燒結

二氧化鈾粉末

燒結後的二氧化鈾顆粒

燒結（英語：sintering），是一種固體材料壓製及成形的過程，製造過程中會在材料上施加熱 及/或壓力，但加熱溫度會低於材料的熔點。像陶器的製作就要經過燒結的過程，而將金屬粉末燒結成製品的過程稱為粉末冶金。

燒結過程可以發生在自然環境中如礦藏的形成，也是十分重要的人工製造工藝，可用於製造金屬、塑料、陶瓷等各種材料。材料中的原子會穿過顆粒的邊界進行擴散，然後顆粒會融到一起，最後形成一整塊固體。由於燒結的溫度沒有達到材料的熔點，因此通常選擇燒結作為具有極高熔點的材料（例如鎢和鉬）的成形方法。日常生活中可以觀察到燒結的一個例子是，幾個冰塊放在一杯水中會彼此粘附，這是由水和冰之間的溫差驅動的燒結。壓力驅動燒結的例子是降雪會在重力的作用下壓縮成冰川，或通過將鬆散的雪壓在一起形成硬雪球。 「燒結」這個詞來自中世紀中期的德語「sinter」，是英語「cinder」（意為煤渣）的同源詞。

一般燒結

燒結可以有效地降低孔隙率並增強諸如強度，導電性，透明性和導熱性等性能。然而，在其他情況下，增加其強度但保持其氣體吸收性如過濾器或催化劑中可能是有用的。在燒制過程中，原子的擴散會驅動粉末顆粒之間的界面消失，這個過程會分成不同的階段，開始階段會形成從粉末之間的頸部連接到最後小孔消除。

緻密化的驅動力是由於固-汽界面被固-固替代後，表面積減小以及表面自由能降低引起的總自由能的變化。它形成新的但能量較低的固-固界面，自由能總量減少。在微觀尺度上，材料轉移受到壓力變化和曲面上自由能差異的影響。如果顆粒的尺寸很小（並且其曲率很高），則這些效應的影響變得非常大。當曲率半徑小於幾微米時，能量的變化要高得多，這是許多陶瓷技術基於使用細顆粒材料的主要原因之一。

對於諸如強度和電導率這樣的性質，與粒度相關的結合面積是決定因素。對於任何給定材料可以控制的變量是溫度和初始晶粒尺寸，因為蒸汽壓力取決於溫度。

固態過程的能量來源是頸部和顆粒表面之間的自由能或化學勢能的變化。這種能量通過儘可能快的方式產生材料轉移;如果從顆粒體積或顆粒之間的晶界發生轉移，則會導致顆粒減少和孔隙消失。對於具有許多均勻尺寸和較高孔隙率的樣品，孔隙消除發生得更快，其中邊界擴散距離較小。對於該過程的後面部分，來自晶界的邊界擴散和晶格擴散變得重要。溫度控制對燒結過程非常重要，因為晶界擴散和體積擴散嚴重依賴於溫度、材料顆粒的尺寸和分布、材料成分以及燒結環境。

陶瓷燒結

燒結是陶器和其他陶瓷物體的燒制過程的一部分。這些物體由諸如玻璃，氧化鋁，氧化鋯，二氧化矽，氧化鎂，石灰，氧化鈹和氧化鐵的物質製成。 一些陶瓷原料對水的親和力較低，塑性指數低於粘土，在燒結前的階段需要有機添加劑。通過燒結粉末製造陶瓷物體的一般程序包括：

• 將水、粘合劑、抗絮凝劑和未燒制的陶瓷粉末均勻混合形成漿料;
• 噴霧乾燥漿料;
• 將噴霧乾燥後的粉末放入模具中並按壓以形成生坯（未燒結的陶瓷物品）;
• 在低溫下加熱生坯以燒掉粘合劑;
• 在高溫下燒結以將陶瓷顆粒熔合在一起。

通過光學膨脹計熱分析觀察膨脹 - 溫度曲線，可以容易地獲得在特定陶瓷製劑（即尾料和玻璃料）的燒結循環期間發生的所有特徵溫度（包括相變溫度、玻璃化轉變溫度和熔點等）。 事實上，燒結與材料的顯著收縮有關，因為玻璃相一旦達到其轉變溫度就會流動，並開始合併粉末結構而且顯著降低材料的孔隙率。 燒結通常在高溫下進行。另外，可以使用第二和/或第三外力（例如壓力，電流）。常用的第二外力是壓力。因此，僅使用溫度進行的燒結通常稱為「無壓燒結」。 使用分級金屬 - 陶瓷複合材料，納米顆粒燒結助劑和整體成型技術，可以實現無壓燒結。用於3D形狀的變體稱為熱等靜壓。

為了在燒結過程中有效地將產品堆疊在爐子中並防止部件粘在一起，許多製造商使用陶瓷粉末分隔層將產品分隔開。這些分隔層可以使用各種材料，如氧化鋁，氧化鋯和氧化鎂等。它們還按粒度分成諸如如細、中、粗等的不同類別。 通過使分隔層的材料和顆粒尺寸與正在燒結的產品相匹配，可以減少表面損壞和污染，同時使爐負載最大化。

金屬粉末燒結

大多數（並非所有）金屬都可以燒結。這尤其適用於在真空中生產的純金屬，其不會受到表面污染。在大氣壓下燒結需要使用保護氣體，通常是吸熱氣體。燒結，隨後的再加工，可以產生大範圍的材料特性。密度，合金化和熱處理的變化可以改變各種產品的物理特性。例如，對於較低的燒結溫度，燒結鐵粉的楊氏模量 E_n 對原始粉末中的燒結時間，合金化或粒度保持稍微不敏感，但取決於最終產品的密度： $$E_{n}/E=(D/d)^{3.4}$$ 其中，D 是材料的密度，E 是鐵的理論楊氏模量，d 是鐵的理論密度。 當在某些外部條件下金屬粉末可能表現出聚結時，燒結是靜態的，並且當除去這些條件時，燒結仍然恢復到其正常行為。 在大多數情況下，隨著材料流入空隙，顆粒集合的密度增加，導致總體積減小。在燒結過程中發生的質量運動包括通過重新包裝減少總孔隙率，然後由於蒸發和擴散冷凝導致的材料運輸。在最後階段，金屬原子沿著晶體邊界移動到內部孔的壁，從物體的內部主體重新分布質量並使孔壁平滑。表面張力是這種運動的驅動力。