Sintring - Sintering

Sintring eller frittage är processen att komprimera och bilda en fast materialmassa genom värme eller tryck utan att smälta det till vätskeform .

Sintring sker som en del av en tillverkningsprocess som används med metaller , keramik , plast och andra material. Atomerna i materialen diffunderar över partiklarnas gränser, smälter ihop partiklarna och skapar en fast bit. Eftersom sintringstemperaturen inte behöver nå materialets smältpunkt , väljs sintring ofta som formningsprocess för material med extremt höga smältpunkter som volfram och molybden . Studien av sintring i metallurgipulverrelaterade processer kallas pulvermetallurgi . Ett exempel på sintring kan observeras när isbitar i ett glas vatten fäster vid varandra, vilket drivs av temperaturskillnaden mellan vattnet och isen. Exempel på tryckdriven sintring är komprimering av snöfall till en glaciär, eller formning av en hård snöboll genom att pressa ihop lössnö.

Ordet "sinter" kommer från medelhögtyska sinter , ett tillhörande engelska " cinder ".

Allmän sintring

Sintring är effektiv när processen minskar porositeten och förbättrar egenskaper som styrka, elektrisk konduktivitet , genomskinlighet och värmeledningsförmåga ; men i andra fall kan det vara användbart att öka dess hållfasthet men hålla dess gasabsorberingskapacitet konstant som i filter eller katalysatorer. Under bränningsprocessen driver atomdiffusion elimineringen av pulverytan i olika steg, från bildandet av halsar mellan pulver till slutlig eliminering av små porer i slutet av processen.

Drivkraften för förtätning är förändringen av fri energi från minskningen av ytarea och sänkning av den yttre fria energin genom byte av fasta ånggränssnitt. Det bildar nya men fast energi-lägre gränssnitt med lägre energi med en total minskning av förekomsten av fri energi. På en mikroskopisk skala påverkas materialöverföringen av tryckförändringen och skillnader i fri energi över den krökta ytan. Om partikelns storlek är liten (och dess krökning är hög) blir dessa effekter mycket stora i storlek. Energiförändringen är mycket högre när krökningsradien är mindre än några mikrometer, vilket är en av huvudorsakerna till att mycket keramisk teknik bygger på användning av fina partiklar.

För egenskaper som styrka och konduktivitet är bindningsområdet i förhållande till partikelstorleken den avgörande faktorn. De variabler som kan kontrolleras för ett givet material är temperaturen och den ursprungliga kornstorleken, eftersom ångtrycket beror på temperaturen. Med tiden är partikelradien och ångtrycket proportionella mot (p ₀ ) ^2/3 respektive (p ₀ ) ^1/3 .

Källan till kraft för processer i fast tillstånd är förändringen i fri eller kemisk potentialenergi mellan halsen och partikelns yta. Denna energi skapar en överföring av material på snabbaste möjliga sätt; om överföring skulle ske från partikelvolymen eller korngränsen mellan partiklarna, skulle det bli partikelreduktion och porförstöring. Eliminering av porer sker snabbare för ett försök med många porer med likformig storlek och högre porositet där gränsdiffusionsavståndet är mindre. För de senare delarna av processen blir gräns- och gitterdiffusion från gränsen viktiga.

Kontroll av temperaturen är mycket viktigt för sintringsprocessen, eftersom korngränsdiffusion och volymdiffusion är mycket beroende av temperatur, storlek och fördelning av partiklar i materialet, materialkompositionen och ofta sintringsmiljön som ska kontrolleras.

Keramisk sintring

Sintring är en del av bränningsprocessen som används vid tillverkning av keramik och andra keramiska föremål. Dessa föremål är gjorda av ämnen som glas , aluminiumoxid , zirkoniumoxid , kiseldioxid , magnesia , kalk , berylliumoxid och järnoxid . Vissa keramiska råvaror har en lägre affinitet för vatten och ett lägre plasticitetsindex än lera , vilket kräver organiska tillsatser i stadierna innan sintring. Det allmänna förfarandet för att skapa keramiska föremål via sintring av pulver inkluderar:

• blandning av vatten, bindemedel , tömningsmedel och obränt keramiskt pulver för att bilda en uppslamning
• spraytorkning av uppslamningen
• lägg det spraytorkade pulvret i en form och pressa det för att bilda en grön kropp (ett osinterat keramiskt föremål)
• värmer den gröna kroppen vid låg temperatur för att bränna bort bindemedlet
• sintring vid hög temperatur för att smälta ihop de keramiska partiklarna.

Alla de karakteristiska temperaturerna som är förknippade med fasomvandling, glasövergångar och smältpunkter som uppstår under en sintringscykel för en viss keramikformulering (dvs svansar och frits) kan enkelt erhållas genom att observera expansionstemperaturkurvorna under optisk dilatometer termisk analys. Faktum är att sintring är förknippad med en anmärkningsvärd krympning av materialet eftersom glasfaser flyter när deras övergångstemperatur har uppnåtts och börjar konsolidera den pulverformiga strukturen och avsevärt reducerar materialets porositet.

Sintring utförs vid hög temperatur. Dessutom kan en andra och/eller tredje yttre kraft (såsom tryck, elektrisk ström) användas. En vanligt förekommande andra yttre kraft är tryck. Så sintringen som utförs bara med hjälp av temperaturen kallas i allmänhet "trycklös sintring". Tryckfri sintring är möjlig med graderade metallkeramiska kompositer, med en nanopartikelsintring och bulkgjutningsteknik. En variant som används för 3D -former kallas het isostatisk pressning .

För att möjliggöra effektiv stapling av produkten i ugnen under sintring och för att förhindra att delar hänger ihop, separerar många tillverkare varor med keramiska pulveravskiljare. Dessa ark finns i olika material som aluminiumoxid, zirkoniumoxid och magnesia. De kategoriseras dessutom efter fina, medelstora och grova partikelstorlekar. Genom att matcha materialet och partikelstorleken med de varor som sintras kan ytskador och kontaminering minskas samtidigt som ugnsbelastningen maximeras.

Sintring av metallpulver

De flesta, om inte alla, metaller kan sintras. Detta gäller särskilt rena metaller som produceras i vakuum som inte utsätts för ytföroreningar. Sintring under atmosfärstryck kräver användning av en skyddsgas, ganska ofta endoterm gas . Sintring, med efterföljande omarbetning, kan ge ett stort utbud av materialegenskaper. Förändringar i densitet, legeringar och värmebehandlingar kan förändra de olika produkternas fysiska egenskaper. Till exempel, den Youngs modul E _n av sintrade järn pulver resterna något okänsliga till sintringstiden, legering, eller partikelstorlek i den ursprungliga pulver till lägre sintringstemperaturer, men beror på densiteten av den slutliga produkten:

där D är densiteten, E är Youngs modul och d är den maximala densiteten för järn.

Sintring är statisk när ett metallpulver under vissa yttre förhållanden kan uppvisa koalescens och ändå återgår till sitt normala beteende när sådana förhållanden tas bort. I de flesta fall ökar densiteten för en samling korn när materialet rinner ut i tomrum, vilket orsakar en minskning av den totala volymen. Massrörelser som uppstår under sintring består av minskning av total porositet genom ompackning, följt av materialtransport på grund av avdunstning och kondens från diffusion . I de sista stadierna rör sig metallatomer längs kristallgränserna till väggarna i inre porer, omfördelar massa från föremålets inre massa och jämnar ut porväggarna. Ytspänning är drivkraften för denna rörelse.

En speciell form av sintring (som fortfarande anses vara en del av pulvermetallurgi) är sintring i vätskeformigt tillstånd där minst ett men inte alla element är i flytande tillstånd. Sintring av flytande tillstånd krävs för tillverkning av hårdmetall och volframkarbid .

Speciellt sintrat brons används ofta som ett material för lager , eftersom dess porositet gör att smörjmedel kan flöda genom det eller förbli fångat inuti det. Sintrad koppar kan användas som en vätskekonstruktion i vissa typer av värmerörkonstruktioner , där porositeten tillåter ett flytande medel att röra sig genom det porösa materialet via kapillärverkan . För material som har höga smältpunkter som molybden , volfram , rhenium , tantal , osmium och kol , är sintring en av få livskraftiga tillverkningsprocesser. I dessa fall är mycket låg porositet önskvärt och kan ofta uppnås.

Sintrat metallpulver används för att göra spröda hagelgevär som kallas brytningsrundor , som används av militära och SWAT -team för att snabbt tvinga in i ett låst rum. Dessa hagelgevär är utformade för att förstöra dörrspärrar, lås och gångjärn utan att riskera liv genom ricocheting eller genom att flyga vidare med dödlig hastighet genom dörren. De fungerar genom att förstöra föremålet de träffar och sedan spridas till ett relativt ofarligt pulver.

Sintrat brons och rostfritt stål används som filtermaterial i applikationer som kräver hög temperaturbeständighet samtidigt som de behåller förmågan att regenerera filterelementet. Till exempel används sintrade rostfria element för filtrering av ånga i livsmedels- och farmaceutiska tillämpningar och sintrat brons i flygplanshydrauliska system.

Sintring av pulver som innehåller ädelmetaller som silver och guld används för att göra små smycken.

Fördelar

Särskilda fördelar med pulvertekniken inkluderar:

1. Mycket höga nivåer av renhet och enhetlighet i utgångsmaterial
2. Bevarande av renhet, på grund av den enklare efterföljande tillverkningsprocessen (färre steg) som den möjliggör
3. Stabilisering av detaljerna vid repetitiva operationer, genom kontroll av kornstorlek under inmatningsstegen
4. Frånvaro av bindande kontakt mellan segregerade pulverpartiklar - eller "inneslutningar" (kallad stringering) - som ofta förekommer i smältprocesser
5. Ingen deformation behövs för att producera riktad töjning av korn
6. Förmåga att producera material med kontrollerad, likformig porositet.
7. Förmåga att producera nästan nätformade föremål.
8. Förmåga att producera material som inte kan produceras med någon annan teknik.
9. Möjlighet att tillverka höghållfast material som turbinblad.
10. Efter sintring blir den mekaniska styrkan till hantering högre.

Litteraturen innehåller många referenser om sintring av olika material för framställning av fasta/fastfasföreningar eller fasta/smältblandningar vid bearbetningssteget. Nästan alla ämnen kan erhållas i pulverform, antingen genom kemiska, mekaniska eller fysiska processer, så i princip kan vilket material som helst erhållas genom sintring. När rena element sintras är kvarvarande pulver fortfarande rent, så det kan återvinnas.

Nackdelar

Särskilda nackdelar med pulvertekniken inkluderar:

1. 100% sintrad (järnmalm) kan inte laddas i masugnen
2. sintring kan inte skapa enhetliga storlekar
3. mikro- och nanostrukturer som produceras före sintring förstörs ofta.

Sintring av plast

Plastmaterial bildas genom sintring för applikationer som kräver material med specifik porositet. Sintrade plastiska porösa komponenter används vid filtrering och för att kontrollera vätske- och gasflöden. Sintrad plast används i applikationer som kräver kaustiska vätskeseparationsprocesser, såsom spetsar i whiteboardmarkörer, inhalatorfilter och ventiler för lock och fodrar på förpackningsmaterial. Sintrade ultrahögmolekylära polyetenmaterial används som skid- och snowboardbasmaterial. Den porösa strukturen gör att vax kan hållas kvar i basmaterialets struktur, vilket ger en mer hållbar vaxbeläggning.

Sintring av flytande fas

För material som är svåra att sintra används vanligtvis en process som kallas sintring av flytande fas . Material för vilka smältfassintring är vanligt är Si ₃ N ₄ , WC , SiC , och mer. Sintring med flytande fas är processen att tillsätta en tillsats till pulvret som kommer att smälta före matrisfasen. Processen med sintring av flytande fas har tre steg:

• omarrangemang - Eftersom vätskan smälter kommer kapillärverkan att dra vätskan in i porerna och också få korn att omarrangeras till ett mer fördelaktigt förpackningsarrangemang.
• lösning-utfällning- I områden där kapillartrycket är högt (partiklar ligger nära varandra) kommer atomer företrädesvis att gå in i lösning och sedan fälla ut i områden med lägre kemisk potential där partiklar inte är nära eller i kontakt. Detta kallas kontaktplattning. Detta förtätar systemet på ett sätt som liknar korngränsdiffusion vid sintring av fast tillstånd. Ostwald -mognad kommer också att inträffa där mindre partiklar kommer att gå i lösning företrädesvis och fälla ut på större partiklar som leder till förtätning.
• slutlig förtätning - förtätning av fast skelettnät, vätskeförflyttning från effektivt packade regioner till porer.

För att vätskefasesintring ska vara praktisk bör huvudfasen vara åtminstone något löslig i vätskefasen och tillsatsen ska smälta innan någon större sintring av det fasta partikelformiga nätverket inträffar, annars kommer inte omläggning av korn att ske. Sintring av flytande fas applicerades framgångsrikt för att förbättra spannmålstillväxten för tunna halvledarskikt från nanopartikelprekursorfilmer .

Elektrisk ström assisterad sintring

Dessa tekniker använder elektriska strömmar för att driva eller förbättra sintring. Engelska ingenjören AG Bloxam registrerade 1906 det första patentet på sintringspulver med likström i vakuum . Det primära syftet med hans uppfinningar var industriell skala av filamentgarn för glödlampor genom komprimering volfram- eller molybdenpartiklar. Den applicerade strömmen var särskilt effektiv för att reducera ytoxider som ökade emissiviteten hos filamenten.

År 1913 patenterade Weintraub och Rush en modifierad sintringsmetod som kombinerade elektrisk ström med tryck . Fördelarna med denna metod bevisades för sintring av eldfasta metaller såväl som ledande karbid eller nitrid pulver. Utgångspulverna bor - kol eller kisel - kol placerades i ett elektriskt isolerande rör och komprimerades av två stavar som också fungerade som elektroder för strömmen. Den uppskattade sintringstemperaturen var 2000 ° C.

I USA patenterades sintring först av Duval d'Adrian 1922. Hans trestegsprocess syftade till att producera värmebeständiga block av sådana oxidmaterial som zirkoniumoxid , thoria eller tantalia . Stegen var: (i) formning av pulvret; (ii) glödgning vid ca 2500 ° C för att få den att leda; (iii) applicering av strömmatssintring som i metoden av Weintraub och Rush.

Sintring som använder en båge som produceras via en kapacitansurladdning för att eliminera oxider före uppvärmning av likström, patenterades av GF Taylor 1932. Detta härstammar från sintringsmetoder som använder pulserad eller växelström , så småningom överlagrad till en likström. Dessa tekniker har utvecklats under många decennier och sammanfattats i mer än 640 patent.

Av dessa tekniker är den mest kända resistanssintringen (även kallad varmpressning ) och gnistplasmasintring , medan elektro -sintringssmide är den senaste utvecklingen inom detta område.

Sparkplasma sintring

Vid gnistplasmasintring (SPS) appliceras yttre tryck och ett elektriskt fält samtidigt för att öka förtätningen av metall/keramiska pulverkompakter. Men efter kommersialiseringen fastställdes det att det inte finns någon plasma, så det rätta namnet är gnistsintring som myntades av Lenel. Den elektriska fältdrivna förtätningen kompletterar sintringen med en form av varmpressning för att möjliggöra lägre temperaturer och ta mindre tid än typisk sintring. Under ett antal år spekulerades det i att förekomsten av gnistor eller plasma mellan partiklar kan hjälpa sintring; emellertid bevisade Hulbert och medarbetare systematiskt att de elektriska parametrarna som används vid gnistplasmasintring gör det (mycket) osannolikt. Mot bakgrund av detta har namnet "gnistplasmasintring" blivit föråldrat. Termer som "Field Assisted Sintering Technique" (FAST), "Electric Field Assisted Sintering" (EFAS) och Direct Current Sintering (DCS) har implementerats av sintringssamhället. Med hjälp av en DC -puls som elektrisk ström, skulle gnista plasma, gnisttryck, jouleuppvärmning och en elektrisk fältdiffusionseffekt skapas. Genom att modifiera grafitformens konstruktion och dess montering visade det sig skapa trycklöst sintringstillstånd i gnistplasmasintringsanläggning . Denna modifierade formkonstruktion uppges rapportera att synergisera fördelarna med både konventionell trycksäker sintring och gnistplasmasintningsteknik.

Elektrosinter smide

Electro sinter smide är en elektrisk ström assisterad sintring (ECAS) teknik som härrör från kondensator urladdning sintring . Den används för framställning av diamantmetallmatriskompositer och utvärderas för tillverkning av hårda metaller, nitinol och andra metaller och intermetaller. Det kännetecknas av en mycket låg sintringstid, vilket gör att maskinerna kan sintra i samma hastighet som en komprimeringspress.

Tryckfri sintring

Trycksäker sintring är sintring av en pulverkompakt (ibland vid mycket höga temperaturer, beroende på pulvret) utan applicerat tryck. Detta undviker densitetsvariationer i den sista komponenten, vilket sker med mer traditionella hetpressningsmetoder.

Pulverkompakten (om en keramik) kan skapas genom slipgjutning , formsprutning och kall isostatisk pressning . Efter förinterning kan den slutliga gröna kompakten bearbetas till sin slutliga form innan den sintras.

Tre olika uppvärmningsscheman kan utföras med trycklös sintring: konstant uppvärmningshastighet (CRH), hastighetsstyrd sintring (RCS) och tvåstegssintring (TSS). Mikrostrukturen och kornstorleken på keramiken kan variera beroende på material och metod som används.

Konstant uppvärmningshastighet (CRH), även känd som temperaturstyrd sintring, består i att värma den gröna kompakten med en konstant hastighet upp till sintringstemperaturen. Experiment med zirkoniumoxid har utförts för att optimera sintringstemperaturen och sintringshastigheten för CRH -metoden. Resultaten visade att kornstorleken var identiska när proverna sintrade till samma densitet, vilket bevisar att kornstorleken är en funktion av provtätheten snarare än CRH -temperaturläget.

Vid hastighetsstyrd sintring (RCS) är förtätningshastigheten i fasen med öppen porositet lägre än i CRH-metoden. Per definition är den relativa densiteten, ρ _rel , i fasen med öppen porositet lägre än 90%. Även om detta borde förhindra separering av porer från spannmålsgränser, har det statistiskt bevisats att RCS inte producerade mindre kornstorlekar än CRH för aluminiumoxid-, zirkoniumoxid- och ceriaprover.

Tvåstegssintring (TSS) använder två olika sintringstemperaturer. Den första sintringstemperaturen bör garantera en relativ densitet högre än 75% av den teoretiska provtätheten. Detta kommer att ta bort superkritiska porer från kroppen. Provet kyls sedan ner och hålls vid den andra sintringstemperaturen tills förtätningen är klar. Korn av kubisk zirkoniumoxid och kubisk strontiumtitanat förädlades signifikant av TSS jämfört med CRH. Kornstorleksförändringarna i andra keramiska material, som tetragonal zirkoniumoxid och sexkantig aluminiumoxid, var emellertid inte statistiskt signifikanta.

Mikrovågssintring

Vid mikrovågssintring genereras ibland värme internt i materialet, snarare än via ytstrålande värmeöverföring från en extern värmekälla. Vissa material kopplar inte ihop och andra uppvisar bortkörningsbeteende, så det är begränsat i användbarhet. En fördel med mikrovågssintring är snabbare uppvärmning för små laster, vilket innebär att mindre tid krävs för att nå sintringstemperaturen, mindre värmeenergi krävs och det finns förbättringar i produktegenskaperna.

Ett misslyckande med mikrovågssintring är att det i allmänhet bara sintrar en kompakt åt gången, så den totala produktiviteten visar sig vara dålig utom i situationer som involverar en unik sintring, till exempel för konstnärer. Eftersom mikrovågor bara kan tränga in en kort sträcka i material med hög konduktivitet och hög permeabilitet , kräver mikrovågssintring att provet levereras i pulver med en partikelstorlek runt mikrovågornas penetrationsdjup i det specifika materialet. Sintringsprocessen och sidreaktionerna löper flera gånger snabbare vid mikrovågssintring vid samma temperatur, vilket resulterar i olika egenskaper för den sintrade produkten.

Denna teknik erkänns vara ganska effektiv för att bibehålla fina korn/nanostorlekar i sintrad biokeramik . Magnesiumfosfater och kalciumfosfater är exemplen som har bearbetats genom mikrovågssintringsteknik.

Förtätning, förglasning och spannmålstillväxt

Sintring i praktiken är kontrollen av både förtätning och spannmålstillväxt . Förtätning är att minska porositeten i ett prov och därigenom göra det tätare. Kornstillväxt är processen med spannmålsgränsrörelse och Ostwald -mognad för att öka den genomsnittliga kornstorleken. Många egenskaper ( mekanisk hållfasthet , elektrisk brytstyrka, etc.) gynnas av både en hög relativ densitet och en liten kornstorlek. Därför är det av hög teknisk betydelse att kunna styra dessa egenskaper under bearbetning. Eftersom förtätning av pulver kräver höga temperaturer sker naturligt spannmålstillväxt under sintring. Minskning av denna process är nyckeln för många tekniska keramiker. Under vissa förhållanden för kemi och orientering kan vissa korn växa snabbt på bekostnad av sina grannar under sintring. Detta fenomen, känt som onormal spannmålstillväxt (AGG), resulterar i en bimodal kornstorleksfördelning som har konsekvenser för det sintrade föremålets mekaniska prestanda.

För att förtätningen ska ske i snabb takt är det viktigt att ha (1) en mängd vätskefas som är stor i storlek, (2) en nästan fullständig löslighet av det fasta ämnet i vätskan, och (3) vätning av det fasta med vätskan. Kraften bakom förtätningen härleds från kapillartrycket i vätskefasen som ligger mellan de fina fasta partiklarna. När vätskefasen väter de fasta partiklarna blir varje utrymme mellan partiklarna en kapillär där ett väsentligt kapillartryck utvecklas. För submikrometerpartikelstorlekar utvecklar kapillärer med diametrar i intervallet 0,1 till 1 mikrometer tryck i intervallet 175 pund per kvadrattum (1210 kPa) till 1750 pund per kvadrattum (12 100 kPa) för silikatvätskor och i intervallet 975 pund per kvadrattum (6 720 kPa) till 9 750 pund per kvadrattum (67 200 kPa) för en metall såsom flytande kobolt.

Förtätning kräver konstant kapillartryck där materialöverföring av lösning-utfällning inte skulle ge förtätning. För ytterligare förtätning inträffar ytterligare partikelrörelse medan partikeln genomgår spannmålstillväxt och ändringar av kornform. Krympning skulle uppstå när vätskan glider mellan partiklar och ökar trycket vid beröringspunkter som får materialet att röra sig bort från kontaktytorna, vilket tvingar partikelcentra att dra nära varandra.

Sintringen av vätskefasmaterial innefattar en finkornig fast fas för att skapa de nödvändiga kapillartrycken proportionella mot dess diameter, och vätskekoncentrationen måste också skapa det erforderliga kapillartrycket inom intervallet, annars upphör processen. Förglasningshastigheten är beroende av porstorleken, viskositeten och mängden vätskefas som är närvarande, vilket leder till viskositeten hos den totala kompositionen och ytspänningen. Temperaturberoende för förtätning styr processen eftersom vid högre temperaturer minskar viskositeten och ökar vätskeinnehållet. Därför, när ändringar av kompositionen och bearbetningen görs, kommer det att påverka förglasningsprocessen.

Sintringsmekanismer

Sintring sker genom diffusion av atomer genom mikrostrukturen. Denna diffusion orsakas av en gradient av kemisk potential - atomer rör sig från ett område med högre kemisk potential till ett område med lägre kemisk potential. De olika vägar atomerna tar för att komma från en plats till en annan är sintringsmekanismerna. De sex vanliga mekanismerna är:

• ytdiffusion - diffusion av atomer längs ytan av en partikel
• ångtransport - avdunstning av atomer som kondenserar på en annan yta
• gitterdiffusion från ytan - atomer från ytan diffunderar genom gitteret
• gitterdiffusion från korngräns - atom från korngräns diffunderar genom gitter
• korngränsdiffusion - atomer diffunderar längs korngränsen
• plastisk deformation - dislokationsrörelse orsakar flöde av materia.

Man måste också skilja mellan förtätande och icke-förtätande mekanismer. 1–3 ovan är icke-förtätande-de tar atomer från ytan och ordnar om dem till en annan yta eller del av samma yta. Dessa mekanismer omorganiserar helt enkelt materia inuti porositeten och får inte porerna att krympa. Mekanismerna 4–6 är förtätningsmekanismer - atomer flyttas från massan till ytan av porerna, vilket eliminerar därigenom porositet och ökar provets densitet.

Kornväxt

En korngräns (GB) är övergångsområdet eller gränssnittet mellan angränsande kristalliter (eller korn) av samma kemikalie och gitterkomposition , för att inte förväxlas med en fasgräns . De intilliggande kornen har inte samma orientering av gitteret, vilket ger atomerna i GB förskjutna positioner relativt gitteret i kristallerna . På grund av den förskjutna positioneringen av atomerna i GB har de ett högre energitillstånd jämfört med atomerna i kornens kristallgitter. Det är denna ofullkomlighet som gör det möjligt att selektivt etsa GB: erna när man vill att mikrostrukturen ska vara synlig.

Strävar efter att minimera sina leder energi till förgrovning av mikrostrukturen för att nå ett metastabilt tillstånd inom provet. Detta innebär att minimera GB -området och ändra dess topologiska struktur för att minimera dess energi. Denna spannmålstillväxt kan antingen vara normal eller onormal , en normal spannmålstillväxt kännetecknas av den enhetliga tillväxten och storleken på alla kornen i provet. Onormal spannmålstillväxt är när några korn växer mycket större än den återstående majoriteten.

Korngränsenergi/spänning

Atomerna i GB har normalt ett högre energitillstånd än motsvarigheten i bulkmaterialet. Detta beror på deras mer sträckta bindningar, vilket ger upphov till en GB -spänning . Denna extra energi att atomerna besitter kallas korngränsenergin, . Kornet kommer att vilja minimera denna extra energi, och strävar därför efter att göra spannmålsgränsområdet mindre och denna förändring kräver energi. ${\ displaystyle \ sigma _ {GB}}$${\ displaystyle \ gamma _ {GB}}$

”Eller med andra ord, en kraft måste appliceras i spannmålsgränsens plan och verka längs en linje i spannmålsgränsområdet för att förlänga spannmålsgränsområdet i kraftens riktning. Kraften per längdenhet, dvs spänning/spänning, längs den nämnda linjen är σGB. På grundval av detta resonemang skulle det följa att:

med dA som ökningen av spannmålsgränsytan per längdenhet längs linjen i det betraktade spannmålsgränsområdet. ” ^{[s 478]}

GB -spänningen kan också ses som attraktionskrafterna mellan atomerna vid ytan och spänningen mellan dessa atomer beror på att det finns ett större interatomiskt avstånd mellan dem vid ytan jämfört med massan (dvs. ytspänning ) . När ytan blir större sträcker sig bindningarna mer och GB -spänningen ökar. För att motverka denna spänningsökning måste det ske en transport av atomer till ytan som håller GB -spänningen konstant. Denna diffusion av atomer står för den konstanta ytspänningen i vätskor. Sedan argumentet,

stämmer. För fasta ämnen kan å andra sidan diffusion av atomer till ytan inte vara tillräcklig och ytspänningen kan variera med en ökning av ytarean.

För ett fast ämne kan man härleda ett uttryck för förändringen i Gibbs fria energi, dG, vid förändringen av GB -området, dA. dG ges av

vilket ger

${\ displaystyle \ sigma _ {GB}}$uttrycks normalt i enheter av medan uttrycks normalt i enheter av eftersom de har olika fysikaliska egenskaper. ${\ displaystyle {\ frac {N} {m}}}$${\ displaystyle \ gamma _ {GB}}$${\ displaystyle {\ frac {J} {m^{2}}}}$ ${\ displaystyle (J = Nm)}$

Mekanisk jämvikt

I ett tvådimensionellt isotropiskt material skulle korngränsspänningen vara densamma för kornen. Detta skulle ge en vinkel på 120 ° vid GB -korsningen där tre korn möts. Detta skulle ge strukturen ett sexkantigt mönster som är metastabilt tillstånd (eller mekanisk jämvikt ) för 2D -provet. En konsekvens av detta är att korn med färre sidor än sex för att försöka hålla så nära jämvikten som möjligt kommer att böja GB för att försöka hålla 120 ° -vinkeln mellan varandra. Detta resulterar i en krökt gräns med sin krökning mot sig själv. Ett spannmål med sex sidor kommer, som nämnts, att ha raka gränser, medan ett spannmål med mer än sex sidor kommer att ha krökta gränser med sin krökning bort från sig själv. Ett korn med sex gränser (dvs. sexkantig struktur) befinner sig i ett metastabilt tillstånd (dvs. lokal jämvikt) inom 2D -strukturen. I tre dimensioner är strukturella detaljer liknande men mycket mer komplexa och den metastabila strukturen för ett spannmål är en icke-vanlig 14-sidig polyhedra med dubbelt krökta ytor. I praktiken är alla kornmatriser alltid instabila och växer därför alltid tills de förhindras av en motkraft.

Korn strävar efter att minimera sin energi, och en krökt gräns har en högre energi än en rak gräns. Detta innebär att spannmålsgränsen migrerar mot krökningen. Konsekvensen av detta är att korn med mindre än 6 sidor kommer att minska i storlek medan korn med mer än 6 sidor kommer att öka i storlek.

Korntillväxt uppstår på grund av atoms rörelse över en korngräns. Konvexa ytor har en högre kemisk potential än konkava ytor, därför kommer korngränserna att röra sig mot deras krökningscentrum. Eftersom mindre partiklar tenderar att ha en högre krökningsradie och detta resulterar i att mindre korn förlorar atomer till större korn och krymper. Detta är en process som kallas Ostwald -mognad. Stora korn växer på bekostnad av småkorn.

Kornväxt i en enkel modell visar sig följa:

Här är G den slutliga genomsnittliga kornstorleken, G ₀ är den ursprungliga genomsnittliga kornstorleken, t är tiden, m är en faktor mellan 2 och 4 och K är en faktor som ges av:

Här Q är den molära aktiveringsenergin, R är den ideala gaskonstanten, T är absoluta temperaturen, och K ₀ är ett material beroende faktor. I de flesta material är den sintrade kornstorleken proportionell mot den inversa kvadratroten av fraktionell porositet, vilket innebär att porerna är den mest effektiva retardanten för spannmålstillväxt under sintring.

Minska spannmålstillväxten

Lösta joner

Om ett dopmedel tillsätts till materialet (exempel: Nd i BaTiO ₃ ) tenderar orenheten att hålla sig till spannmålsgränserna. När korngränsen försöker röra sig (när atomer hoppar från den konvexa till konkava ytan) kommer förändringen i koncentrationen av dopmedlet vid spannmålsgränsen att påverka gränsen. Den ursprungliga koncentrationen av löst ämne runt spannmålsgränsen är i de flesta fall asymmetrisk. När spannmålsgränsen försöker röra sig kommer koncentrationen på motsatt sida av rörelse att ha en högre koncentration och därför ha en högre kemisk potential. Denna ökade kemiska potential kommer att fungera som en backforce till den ursprungliga kemiska potentialgradienten som är orsaken till korngränsrörelsen. Denna minskning av kemisk nettopotential minskar spannmålsgränshastigheten och därmed spannmålstillväxten.

Fina andra faspartiklar

Om partiklar av en andra fas som är olösliga i matrisfasen tillsätts till pulvret i form av ett mycket finare pulver, kommer detta att minska korngränsrörelsen. När korngränsen försöker röra sig förbi inkluderingsdiffusionen av atomer från en korn till den andra kommer den att hindras av den olösliga partikeln. Detta beror på att det är fördelaktigt för partiklar att ligga i spannmålsgränserna och de utövar en kraft i motsatt riktning jämfört med spannmålsgränsmigration. Denna effekt kallas Zener -effekten efter mannen som uppskattade denna dragkraft till

där r är partikelns radie och λ gränsens gränsenergi om det finns N -partiklar per volymenhet är deras volymfraktion f

förutsatt att de är slumpmässigt fördelade. En gräns för enhetsarea skär alla partiklar inom en volym av 2r som är 2Nr -partiklar. Så antalet partiklar n som skär en enhet av korngräns är:

Nu, förutsatt att kornen bara växer på grund av krökningens påverkan, är tillväxtens drivkraft där (för homogen kornstruktur) R närmar sig kornens medeldiameter. Med detta den kritiska diameter som måste uppnås innan kornen slutar växa: ${\ displaystyle {\ frac {2 \ lambda} {R}}}$

Detta kan reduceras till

så den kritiska diametern på kornen beror på partiklarnas storlek och volymfraktion vid korngränserna.

Det har också visats att små bubblor eller håligheter kan fungera som inkludering

Mer komplicerade interaktioner som bromsar korngränsrörelsen inkluderar interaktioner mellan ytkraften hos de två kornen och inkluderingen och diskuteras i detalj av CS Smith.

Sintring av katalysatorer

Sintring är en viktig orsak till förlust av katalysatoraktivitet , särskilt på metallkatalysatorer som bärs upp. Det minskar katalysatorns ytarea och ändrar ytstrukturen. För en porös katalytisk yta kan porerna kollapsa på grund av sintring, vilket resulterar i förlust av ytarea. Sintring är i allmänhet en irreversibel process.

Små katalysatorpartiklar har den högsta möjliga relativa ytan och hög reaktionstemperatur, båda faktorer som generellt ökar reaktiviteten hos en katalysator. Dessa faktorer är emellertid också de omständigheter under vilka sintring sker. Specifika material kan också öka sintringshastigheten. Å andra sidan kan sintring reduceras genom att legera katalysatorer med andra material. Särskilt sällsynta jordartsmetaller har visat sig minska sintring av metallkatalysatorer vid legering.

För många metallkatalysatorer som stöds börjar sintringen bli en betydande effekt vid temperaturer över 500 ° C (932 ° F). Katalysatorer som arbetar vid högre temperaturer, till exempel en bilkatalysator , använder strukturella förbättringar för att minska eller förhindra sintring. Dessa förbättringar är i allmänhet i form av en bärare gjord av ett inert och termiskt stabilt material såsom kiseldioxid , kol eller aluminiumoxid .

Se även

Referenser

Vidare läsning

• Chiang, Yet-Ming; Birnie, Dunbar P .; Kingery, W. David (maj 1996). Fysisk keramik: Principer för keramisk vetenskap och teknik . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-59873-9.
• Grön, DJ; Hannink, R .; Swain, MV (1989). Transformationshärdning av keramik . Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5.
• Tyska, RM (1996). Sintringsteori och praktik . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-05786-X.
• Kang, Suk-Joong L. (2005). Sintring (1: a uppl.). Oxford: Elsevier , Butterworth Heinemann. ISBN 0-7506-6385-5.

externa länkar

• Particle-Particle-Sintering-en 3D-galler kinetisk Monte Carlo-simulering
• Sphere-Plate-Sintering-en 3D-gitter kinetisk Monte Carlo-simulering