燒結與緻密化

黏性燒結(viscous sintering)

結晶陶瓷是走難路燒結的,一次一個原子地沿著擴散路徑挪動。玻璃沒有晶格要遵守,它以一條完全不同、也簡單得多的路線緻密化:整個材料就這麼流動,像極其黏稠的蜂蜜,而流動讓氣孔閉合。黏性燒結就是玻璃質(非晶)粉末、或含有足夠玻璃的坯體,靠這種整體黏性流動而緻密化。加熱一堆玻璃粉,粒子塌陷到一起、頸部填滿、氣孔被擠合——不是靠擴散,而是靠材料在自身表面張力的拉扯下滲流。

驅動力一如既往是同一份表面能,但這裡它以一個毛細壓力的形式作用,而柔軟的玻璃只要流動就能紓解它。Frenkel 對第一階段的經典模型給出兩顆玻璃球之間的頸部成長為 x^2 / a = (3 times gamma / (2 times eta)) times t,其中 a 是球半徑、gamma 是表面張力、eta 是黏度。一切都繫於那個黏度。玻璃沒有明確的熔點;相反,它的黏度隨溫度上升平滑而巨幅地下降——在軟化範圍附近,往往每 30 或 40 度就降一個數量級——所以一種在某溫度堅硬如石的玻璃粉,在稍高一點就自由流動。把溫度升進工作範圍,eta 降到夠低,表面張力就能在幾分鐘內把玻璃推去填滿氣孔。因為這種流動是整體運動、不是表面挪動,黏性燒結是真正的緻密化,而玻璃粉正是因此以容易燒到全緻密聞名。

黏性燒結是一整族製程的基礎:燒成玻璃熔塊與釉料,使它們流成平滑連續的塗層;燒結多孔玻璃與熔融石英坯體;緻密化玻璃結合的白陶器;以及製作許多玻璃陶瓷的第一步,那裡先把玻璃粉黏性燒結緻密、然後才熱處理使之結晶。主要的陷阱是一個對手反應:若玻璃在流完之前就結晶(析晶/失透),新生成的晶體會把黏度衝高,流動——連同緻密化——當場停止,留下困住的孔隙。掌控黏性緻密化與結晶之間的賽跑,正是燒結結晶型玻璃陶瓷的核心手藝。

釉是刷在陶器上的玻璃粉:在窯中它黏性燒結,粒子流到一起、氣孔閉合,直到形成一層平滑的玻璃皮膜——正是這同一種黏性流動,讓玻璃粉比任何同溫度的結晶陶瓷都容易緻密化得多。

玻璃靠流動而非擴散來緻密化——隨黏度因溫度而下降,表面張力把氣孔擠合。

黏性燒結只在材料保持玻璃態時又快又有效。若它先結晶,黏度飆升、流動停止——這就是為什麼過度結晶的玻璃陶瓷會頑固地殘留孔隙。

又稱
viscous flow sinteringglass sintering黏性流動燒結