燒結與緻密化

液相燒結(liquid-phase sintering)

固態燒結之所以慢,是因為一切都得靠擴散在固體中爬行。液相燒結則耍了個花招:挑選少量的第二種材料,使它在燒成溫度熔成一層薄薄的、能潤濕陶瓷晶粒的液體——而一旦有了穿行於粒子之間的液體,緻密化就變得快得多、也容易得多。這就像堆潮濕的沙(會塌陷、容易壓實)與堆乾透的沙(會抗拒)之間的差別。多數傳統陶瓷與許許多多先進陶瓷都以這種方式緻密化,因為它讓你能在比純固體所能達到的更低溫度下達到全緻密。

液體分三個彼此重疊的階段做工。第一,重排(rearrangement):液體一形成,就被毛細力拉進粒子之間狹窄的縫隙,那股毛細拉力把粒子扯進更緊密的堆積,幾乎立刻給出一陣快速的收縮。第二,溶解-再析出(solution-reprecipitation):在晶粒隔著液體彼此用力相壓之處,額外的壓力抬高了那裡固體的溶解度,於是材料在受載的接觸點溶解、擴散穿過液體、再析出到不受應力的表面上——晶粒把接觸點壓平、堆得更緊密,中心也靠近。第三,一個類似固態的末期,剩下的氣孔閉合、晶粒粗化。這一切要奏效,必須滿足兩個條件:液體必須潤濕固體(小的接觸角與二面角,使它鋪展進晶界而非聚成球),而固體必須在液體中至少略微可溶。

液相燒結無所不在:瓷器裡的長石熔成玻璃,把坯體拉緻密、賦予它半透明;氮化矽與 SiC 頑固地共價、幾乎不可能在純固態下燒結,便用形成液體的氧化物添加劑(如 Y2O3 加 Al2O3)來緻密化;燒結碳化鎢用熔融的鈷;ZnO 壓敏電阻與許多電容器介電體都仰賴助熔的液體。麻煩在於液體留下了什麼。冷卻時它通常凍成一層玻璃晶界相——一層裹著每一顆晶粒的薄薄非晶膜——而那層膜正是陶瓷在高溫下的罩門:它軟化、讓晶粒滑動,驅動潛變,也抬高介電損耗。許多現代研究致力於把那層晶界相結晶、或選擇能留下更耐火薄膜的添加劑,以挽回高溫性能。

瓷器是液相燒結的教科書案例:燒到接近 1300 degrees C,其長石熔成黏稠的玻璃,潤濕黏土與石英晶粒,毛細力把坯體拉緻密(也容易翹曲),冷卻時玻璃凍在晶粒之間——賦予瓷器它的半透明,也給了它玻璃質的晶界。

潤濕的液體靠重排再靠溶解-再析出加速燒結——但常留下一層玻璃質的晶界膜。

液相燒結換來快速、低溫的緻密化,卻幾乎總是留下一層玻璃晶界相,它在高溫下軟化、驅動潛變與介電損耗。做得快,並不等於熱起來還強。

又称
LPS液相燒結