燒結末期(final stage of sintering)
接近燒成的尾聲,中期那些相連的隧道變得太細撐不住而捏斷,就像乾涸水窪裡的水流斷成一顆顆分離的水珠。原本一整張連續的氣孔網路變成一撒孤立、渾圓的氣孔,多數藏在三顆或四顆晶粒相會的角落。燒結末期就是這收尾的一幕——把坯體從大約 90 百分比密度帶向全緻密,靠的是排空那些最後被困住的空隙。它聽起來像個形式;實際上卻是整個過程最難的一段,也是多數陶瓷達不到最後那一兩個百分比的原因。
有兩件事讓終局如此艱難。第一,氣孔如今是封閉的——與外界表面隔絕——所以困在裡面的任何氣體(爐氣,或來自分解添加劑的氣體)都再也逃不出去;當氣孔試圖收縮,氣體被壓縮並反推,氣孔就可能停在一個平衡尺寸、甚至脹大(膨鬆/bloating)。這就是為什麼末期常在真空下、或在氫這類能溶入固體並擴散出去的氣體中進行。第二,也更根本的,晶粒成長此時很快,而一顆氣孔只有在坐落於晶界上時才能被除去,因為那給了它的空位一條通往匯的快速公路。若一道快速移動的晶界從氣孔身邊撕開、把它遺留在晶粒內部,這顆氣孔如今就只由緩慢的晶格擴散服務,實際上被凍結在原地。
達到全緻密、無孔密度的整門手藝——透明氧化鋁、最強的結構陶瓷、對氣孔敏感的介電體都需要它——歸結為贏得末期,做法是讓氣孔與晶界結為連理,直到氣孔消失。里程碑的例子是 Coble 的半透明氧化鋁(Lucalox),加入微量氧化鎂把晶界拖慢到恰好使它們從不甩開氣孔,最後的孔隙被掃出去,留下一塊緻密到能透光的坯體。壓力輔助路線(熱壓、HIP、SPS)從另一側攻打同一個末期,用外加應力去壓垮那些單靠表面能太弱而除不掉的最後封閉氣孔。
把氧化鋯燒得稍微過燙,它的末期就會反噬:晶界一馬當先、拋棄了氣孔,你把它切開,發現渾圓的氣孔孤零零地坐在大晶粒的正中央——被困在沒有晶界能觸及之處,把成品的密度封在全緻密之下。
燒結末期:孤立的封閉氣孔必須在還位於晶界上時被排空——這是最難、最限制密度的一步。
在末期燒得更久或更燙可能降低而非提高密度:困住的氣體抗拒最後的收縮,失控的晶粒成長把氣孔困在晶粒內。時間與溫度同時幫助緻密化與粗化,過了某一點,粗化便占了上風。