверхности, поддерживающий постоянное натяжение ГЗ. Эта диффузия атомов обеспечивает постоянное поверхностное натяжение жидкостей. Тогда аргумент
верно. С другой стороны, для твердых тел диффузии атомов к поверхности может быть недостаточно, и поверхностное натяжение может изменяться с увеличением площади поверхности.
Для твердого тела можно вывести выражение для изменения Свободная энергия Гиббса dG при изменении площади GB dA. dG определяется выражением
, что дает
в двухмерном изотропный материал, натяжение границ зерен будет одинаковым для зерен. Это даст угол 120 ° на стыке GB, где встречаются три зерна. Это дало бы структуре гексагональный узор, который является метастабильным состоянием (или механическим равновесием ) 2D-образца. Следствием этого является то, что, чтобы продолжать пытаться быть как можно ближе к равновесию, зерна с меньшим количеством сторон, чем шесть, будут изгибать ГБ, чтобы попытаться сохранить угол 120 ° между собой. Это приводит к изогнутой границе с его кривизной по отношению к самой себе. Как уже упоминалось, зерно с шестью сторонами будет иметь прямые границы, в то время как зерно с более чем шестью сторонами будет иметь изогнутые границы, кривизна которых направлена от самого себя. Зерно с шестью границами (т. Е. Гексагональная структура) находится в метастабильном состоянии (т. Е. Локальном равновесии) внутри 2D-структуры. В трех измерениях структурные детали похожи, но намного сложнее, и метастабильная структура зерна представляет собой нерегулярные 14-сторонние многогранники с дважды искривленными гранями. На практике все массивы зерен всегда нестабильны и поэтому всегда растут до тех пор, пока им не препятствует противодействие.
Зерна стремятся минимизировать свою энергию, а кривая граница имеет более высокую энергию, чем прямая граница. Это означает, что граница зерен будет перемещаться по направлению к кривизне. Следствием этого является то, что зерна с менее чем 6 сторонами будут уменьшаться в размере, а зерна с более чем 6 сторонами будут увеличиваться в размере.
Рост зерна происходит из-за движения атомов через границу зерна. Выпуклые поверхности обладают более высоким химическим потенциалом, чем вогнутые поверхности, поэтому границы зерен будут двигаться к центру кривизны. Поскольку более мелкие частицы имеют тенденцию иметь более высокий радиус кривизны, и это приводит к тому, что более мелкие зерна теряют атомы в более крупные и сжимаются. Этот процесс называется созреванием Оствальда. Крупные зерна растут за счет мелких.
Рост зерна в простой модели выглядит следующим образом:
Здесь G - конечный средний размер зерна, G 0 - начальный средний размер зерна, t - время, m - коэффициент от 2 до 4, а K - коэффициент, определяемый как:
Здесь Q - молярная энергия активации, R - постоянная идеального газа, T - абсолютная температура, а K 0 - фактор, зависящий от материала. В большинстве материалов размер спеченного зерна пропорционален обратному квадратному корню из дробной пористости, что означает, что поры являются наиболее эффективным замедлителем роста зерна во время спекания.
Если в материал добавляется легирующая добавка (пример: Nd в BaTiO 3), примесь будет стремиться к придерживаться границ зерен. Поскольку граница зерна пытается переместиться (когда атомы прыгают с выпуклой поверхности на вогнутую), изменяется граница легирующей примеси на границе зерна сопротивления. Исходная растворенного вещества вокруг границы зерен в большинстве случаев будет асимметричной. Сверхвысокий химический потенциал. Этот повышенный химический потенциал будет действовать как обратная сила к исходному градиенту химического потенциала. Это уменьшение чистого химического уменьшения к уменьшению скорости границ зерен и, следовательно, к росту зерен.
Если частицы второй фазы, которые нерастворимы в матричной фазе, добавить к порошку в форме более мелкого порошка, то это уменьшит движение границ зерен. Когда граница этого зерна помогает пройти мимо диффузии частиц, препятствует возникновению препятствий на пути к другому. Это связано с тем, что для частиц выгодно находиться на границах зерен, и они оказывают силу в противоположном направлении по сравнению с миграцией границ зерен. Этот эффект называется эффектом Зенера по имени человека, который оценил эту силу сопротивления как
где r - частицы, а λ - межфазная энергия границы, если в единице объема N частиц, их объемная доля f равна 
при условии, что они распределены случайным образом. Граница единицы площади будет пересекать все частицы в объеме 2r, который составляет 2Nr частиц. Таким образом, количество частиц n, пересекающих единицу площади границы, равно:
Теперь, предполагая, что зерна растут только из-за влияния кривизны, движущая сила роста равна 
Это можно уменьшить до 
поэтому критический диаметр зерен зависит от размера и объемной доли частиц на границах зерен.
Также было показано, что небольшие пузырьки или полости могут действовать как включение
Подробнее сложные взаимодействия, которые замедляют движение границ, включают взаимодействие поверхностных энергий, двух зерен. С. Смитом.
Окаменевший источник в Реотье около Мон-Дофин, Франция В геологии естественное спекание происходит, когда минеральный источник вызывает отложение химического осадка или корки, например, пористого кремнезема.
Агломерат - это минеральное отложение сидеть с пористой или везикулярной текстурой; в его структуре видны небольшие полости. Это могут быть кремнистые отложения или известные отложения.
Кремнистый агломерат представляет отложение опалина или аморфного кремнезем, который появляется в виде отложений около горячих источников и гейзеров. Иногда он образует конические насыпи, называемые конусами гейзеров, но может также образовывать террасу. Основными агентами, вызывающими отложение кремнистого агломерата, являются водоросли и другая растительность в воде. Изменения вмещающих пород также могут образовывать агломераты вблизи фумарол и в более глубоких каналах горячих источников. Примерами кремнеземистого агломерата являются гейзерит и фиорит. Их можно найти во многих местах, включая Исландия, геотермальное поле Эль-Татио в Чили, Новая Зеландия и Йеллоустоун. Национальный парк и Стимбот-Спрингс в США.
Известковый агломерат также называется туфом, известковым туфом или известково-туфом. Это отложения карбоната кальция, как и травертин. Их называют окаменевшими источниками, они довольно часто встречаются в известных районах. Их известковые воды откладывают налет на окружающих предметах. Осаждению способствуют мхи и другие растительные структуры, в результате чего в известковом агломерате полости после их разложения.
Процессы спекания в пещере
Спекание в Гейзере Похуту, Новая Зеландия
Памуккале
Террасы спекания в природном парк долины Альтмюль, Германия
Спекание - важная причина потерь катализатора , особенно на металлических катализаторах на носителе. Это уменьшает площадь поверхности катализатора и изменяет изменение поверхности. Для пористой каталитической поверхности поры могут разрушиться из-за спекания, что приведет к потере площади поверхности. Спекание, как правило, является необратимым процессом.
Маленькие частицы катализатора имеют максимально возможную относительную площадь поверхности и высокую температуру реакции - оба фактора, которые обычно повышают реакционную способность катализатора. Однако эти факторы также являются обстоятельствами, при которых происходит спекание. Определенные материалы также могут увеличивать скорость спекания. С другой стороны, путем легирования катализаторов другими материалами спекание можно уменьшить. В частности, было показано, что редкоземельные металлы уменьшают спекание металлических катализаторов при легировании.
Для многих металлических катализаторов на носителе спекание начинает оказывать существенное влияние на температурах выше 500 ° C (932 ° F). Катализаторы, работающие при более высоких температурах, такие как автомобильный катализатор , используют структурные улучшения для уменьшения или предотвращения спекания. Эти усовершенствования, как правило, представляют собой основу из инертного и термостойкого материала, такого как диоксид кремния, углерод или оксид алюминия.
Для геологического аспекта:
 | Найдите синтересный в Викисловаре, бесплатном словаре. |
