소결

소결 또는 프리티지는 물질의 고체 덩어리를 액상화 지점까지 녹이지^[2] 않고 열이나 압력에 의해^[1] 압축하여 형성하는 과정입니다.

소결은 금속, 세라믹, 플라스틱 및 기타 재료와 함께 사용되는 제조 공정의 일부로 발생합니다.물질의 원자는 입자의 경계를 넘어 확산되어 입자를 융합하고 하나의 고체 조각을 만듭니다.소결온도가 재료의 녹는점에 도달할 필요가 없기 때문에 텅스텐이나 몰리브덴과 같이 녹는점이 매우 높은 재료의 성형공정으로서 소결이 선택되는 경우가 많다.야금 분말 관련 공정에서의 소결 연구는 분말 야금이라고 알려져 있다.물과 얼음의 온도차에 의해 구동되는 물컵의 얼음들이 서로 달라붙을 때 소결의 예를 볼 수 있다.압력에 의한 소결의 예로는 빙하에 눈이 쌓이는 것, 느슨한 눈을 함께 눌러 단단한 눈덩이를 형성하는 것 등이 있습니다.

소결로 생성되는 물질을 소결이라고 한다.sinter라는 단어는 중세 고지 독일어 sinter에서 유래한 것으로, 영어 cinder의 어원이다.

일반 소결

소결은 공극률을 낮추고 강도, 전기전도율, 반투명, 열전도율 등의 특성을 향상시킬 때 효과적이지만, 다른 경우에는 필터나 촉매처럼 가스 흡수율을 일정하게 유지하는 것이 유용할 수 있습니다.소성공정에서 원자확산은 분말 사이에 목이 형성되는 것부터 공정의 마지막에 작은 구멍을 최종적으로 제거하는 것까지 다양한 단계에서 분말표면 제거를 촉진한다.

고밀도화의 원동력은 고체 증기 계면 교체에 의한 표면적 감소 및 표면 자유 에너지 감소로 인한 자유 에너지의 변화입니다.자유 에너지 발생이 총체적으로 감소하는 새로운 저에너지 고체 계면을 형성한다.미시적 규모에서 재료 전달은 곡면 전체에 걸친 압력의 변화와 자유 에너지의 차이에 의해 영향을 받습니다.입자의 크기가 작고 곡률이 높으면 이러한 효과는 매우 커집니다.곡률 반경이 수 마이크로미터 미만일 때 에너지 변화가 훨씬 더 크며, 이것이 많은 세라믹 기술이 미립자 ^[3]재료의 사용에 기반을 두고 있는 주요 이유 중 하나입니다.

강도나 전도성 등의 성질은 입경에 대한 결합 면적이 결정 요인이다.증기 압력은 온도에 따라 달라지기 때문에 주어진 재료에 대해 제어할 수 있는 변수는 온도와 초기 입자 크기입니다.시간 경과에 따라 입자 반지름과 증기 압력은 각각 ^[3](p₀)^2/3와 (p₀)^1/3에 비례한다.

고체 공정의 동력원은 목과 입자 표면 사이의 자유 또는 화학적 위치 에너지의 변화입니다.이 에너지는 가능한 한 빠른 방법을 통해 물질의 전달을 생성한다. 만약 전달이 입자 부피 또는 입자 사이의 입자 경계에서 일어난다면, 입자 감소와 기공 파괴가 있을 것이다.모공 제거는 균일한 크기의 모공이 많고 경계 확산 거리가 작은 다공성이 높은 시험에서 더 빨리 발생합니다.공정의 후반부에서 경계와 경계로부터의 격자 확산이 ^[3]중요해진다.

입자 경계 확산 및 부피 확산은 온도, 재료 입자의 크기 및 분포, 재료 조성 및 종종 ^[3]제어해야 할 소결 환경에 크게 의존하기 때문에 온도 제어는 소결 공정에서 매우 중요하다.

세라믹 소결

소결은 도자기 및 기타 도자기 제조에 사용되는 소성 공정의 일부입니다.이 물체들은 유리, 알루미나, 지르코니아, 실리카, 마그네시아, 석회, 산화 베릴륨, 산화철과 같은 물질로 만들어진다.일부 세라믹 원료는 점토보다 물에 대한 친화력이 낮고 가소성 지수가 낮아 소결 전 단계에서 유기 첨가제가 필요합니다.분말의 소결을 통해 세라믹 객체를 만드는 일반적인 절차에는 다음이 포함됩니다.

• 슬러리를 형성하기 위해 물, 바인더, 탈착제 및 미포장 세라믹스 분말을 혼합하는 것
• 슬러리에 스프레이를 뿌리다
• 분무 건조 분말을 틀에 넣고 녹색 몸체를 형성하기 위해 누르는 것(주입되지 않은 세라믹 아이템)
• 바인더를 태워 없애기 위해 저온에서 녹색체를 가열하는 것
• 높은 온도에서 소결하여 세라믹 입자를 융합합니다.

광학확장계 열해석 중 팽창온도곡선을 관찰함으로써 특정 세라믹제(즉 꼬리 및 프리트)의 소결사이클 중에 발생하는 위상변환, 유리전이 및 융점과 관련된 모든 특성온도를 쉽게 얻을 수 있다.실제로 소결화는 재료의 현저한 수축과 관련이 있는데, 그 이유는 전이 온도에 도달하면 유리상이 흐르기 때문에 분말 구조를 굳히고 재료의 다공성을 크게 감소시키기 때문입니다.

소결은 고온에서 이루어진다.또한 제2 및/또는 제3의 외력(압력, 전류 등)을 사용할 수 있다.일반적으로 사용되는 두 번째 외력은 압력입니다.따라서 온도만을 사용하여 이루어지는 소결은 일반적으로 "무압 소결"이라고 불립니다.나노 입자 소결 보조 및 벌크 성형 기술을 통해 등급화된 금속-세라믹 복합 재료에 의해 무압 소결이 가능하다.3D 형태에 사용되는 변형을 핫 아이소스타틱 프레스라고 합니다.

소결 중에 제품을 효율적으로 고로에 쌓을 수 있도록 하고 부품이 서로 달라붙는 것을 방지하기 위해 많은 제조업체에서 세라믹 분말 분리 시트를 사용하여 제품을 분리합니다.이 시트는 알루미나, 지르코니아, 마그네시아 등 다양한 소재로 제공됩니다.미세 입자, 중간 입자 및 거친 입자 크기에 따라 추가로 분류됩니다.소결 대상 기구에 재료와 입경을 일치시킴으로써 노재 하중을 최대화하면서 표면 손상 및 오염을 줄일 수 있다.

금속 분말의 소결

전부는 ^[which?]아니더라도 대부분의 금속은 소결될 수 있다.이는 특히 표면 오염이 없는 진공 상태에서 생산된 순수 금속에 적용됩니다.대기압 하에서 소결하려면 보호 가스의 사용이 필요하며, 상당히 많은 경우 흡열 가스를 사용해야 합니다.이후의 재가공과 함께 소결은 광범위한 재료 특성을 생성할 수 있습니다.밀도, 합금 및 열처리의 변화는 다양한 제품의 물리적 특성을 변화시킬 수 있습니다.예를 들어, 소결철 분말의 영_n 계수 E는 낮은 소결 온도에서 원래 분말의 소결 시간, 합금 또는 입자 크기에 다소 둔감하지만 최종 제품의 밀도에 따라 달라집니다.

여기서 D는 밀도, E는 영 계수, d는 철의 최대 밀도입니다.

소결은 특정 외부 조건 하에서 금속 분말이 결합을 보일 경우 정적인 상태이지만 그러한 조건이 제거되면 정상 동작으로 되돌아간다.대부분의 경우, 물질이 공극으로 유입됨에 따라 곡물 집합의 밀도가 증가하여 전체 부피의 감소를 야기합니다.소결 시 발생하는 질량 이동은 재포장에 의한 총 다공성 감소와 확산에 의한 증발 및 응축에 의한 물질 수송으로 구성된다.마지막 단계에서 금속 원자는 결정 경계를 따라 내부 모공의 벽으로 이동하며, 물체의 내부 부피에서 질량을 재분배하고 모공 벽을 매끄럽게 합니다.표면 장력이 이 운동의 원동력이다.

특수 형태의 소결(여전히 분말 야금의 일부로 간주됨)은 액체 상태의 소결로, 모든 원소가 액체 상태인 것은 아닙니다.초경합금 및 텅스텐합금 제조에는 액상소결이 필요하다.

특히 소결된 청동은 다공성이 베어링을 통해 윤활유가 흐르거나 베어링 내에서 포획된 상태를 유지할 수 있기 때문에 베어링의 재료로 자주 사용됩니다.소결 구리는 다공성을 통해 액체가 모세관 작용을 통해 다공질 재료를 통과할 수 있는 특정 유형의 히트 파이프 구조에서 위킹 구조로 사용될 수 있다.몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탄탈, 오스뮴 및 탄소와 같이 녹는점이 높은 재료의 경우 소결은 몇 안 되는 가능한 제조 공정 중 하나입니다.이러한 경우에는 매우 낮은 다공성이 바람직하며 종종 달성될 수 있습니다.

소결된 금속 가루는 부서지기 쉬운 샷건 탄환을 만드는데 사용되며, 군대와 SWAT 팀이 잠긴 방에 빠르게 진입하기 위해 사용합니다.이 샷건 포탄은 튕겨나가거나 문을 통해 치명적인 속도로 날아가는 등 생명을 위협하지 않고 문의 데드볼트, 잠금장치, 경첩을 파괴하도록 설계되었다.그들은 그들이 친 물체를 파괴하고 비교적 무해한 가루로 흩어짐으로써 작용한다.

소결된 청동과 스테인리스강은 필터 요소를 재생하는 능력을 유지하면서 고온 저항이 필요한 분야에서 필터 재료로 사용됩니다.예를 들어 소결 스테인리스강 원소는 식품 및 제약 분야에서의 증기 여과 및 항공기 유압 시스템에서의 소결 청동 여과에 사용된다.

은이나 금과 같은 귀금속을 포함한 가루를 소결하여 작은 보석류를 만든다.콜로이드형 은나노튜브를 초결정 형태로 증발시키는 자가조립을 통해 200°^[4]C 미만의 온도에서 전기 접합부를 소결할 수 있는 것으로 나타났다.

이점

분말 기술의 특별한 장점은 다음과 같습니다.

1. 시작 재료의 순도 및 균일성이 매우 높음
2. 순도 유지, 보다 간단한 후속 제작 공정(단순한 단계)으로 가능
3. 투입단계에서의 입경제어를 통한 반복운전의 상세 안정화
4. 용융 공정에서 자주 발생하는 분리된 분말 입자 간 결합 접촉 또는 "포함"(스트링링이라고 함)이 없음
5. 곡립의 방향성 신장을 발생시키기 위해 변형
6. 제어되고 균일한 다공성을 가진 재료를 생산하는 능력.
7. 거의 그물 모양의 개체를 생성할 수 있습니다.
8. 다른 어떤 기술로는 생산할 수 없는 재료를 생산할 수 있는 능력.
9. 터빈 블레이드와 같은 고강도 재료를 제작할 수 있습니다.
10. 소결 후에는 취급에 대한 기계적 강도가 높아집니다.

문헌에는 처리 단계에서 고체/고상 화합물 또는 고체/용융 혼합물을 생성하기 위한 이종 물질의 소결에 대한 많은 참조가 포함되어 있습니다.거의 모든 물질은 화학적, 기계적 또는 물리적 과정을 통해 분말 형태로 얻을 수 있으므로 기본적으로 모든 물질은 소결로 얻을 수 있습니다.순수한 원소를 소결하면 남은 가루는 순수하기 때문에 재활용이 가능합니다.

단점들

분말 기술의 특별한 단점은 다음과 같습니다.

1. 100% 소결(철광석)은 고로에서^{[citation needed]} 충전할 수 없습니다.
2. 소결은 균일한 크기를 만들 수 없다
3. 소결 전에 생성된 미세구조와 나노구조는 종종 파괴된다.

플라스틱 소결

플라스틱 재료는 특정 다공성의 재료를 필요로 하는 용도에 대해 소결하여 형성됩니다.소결 플라스틱 다공질 구성 요소는 여과 및 유체 및 가스 흐름을 제어하는 데 사용됩니다.소결 플라스틱은 화이트보드 마커, 흡입기 필터, 포장재의 ^[5]캡 및 라이너용 통풍구 등 부식성 유체 분리 프로세스가 필요한 용도에 사용됩니다.스키·스노보드 기재에는 소결 초고분자량 폴리에틸렌 소재를 사용한다.다공질 텍스처는 왁스를 모재 구조 내에 유지하여 보다 내구성이 높은 왁스 코팅을 제공합니다.

액상 소결

소결하기 어려운 재료는 액상 소결이라고 하는 공정을 사용합니다.액상소결이 일반적인 재료로는 SiN₃₄, WC, SiC 등이 있다.액체상 소결은 매트릭스상 전에 녹는 분말에 첨가제를 첨가하는 과정입니다.액상 소결 공정은 3단계로 구성됩니다.

• 재배치 – 액체가 녹으면 모세관 작용이 액체를 모공으로 끌어당겨 곡물이 보다 유리한 포장 배열로 재배치됩니다.
• 용액침전 – 모세관 압력이 높은 영역(입자가 서로 가까이 있음)에서는 원자가 우선적으로 용액에 들어간 후 입자가 가까이 있지 않거나 접촉하지 않는 낮은 화학전위 영역에 침전됩니다.이를 접촉 평탄화라고 합니다.이는 고체 소결에서의 입자 경계 확산과 유사한 방식으로 시스템을 밀집시킵니다.오스발트 숙성은 작은 입자가 우선적으로 용액에 들어가 더 큰 입자에 침전되어 밀도가 높아지는 경우에도 발생합니다.
• 최종 조밀화 – 고체 골격망의 조밀화, 효율적으로 충전된 영역에서 모공으로의 액체 이동.

액상소결의 실용성을 위해 주요 상은 액상에서 최소한 약간 용해되어야 하며, 고체 입자 네트워크의 주요 소결이 발생하기 전에 첨가제가 녹아야 하며, 그렇지 않으면 입자의 재배치가 이루어지지 않습니다.나노 입자 전구체막으로부터 ^[6]얇은 반도체층의 입자 성장을 개선하기 위해 액상 소결법을 성공적으로 적용했습니다.

전류 보조 소결

이러한 기술은 전류를 사용하여 ^[7]소결을 구동하거나 강화합니다.영국의 기술자 A. G. Bloxam은 1906년 진공에서 직류를 사용하는 소결 분말에 대한 최초의 특허를 등록했다.그의 발명품의 주된 목적은 텅스텐 또는 몰리브덴 입자를 압축하여 백열등을 위한 필라멘트를 산업적으로 생산한 것이었다.인가된 전류는 필라멘트의 ^[8]방사율을 증가시키는 표면 산화물을 감소시키는 데 특히 효과적이었다.

1913년, 웨인트로브와 러시는 전류와 압력을 결합하는 변형된 소결법을 특허 취득했다.이 방법의 장점은 도전성 탄화물 또는 질화물 분말뿐만 아니라 내화물 금속의 소결에서도 입증되었습니다.시동 붕소-탄소 또는 실리콘-탄소 분말은 전기 절연 튜브에 넣어지고 전류의 전극 역할을 하는 두 개의 막대로 압축됩니다.추정 소결 온도는 2000 °^[8]C였다.

미국에서 소결은 1922년 Duval d'Adrian에 의해 처음 특허되었다.그의 3단계 공정은 지르코니아, 토리아 또는 탄탈리아와 같은 산화물 물질로부터 내열성 블록을 생산하는 것을 목표로 했다.단계는 (i) 분말 성형, (ii) 약 2500°C에서 소둔하여 전도, (iii) Weintraub 및 ^[8]Rush의 방법처럼 전류 압력 소결 적용 등이었다.

직류 가열 전에 산화물을 제거하기 위해 정전용량 방전을 통해 생성된 아크를 사용하는 소결은 G.F.에 의해 특허 취득되었습니다.1932년 테일러.이 방법은 펄스 또는 교류 전류를 사용하는 소결 방법을 개발했으며, 결국 직류 전류에 중첩되었습니다.이러한 기술은 수십 년에 걸쳐 개발되어 640개 이상의 ^[8]특허로 요약되어 있습니다.

이러한 기술 중 가장 잘 알려진 것은 저항 소결(핫 프레스라고도 함)과 스파크 플라즈마 소결이며, 전기 소결 단조는 이 분야의 최신 기술입니다.

스파크 플라즈마 소결

스파크 플라즈마 소결(SPS)에서 외압과 전계를 동시에 인가하여 금속세라믹 분말 콤팩트 밀도를 높인다.그러나 상용화 후 플라즈마가 없다고 판단되어 레넬이 만든 스파크 소결이라고 합니다.전계 구동식 조밀화는 열간 압착 형태의 소결 기능을 보완하여 일반적인 ^[9]소결보다 낮은 온도와 짧은 시간이 소요됩니다.수년 동안 입자 사이에 스파크 또는 플라즈마가 존재하면 소결 효과가 있을 것으로 추측되어 왔지만 Hulbert와 동료들은 스파크 플라즈마 소결 중에 사용되는 전기 매개변수가 (매우)^[10] 가능성이 낮다는 것을 체계적으로 증명했습니다.이에 비추어 "스파크 플라즈마 소결"이라는 이름은 더 이상 사용되지 않게 되었다.소결 ^[11]커뮤니티에 의해 필드 어시스트 소결 기술(FAST), 전계 어시스트 소결(EFAS) 및 직류 소결(DCS) 등의 용어가 구현되었습니다.직류(DC) 펄스를 전류로 사용하여 스파크 플라즈마, 스파크 충격 압력, 줄 가열 및 전계 확산 효과를 생성합니다.^[12]흑연 다이 설계 및 그 조립체를 변경함으로써 스파크 플라즈마 소결설비에서 무압소결할 수 있다.이러한 수정된 다이 설계 설정은 기존의 무압 소결 ^[13]및 스파크 플라즈마 소결 기술의 장점을 모두 높이는 것으로 보고되었습니다.

전기 소결 단조

전기소결단조는 콘덴서 방전소결에서 유래한 전류보조소결(ECAS) 기술입니다.다이아몬드 금속 매트릭스 복합 재료의 생산에 사용되며, ^[14]경금속, 니티놀^[15] 및 기타 금속 및 인터메탈의 생산에 대한 평가를 받고 있습니다.소결 시간이 매우 짧다는 것이 특징이며, 압축 프레스와 동일한 속도로 기계가 소결할 수 있습니다.

무압 소결

무압소결은 압력을 가하지 않고 (때로는 분말에 따라 매우 높은 온도에서) 분말 콤팩트 소결입니다.이렇게 하면 기존의 핫 프레스 ^[16]방식에서 발생하는 최종 구성요소의 밀도 변화를 방지할 수 있습니다.

분말 콤팩트(세라믹의 경우)는 슬립 주조, 사출 성형 및 냉간 등정압 프레싱을 통해 만들 수 있습니다.프리시터링 후 최종 그린 콤팩트를 소결 전 최종 형상으로 가공할 수 있다.

무압 소결에서는 3가지 가열 스케줄(CRH), 속도 제어 소결(RCS) 및 2단계 소결(TSS))을 실행할 수 있습니다.세라믹의 미세구조와 입자 크기는 사용된 ^[16]재료와 방법에 따라 달라질 수 있습니다.

온도 제어 소결이라고도 하는 정속 가열(CRH)은 녹색 콤팩트를 소결 ^[17]온도까지 일정한 속도로 가열하는 것으로 구성됩니다.CRH 방법에 대한 소결 온도 및 소결 속도를 최적화하기 위해 지르코니아 실험을 수행했습니다.그 결과 시료를 동일한 밀도로 소결했을 때 입경이 동일하여 입경이 CRH 온도 모드가 아닌 시료 밀도의 함수임을 입증하였다.

Rate-Controled Sintering(^[17]RCS; 레이트 제어 소결)에서는 개방공극상에서의 농도화 속도가 CRH법보다 낮다.정의상 개방공극상에서의 상대밀도 θ는_rel 90% 미만이다.이로 인해 알루미나, 지르코니아, 셀리아 ^[16]시료의 경우 RCS가 CRH보다 작은 크기의 입자를 생성하지 않았음이 통계적으로 입증되었습니다.

2단계 소결(TSS)은 2개의 다른 소결 온도를 사용합니다.첫 번째 소결 온도는 이론 시료 밀도의 75%보다 높은 상대 밀도를 보장해야 한다.이것은 몸의 초임계 모공을 제거해 줍니다.그런 다음 샘플이 냉각되고 밀도가 완료될 때까지 두 번째 소결 온도에 보관됩니다.큐빅 지르코니아와 큐빅 스트론튬 티탄산염의 입자는 CRH에 비해 TSS에 의해 상당히 정제되었다.그러나 사각형 지르코니아와 육각형 알루미나와 같은 다른 세라믹 재료의 입자 크기 변화는 통계적으로 ^[16]유의하지 않았다.

마이크로파 소결

마이크로파 소결에서는 외부 열원으로부터의 표면 복사 열전달이 아닌 내부에서 열이 발생하는 경우가 있습니다.일부 재료는 결합이 안 되고 다른 재료는 가출 행동을 보이기 때문에 유용성이 제한됩니다.마이크로파 소결의 장점은 소결 온도에 도달하는 데 필요한 시간이 단축되고 가열 에너지가 감소하며 제품 ^[18]특성이 개선된다는 것입니다.

마이크로파 소결의 단점은 일반적으로 한 번에 하나의 콤팩트만 소결하기 때문에 아티스트와 같은 소결 중 하나를 수반하는 상황을 제외하고는 전반적인 생산성이 떨어진다는 것입니다.마이크로파는 전도성이 높고 투과성이 높은 재료에서는 단거리만 투과할 수 있기 때문에 마이크로파 소결은 특정 재료의 마이크로파 투과 깊이 주변의 입자 크기의 분말로 시료를 전달해야 한다.같은 온도에서 마이크로파 소결 중에 소결 과정과 부작용은 몇 배 더 빠르게 실행되므로 소결 ^[18]제품의 특성이 다릅니다.

이 기술은 소결 바이오세라믹스에서 미세입자/나노 크기의 입자를 유지하는 데 상당한 효과가 있는 것으로 인정받고 있다.마이크로파 소결 ^[19]기술을 통해 처리된 예로는 인산마그네슘과 인산칼슘이 있다.

고밀도화, 유리화 및 입자 성장

실제로 소결은 밀도와 곡물 성장을 모두 제어하는 것이다.농도는 시료의 다공성을 감소시켜 시료의 농도를 높이는 행위입니다.곡물의 성장은 곡물의 경계 운동과 오스트발트가 성숙하여 평균 곡물의 크기를 증가시키는 과정이다.많은 특성(기계 강도, 전기적 파괴 강도 등)은 높은 상대 밀도와 작은 입자 크기로 인해 혜택을 받습니다.따라서 처리 중에 이러한 특성을 제어할 수 있는 것은 기술적으로 매우 중요합니다.분말의 고밀화는 고온을 필요로 하기 때문에 소결 과정에서 자연스레 곡물 생장이 일어난다.이 공정의 감소는 많은 엔지니어링 세라믹스의 핵심입니다.화학 및 배향의 특정 조건 하에서, 일부 곡물은 소결 중에 이웃을 희생시키면서 빠르게 자랄 수 있습니다.비정상적인 입자 성장(AGG)으로 알려진 이 현상은 소결 물체의 기계적 성능에 영향을 미치는 양모달 입자 크기 분포를 초래합니다.

밀도가 빠른 속도로 발생하기 위해서는 (1) 큰 액상의 양, (2) 액체 중의 고체의 거의 완전한 용해성, (3) 액체에 의한 고체의 습윤이 필수적이다.고밀도의 배후에 있는 힘은 미세한 고체 입자 사이에 위치한 액상의 모세관 압력에서 도출됩니다.액상이 고체 입자를 적시면 입자 사이의 각 공간은 모세혈관이 되어 상당한 모세혈관의 압력이 발생합니다.입경 0.1~1마이크로미터 범위의 모세혈관은 규산염 액체의 경우 175파운드/제곱인치(1,210kPa)~1,750파운드/제곱인치(12,100kPa) 범위 및 975파운드/제곱인치(6,720kPa)~9,75067파운드/제곱인치(1,750kPa) 범위의 압력을 발생시킵니다.액체 ^[3]코발트와 같은 탈.

고밀도화에는 일정한 모세관 압력이 필요하며, 용액-침전 물질 이동만으로는 고밀도화가 이루어지지 않습니다.한층 더 밀도를 높이기 위해서, 입자가 입자 성장 및 입자 형상 변화를 겪는 동안 추가적인 입자 이동이 발생합니다.액체가 입자 사이에 미끄러져 접촉점의 압력이 증가하여 물질이 접촉 영역에서 멀어지게 되어 입자 중심이 ^[3]서로 가까워질 수 밖에 없게 됩니다.

액상 물질의 소결은 직경에 비례하는 필요한 모세관 압력을 생성하기 위해 미세한 고체상을 수반하며, 액체 농도 또한 필요한 모세관 압력을 범위 내에서 생성해야 하며, 그렇지 않으면 프로세스가 중단됩니다.유리화 속도는 모공 크기, 전체 조성물의 점도로 이어지는 액체상의 점도와 양, 표면 장력에 따라 달라집니다.고밀도화에 대한 온도 의존성은 높은 온도에서는 점도가 감소하고 액체 함량이 증가하므로 공정을 제어합니다.따라서 조성 및 가공이 변경되면 유리화 과정에 ^[3]영향을 미칩니다.

소결 메커니즘

소결은 원자가 미세구조를 통해 확산됨으로써 발생한다.이러한 확산은 화학 퍼텐셜의 기울기에 의해 발생합니다. 즉, 원자는 화학 퍼텐셜이 높은 영역에서 화학 퍼텐셜이 낮은 영역으로 이동합니다.원자가 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 다른 경로는 소결 메커니즘입니다.일반적인 6가지 메커니즘은 다음과 같습니다.

• 표면 확산 – 입자 표면을 따라 원자가 확산됨
• 증기 수송 – 다른 표면에서 응축되는 원자의 증발
• 표면으로부터의 격자 확산 – 표면으로부터의 원자가 격자를 통해 확산됨
• 입자 경계로부터의 격자 확산 – 입자 경계로부터의 원자가 격자를 통해 확산됨
• 입자 경계 확산 – 원자가 입자 경계를 따라 확산됨
• 소성 변형 – 전위 운동이 물질의 흐름을 일으킵니다.

또한, 조밀화 메커니즘과 비조밀화 메커니즘을 구분해야 합니다.위의 1 ~ 3은^{[citation needed]} 비밀도화입니다. 즉, 표면에서 원자를 가져와 다른 표면 또는 같은 표면의 일부에 재배치합니다.이러한 메커니즘은 단순히 다공성 내부의 물질을 재배치하고 모공을 수축시키지 않습니다.메커니즘 4-6은 밀도가 높은 메커니즘으로^{[citation needed]} 원자가 모공의 부피에서 표면으로 이동함으로써 다공성을 제거하고 시료의 밀도를 높입니다.

곡물 생장

입자 경계(GB)는 화학 및 격자 조성이 동일한 인접한 결정체(또는 입자) 간의 전이 영역 또는 계면이며 위상 경계와 혼동해서는 안 된다.인접한 알갱이는 격자의 방향이 동일하지 않기 때문에 결정의 격자에 대해 GB 단위의 원자가 이동합니다.GB 내 원자의 위치 이동으로 인해 입자의 결정 격자에 있는 원자에 비해 에너지 상태가 더 높습니다.이 결점은 미세구조를 ^[20]보여주고 싶을 때 GB를 선택적으로 에칭할 수 있게 하는 것입니다.

에너지를 최소화하기 위해 노력하면 미세구조가 조밀해져 시료 내에서 준안정 상태에 도달한다.여기에는 GB 면적을 최소화하고 토폴로지 구조를 변경하여 에너지를 최소화해야 합니다.이러한 입자의 성장은 정상 또는 비정상일 수 있으며, 정상적인 입자의 성장은 시료 내 모든 입자의 균일한 성장과 크기로 특징지어집니다.비정상적인 곡물의 성장은 소수의 곡물이 나머지 ^[21]곡류보다 훨씬 더 크게 자라는 것이다.

입자 경계 에너지/장력

GB의 원자는 보통 벌크물질의 원자에 비해 높은 에너지 상태에 있습니다.이는 결합이 늘어났기 때문에 GB의 장력이 생기기 때문에 ${\displaystyle {①}_{}}$ $(\$${GB$$\})$ 원자가 갖는 이 여분의 에너지를 ${\displaystyle {②}_{}}$GB(\$displaystyle\gamma_{$GB$\})$라고 하며, 입자는 이 여분의 에너지를 최소화하고 입자의 경계 영역을 만들기 위해 노력합니다.이 변화는 에너지를 필요로 ^[21]합니다.

즉, 입자 경계 영역을 힘의 방향으로 확장하기 위해 입자 경계 평면에 힘을 가하고 입자 경계 영역의 선을 따라 작용해야 한다.단위 길이당 힘(장력/응력)은 언급된 선을 따라 µGB이다.이러한 추론에 기초하여 다음과 같이 된다.

dA는 단위 길이당 곡물 경계 면적의 증가로 간주되는 ^{[21][pg 478]}곡물 경계 면적의 선에 따라 증가한다."

GB의 장력은 표면에서 원자 사이의 장력과 이러한 원자 사이의 장력이 부피(즉 표면 장력)에 비해 표면에서 원자 간 거리가 더 크기 때문이라고 생각할 수 있다.표면적이 커지면 본드가 늘어나 GB의 장력이 증가합니다.이러한 장력 증가를 상쇄하려면 GB 장력을 일정하게 유지한 원자가 표면으로 운반되어야 합니다.이러한 원자의 확산은 액체에서 일정한 표면 장력을 설명한다.그럼 논쟁은

맞는 말이다.반면 고체의 경우 표면으로의 원자의 확산이 충분하지 않을 수 있으며 표면적 ^[22]증가에 따라 표면 장력이 달라질 수 있다.

고체의 경우 GB 면적의 변화에 따른 깁스 자유 에너지 dG의 변화에 대한 식을 도출할 수 있다. dG는 다음과 같이 주어진다.

그러면

${\displaystyle {}_{}}$${\displaystyle ①}$ $GB({displaystyle\displaystyle_{$$GB$$})$는 보통$Nm({displaystyle$\displaystyle_${$GB$$$})$ $단위$로 ${\displaystyle {나타내며}_{}}$, $GB$$({$$displaystyle\$$displaystyle_{m$${\displaystyle }$2$$}})는 $Jm2$$({$$displaystyle$\displaystyle$\$displaystyle_J$})$로 $나타냅니다$.로퍼티^[21]

기계적 평형

2차원 등방성 물질에서는 입자 경계 장력은 입자에 대해 동일합니다.이렇게 하면 세 개의 알갱이가 만나는 GB 접합부에서 120°의 각도가 나타납니다.이는 구조물에 2D 시료의 준안정 상태(또는 기계적 평형)인 육각형 패턴을 제공할 것이다.그 결과, 가능한 한 평형에 가깝게 하기 위해 6개 미만의 변을 가진 입자는 GB를 구부려 서로 120° 각도를 유지하려고 시도합니다.그 결과 곡률 자체와 함께 곡선 경계가 형성됩니다.6개의 면이 있는 곡물은 앞에서 언급한 바와 같이 직선적인 경계를 가지며, 6개 이상의 면이 있는 곡물은 곡선을 그리며 곡선을 그리게 됩니다.6개의 경계(즉, 육각형 구조)를 가진 입자는 2D ^[21]구조 내에서 준안정 상태(즉, 국소 평형)이다.3차원 구조상 세부는 유사하지만 훨씬 복잡하며, 곡립의 준안정 구조는 이중 곡면을 가진 비정규 14면 다면체이다.실제로 모든 곡물 배열은 항상 불안정하기 때문에 반력에 의해 ^[23]방해될 때까지 항상 성장합니다.

곡류는 에너지를 최소화하기 위해 노력하고 곡선은 직선보다 높은 에너지를 가지고 있다.즉,^{[clarification needed]} 곡률 방향으로 입자 경계가 이동한다는 것을 의미합니다.그 결과 6면 이하의 곡물은 크기가 줄어들고 6면 이상의 곡물은 크기가 ^[24]커진다.

입자의 성장은 입자의 경계를 넘는 원자의 움직임으로 인해 일어난다.볼록한 표면은 오목한 표면보다 화학적 잠재력이 높기 때문에 입자 경계는 곡률의 중심을 향해 이동합니다.작은 입자가 더 높은 곡률 반경을 갖는 경향이 있기 때문에 작은 입자는 더 큰 입자로 원자를 잃고 축소됩니다.이것은 오스트발트 숙성이라고 불리는 과정이다.큰 알갱이는 작은 알갱이를 희생하여 자란다.

단순 모델에서의 입자 성장은 다음과 같습니다.

여기서 G는 최종 평균 입경, G는₀ 초기 평균 입경, t는 시간, m은 2와 4 사이의 계수, K는 다음과 같은 인자입니다.

여기서 Q는 몰활성화 에너지, R은 이상가스 상수, T는 절대온도₀, K는 재료의존인자.대부분의 재료에서 소결 입자 크기는 부분 다공성의 역제곱근에 비례하며, 이는 모공이 소결 중 입자 성장을 가장 효과적으로 지연시킨다는 것을 의미합니다.

곡물 생장 저감

용질 이온

재료에 도판트가 첨가된 경우(예:Nd BaTiO)에서는₃ 불순물이 입자 경계에 달라붙는 경향이 있습니다.입자 경계가 이동하려고 할 때(원자가 볼록한 표면에서 오목한 표면으로 점프할 때), 입자 경계의 도판트의 농도 변화는 경계에 발목을 잡는다.입자 경계 주변의 용질 농도는 대부분의 경우 비대칭입니다.입자 경계가 이동하려고 할 때 운동 반대쪽의 농도는 더 높은 농도를 가지며 따라서 더 높은 화학적 잠재성을 갖게 됩니다.이 증가된 화학적 전위는 입자 경계 이동의 원인인 원래의 화학적 전위 구배에 대한 역방향으로 작용합니다.이러한 순 화학적 잠재력의 감소는 입자 경계 속도를 감소시키고 따라서 입자 성장을 감소시킵니다.

미세한 제2상 입자

매트릭스상에서 불용성인 제2상 입자를 고운 분말 형태로 첨가하면 입자 경계 이동이 감소한다.입자 경계가 한 입자에서 다른 입자로 원자의 포함 확산을 통과하려고 할 때, 불용성 입자에 의해 방해될 것입니다.입자가 입자 경계에 상주하는 것이 유리하고 입자 경계 이동에 비해 반대 방향으로 힘을 발휘하기 때문이다.이 효과는 이 견인력을 예측한 사람의 이름을 따서 제너 효과라고 불립니다.

여기서 r은 입자의 반지름이고 단위 부피당 N개의 입자가 있는 경우 경계의 계면 에너지이며, 그 부피 비율 f는 다음과 같다.

무작위로 분포되어 있다고 가정합니다.단위 면적의 경계는 2r의 부피, 즉 2Nr의 입자 내에서 모든 입자와 교차합니다.따라서 입자 경계의 단위 면적과 교차하는 입자 수 n은 다음과 같습니다.

이제 곡률의 영향으로 입자가 성장한다고 가정할 때, 성장 동력은 $($동질입자 구조의 경우) R이 입자의 평균 지름에 근접하는 2µR$(표시$ {2$\lambda$}{$R})$입니다.이를 통해 입자가 성장을 멈추기 전에 도달해야 하는 임계 직경은 다음과 같습니다.

이는 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

따라서 입자의 임계 지름은 입자의 ^[25]경계에 있는 입자의 크기와 부피 비율에 따라 달라집니다.

또한 작은 기포나 공동이 포접물로 작용할 수 있는 것으로 나타났다.

입자 경계 운동을 느리게 하는 더 복잡한 상호작용에는 두 입자의 표면 에너지와 포함물의 상호작용이 포함되며 C.S.에 의해 상세하게 논의된다.스미스.^[26]

촉매의 소결

소결은 특히 지지된 금속 촉매에서 촉매 활성 상실의 중요한 원인입니다.촉매의 표면적을 줄이고 표면 ^[27]구조를 변화시킵니다.다공질 촉매 표면의 경우 소결로 인해 모공이 붕괴되어 표면적이 손실될 수 있다.소결은 일반적으로 되돌릴 수 없는 ^[28]과정입니다.

작은 촉매 입자는 일반적으로 촉매의 반응성을 증가시키는 요인인 가능한 가장 높은 상대 표면적과 높은 반응 온도를 가집니다.그러나 이러한 요인은 소결 현상이 ^[29]발생하는 환경이기도 합니다.특정 재료도 소결 속도를 높일 수 있습니다.한편, 촉매를 다른 재료와 합금함으로써 소결량을 저감할 수 있다.특히 희토류 금속은 ^[30]합금 시 금속 촉매의 소결을 감소시키는 것으로 나타났다.

지원되는 많은 금속 촉매의 경우 500°C(932°^[27]F) 이상의 온도에서 소결 효과가 크게 나타나기 시작합니다.자동차 촉매와 같이 고온에서 작동하는 촉매는 소결 현상을 줄이거나 방지하기 위해 구조 개선을 사용합니다.이러한 개선은 일반적으로 실리카, 탄소 또는 알루미나와 ^[31]같은 불활성적이고 열적으로 안정적인 재료로 만들어진 지지대의 형태로 이루어집니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

추가 정보

• Chiang, Yet-Ming; Birnie, Dunbar P.; Kingery, W. David (May 1996). Physical Ceramics: Principles for Ceramic Science and Engineering. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-59873-9.
• Green, D.J.; Hannink, R.; Swain, M.V. (1989). Transformation Toughening of Ceramics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5.
• German, R.M. (1996). Sintering Theory and Practice. John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-05786-X.
• Kang, Suk-Joong L. (2005). Sintering (1st ed.). Oxford: Elsevier, Butterworth Heinemann. ISBN 0-7506-6385-5.

외부 링크

• 입자-입자-소결 – 3D 격자 운동 몬테카를로 시뮬레이션
• 구판 소결 – 3D 격자 운동 Monte Carlo 시뮬레이션