蒸發-凝結(evaporation-condensation)
有些材料一熱起來就不肯乖乖待著——它們的少數原子會躍入表面上方的蒸氣,像晴天雪堆上升起的、明明沒融化的淡淡霧氣。蒸發-凝結就是利用這一點的燒結路徑:原子從粉末的一處蒸發,以蒸氣之姿越過縫隙,再凝結落回另一處。物質是透過空氣(或爐氣)而非透過固體被輸送,而它落在哪裡,由一條關於表面形狀的微妙規則決定。
這條規則是克耳文方程(Kelvin equation):緊鄰表面上方的蒸氣壓,取決於那個表面如何彎曲。在凸起的鼓包上——粒子的外側——壓力略被抬高;在凹陷的窪處上——兩粒子之間的頸部——壓力略被壓低,依 p/p0 = exp(gamma times Vm / (r times R times T)),曲率半徑 r 的正負在兩者之間翻轉。於是總有一個溫和的壓力差,驅動蒸氣從凸起的粒子表面(高壓、易蒸發)流向凹陷的頸部(低壓、易凝結)。原子悄悄地擺渡過氣孔,把頸部堆起來。這與雲中小水滴蒸發去餵養大水滴、以及讓放久的冰淇淋裡的冰晶熟成粗糙顆粒的,是同一套物理。
這裡有個關鍵點,也是蒸發-凝結通常是麻煩而非幫手的原因:它讓頸部變胖、把氣孔磨圓,但它不從粒子中心之間移出任何材料,所以中心保持完全一樣遠——零收縮、零緻密化。它是一條純粹的粗化路徑。它對揮發性陶瓷最要緊——想想從鉛系電子陶瓷逸出的 PbO,或 Si3N4 與 SiC 在高溫下的昇華——蒸氣輸送可以明顯粗化顯微組織、擴大氣孔,白白花掉驅動力。有時它被刻意利用(把尖銳粒子磨圓,或用於蒸氣式粗化研究),但對追求全緻密的製作者而言,它是一個要堵住的漏洞,常靠在受控氣氛下、或用一層抑制蒸發的粉床來燒成。
把鬆散堆積的氯化鈉燒結到熔點以下,晶體會明顯粗化並變圓,而粉床卻不收縮——鹽的蒸氣壓夠高,使蒸發-凝結把晶粒熟成,緻密化卻幾乎沒動。
蒸氣把原子從凸起的粒子鼓包帶到凹陷的頸部——長出頸部,卻沒有收縮。
蒸發-凝結長出頸部卻從不緻密化,所以坯體可以邊鍵結邊粗化,而氣孔其實還變大。對揮發性陶瓷而言它是驅動力的漏洞,最好用氣氛控制去節流,而非鼓勵它。