影响烧结的因素——粉末和生坯

烧结理论明确指出了需要控制的关键参数以优化烧结。颗粒大小和坯体的堆积是关键因素，但颗粒的尺寸分布、形状和结构等特性也能产生显著影响。

颗粒尺寸

减少颗粒大小是加速烧结的重要方法。

增强烧结速度的一个后果是使用较低的烧结温度。纳米级颗粒（尺寸小于50至100 nm）通常表现出烧结温度的大幅降低。

但是，较细的颗粒更容易聚集，因此坯体的密度通常低于较粗颗粒，烧结过程中的收缩更大。

由于粉末表面积大，污染也可能成为一个问题。去除纳米颗粒表面的杂质（如羟基）也很困难。烧结过程中分解可能导致气体被困在气孔中，限制最终密度。

颗粒尺寸分布

固态烧结模型通常假设颗粒是单分散的，但颗粒尺寸分布可能对烧结产生显著影响。

较粗颗粒相对不活跃。通常，较粗相和较细相之间的差异致密化以及较粗相颗粒之间的相互作用会严重阻碍致密化。

使用离散颗粒尺寸混合物或宽颗粒尺寸分布可以增加堆积密度（因为较细颗粒填充了较大颗粒的间隙），从而减少完全致密化所需的收缩量。这在工业烧结大物件中很重要。

在烧结的后期阶段，行为严重依赖于坯体的颗粒堆积。对于异质堆积，颗粒尺寸分布宽度的增加预计会增强差异致密化和晶粒生长的不利影响（由于尺寸差异引起的增强驱动力），因此最终密度可能降低。然而，如果颗粒堆积是均匀的，气孔尺寸分布窄，可以实现高最终密度，这强调了烧结中气孔特性的重要性。

颗粒形状和颗粒结构

颗粒形状主要通过其对坯体堆积的影响来影响烧结。偏离球形或等轴形会导致堆积密度和堆积均匀性的降低，从而导致致密化减少。然而，如果颗粒排列整齐且堆积均匀，细长（或拉长）颗粒的压块可以烧结到高密度，如针状Fe2O3颗粒所示。一些固体在烧结过程中保持或形成晶面形状，但形状的影响通常因其他因素（如堆积和成分）而复杂化。

用于烧结的颗粒通常是致密的、离散的单元，可以是多晶或单晶。已观察到多晶Y2O3稳定的ZrO2颗粒比单晶颗粒烧结速度更快，这归因于更多的晶界促进了物质传输。

颗粒堆积

为了增强烧结速度和达到高密度，颗粒需要均匀堆积，且堆积密度高。这些堆积特性会产生细小、均匀的气孔，气孔协调数低。此外，颗粒接触数量增加，提供了许多晶界和短扩散路径，以便快速物质传输到细孔中。

理解偏离理想结构的影响是重要的，因为大多数实际烧结，特别是工业应用，并不是在理想系统中进行的。一个关键问题是差异致密化，这可能导致空隙扩大或在密度较低的区域生成裂纹状空隙。另一个问题是，密度较高的区域可以支持晶粒生长。烧结过程早期开始的增强晶粒生长增加了异常晶粒生长的可能性。

一个相关的问题是，烧结过程中是否可以纠正或逆转差异致密化的影响。有限的正常晶粒生长对烧结有利，因为它减少了气孔的协调数。这意味着晶粒生长可以将具有高协调数的增长气孔转化为具有低协调数的收缩气孔。晶粒生长只能提供短期益处，因为增加的扩散距离最终会显著降低烧结速度。总体而言，烧结过程中可以在一定程度上缓解异质堆积的影响，但在大多数系统中，益处可能并不如预期那样显著。更现实的方法是优化坯体中的颗粒堆积。

生坯密度的影响

更高的生坯密度可以减少达到给定烧结密度所需的收缩量。几项研究显示了相同烧结条件下烧结密度与生坯密度之间的相关性。当生坯密度低于理论密度的55%至60%时，观察到烧结密度随生坯密度的降低而降低。通常，生坯密度低于理论密度的40%至45%的压块难以烧结到高密度。增加生坯密度会延迟烧结后期阶段晶粒生长的开始。这些数据趋势可以用气孔出现的高协调数概率随生坯密度降低而增加，以及差异致密化增强来解释。总体而言，更高生坯密度对烧结的益处是显而易见的，因此优化生坯密度是一个有用的方法。然而，对于某些粉末，特别是一些纳米级粉末，低生坯密度并不一定会限制达到高烧结密度的能力。生坯密度低至20%的纳米级CeO2粉末已经被烧结到几乎完全致密化。