22
2025
-
12
知识解读丨烧结过程反致密化现象的材料学解读
作者：
然而，大量实验结果表明，这一“直觉”并非始终成立。在特定材料体系与工艺条件下，坯体在烧结后期不仅不再继续致密，反而出现体积膨胀和烧结密度下降的现象。这种与常规烧结行为完全相反的结果，被称为“反致密化”（anti-densification），也是烧结理论中一个长期存在却常被忽视的问题。
奇遇科技已烧结陶瓷成品
实验事实：反致密化并非个例
以铜粉的氢气气氛烧结为例，有研究发现，将压制成型的Cu粉坯体在约900 ℃的氢气中烧结时，短时间烧结可获得较高密度，烧结1 h后的密度约为8.0 g/cm³。但当烧结时间延长至6 h以上，密度反而开始下降，在烧结11 h后降至约7.6 g/cm³。也就是说，继续延长烧结时间并未带来进一步致密化，反而削弱了坯体的致密程度。
类似的反常行为并不仅限于纯铜体系。在Fe–Cu体系的液相烧结、ZnO的热压烧结以及多种高温超导陶瓷的烧结过程中，研究者们都观察到了不同程度的反致密化现象。这些事实表明，反致密化并非偶然失控，而是具有普遍物理基础的烧结行为。
闭气孔的“反推力”：烧结末期气体作用的影响
在许多烧结体系中，反致密化往往出现在烧结后期，此时坯体内部的孔隙已经由连通孔逐渐演化为闭气孔。由于气体无法继续逸出，孔内气体压强开始在高温环境下发挥作用。基于气体在固相晶粒中溶解度可忽略的假设，有研究提出了描述气孔稳定性的理论模型。
按照该模型，气孔的演化取决于孔内气体压强与气孔表面张力所产生的Laplace应力（2γ/r）之间的竞争关系。当Laplace应力占优时，气孔趋于收缩；反之，当孔内气体压强更高时，气孔将发生膨胀。由此可以推导出一个临界孔径：当气孔尺寸超过该临界值后，继续延长烧结时间反而会促使气孔膨胀，最终导致整体密度下降。
尽管真实烧结过程还会受到气体溶解度、孔隙形貌及孔隙率演变等多因素影响，但这一理论为理解烧结后期“越烧越松”的现象提供了清晰的物理图景。
相变引起的体积效应：结构重排的代价
在高温超导陶瓷中，这一现象尤为常见。以Bi系超导陶瓷为例，其在烧结过程中晶粒形貌可能由近等轴状转变为平板状结构，导致整体体积明显膨胀。在某些条件下，体积膨胀幅度甚至可高达30%以上。为了重新实现致密化，样品往往需要经过多次轧制与重复烧结等复杂工艺处理。
烧结致密示意图
不等量互扩散：看不见的“空位流动”
早在20世纪50年代，人们就在Cu–Ni、Cu–Ag等体系中观察到所谓的“烧结沟”现象：颗粒颈部不仅没有长大，反而向低熔点金属一侧凹陷。其本质原因在于低熔点金属通常具有较低的表面能和更高的自扩散速率，导致更多空位从该一侧迁移出去，而高熔点金属一侧的空位流出不足，从而抑制了整体致密化。
类似的不等量扩散效应在陶瓷体系中同样存在，只是扩散主体由金属原子转变为Mg²⁺、Al³⁺、Si⁴⁺等阳离子，机理本质并未发生改变。
结语
对于工程实践而言，真正实现高致密度、高可靠性的材料制备，前提正是识别并主动规避这些可能导致反致密化的内在机制。
相关新闻
立即咨询
如果您对我们的产品感兴趣，请留下您的电子邮件，我们将尽快与您联系，谢谢！
深圳地址：广东省深圳市龙岗区留学人员创业园1园120房间 佛山地址：广东省佛山市南海区大沥镇盐步穗盐西路92号a栋304-1