古时候,陶瓷的生产是没有什么理论指导的,完全依靠工人师傅们长期的经验积累。直到上世纪三、四十年代以后,人们才在现代物理、化学知识的基础上,逐渐发展出各种科学、理性的烧结理论,用于指导陶瓷的制备和生产。虽然到目前为止,陶瓷烧结理论还远远谈不上完善成熟,但在多数情况下,用于定性地解释烧结现象、分析背后的原因还是比较靠谱的。
不过,相对于解释和分析,如今的烧结理论在预测方面却显得比较差强人意。比如吧,我们可以通过一组实验,可以拟合出一条陶瓷的烧结曲线(密度-温度曲线或密度-时间曲线),然后可以根据这条曲线对粉体不同温度下的致密化行为做一些简单的分析。但是,如果你以为有了这条烧结曲线就可以对该种粉体的烧结行为做出多么准确的预测的话,那可能就是想多了。原因也很简单,烧结曲线受各种因素的影响,比如升温速度不相同的话,烧结曲线大概率也会不一样。
那么,有没有什么烧结曲线可以更准确地预测粉体的烧结行为呢?
还真有,就是所谓的主烧结曲线。主烧结曲线与热处理的路径无关,从而提供了一种简便的预测烧结行为和致密化的方法。
那这个主烧结曲线又是怎么回事呢?
原来,这是基于一种新型的烧结理论推导出来的一种烧结曲线。我们所熟知的很多烧结理论,都存在一个相同的缺点,就是它们都往往是根据某一单一烧结机制或针对某一烧结阶段所提出来的,不同的烧结阶段,烧结机制、烧结模型都可能不同。因此根据那些烧结理论预测的陶瓷烧结行为往往与实际情况相差很大。而主烧结曲线的基础,则是一种由Hassen等人在1992年提出来的被称为全期烧结模型的新型理论。1996年,Su等人等根据全期烧结模型,从致密化速率的公式推导出主烧结曲线理论。该理论将致密化速率方程式以变量分离的方法分解成与显微结构及与烧结制度相关的两部分,分别放在方程式的两边,从而使烧结过程的预测成为可能。主烧结曲线理论推出的时候,并没有引起太大的注意,但进入21世纪后,其受到的关注度却越来越高,实用价值不断得到认可,应用越来越广泛。
主烧结曲线一般呈 S 型,其坐标轴与普通的烧结曲线有所不同,其纵轴为相对密度,横轴却不是温度或时间,而是一个 θ 值,这个 θ 值是温度和时间的函数。因此,主烧结曲线实际上是涉及时间、温度和相对密度3个变量的特殊2 D 曲线。也就是说,通过一条曲线,就可表示出烧结体在不同温度、不同时间下的致密度。
要建立主烧结曲线,需要知道坯体的相对密度和 θ 值。前者可以由坯体烧结的收缩曲线获得,而后者则要致密化激活值来计算。但这个激活值不知道也无所谓,可以先给出一个值,从而建立两种升温速率下的主烧结曲线。然后根据曲线的所有数据点在拟合时产生平均残差平方来判断给出的激活值是否正确。残差平方值越小,说明拟合优度越高。反之,则需要重新给定激活值,重复上述拟合过程,直到平均残差平方足够地小。建立一系列激活能值与相应平均残差平方的关系曲线,曲线中最低点就是接近真实的表观激活能。而根据这个表观激活能所计算得到的相对密度- θ 值曲线,就是主烧结曲线。该曲线只与粉体的粒度以及素坯的密度有关,而与烧结过程无关。也就是说,只要某种陶瓷粉体颗粒大小和素坯密度确定,其主烧结曲线就可确定。因此,我们可以根据这条曲线,预测陶瓷在不同条件下的致密化过程。
当然,以上说的只是一种理想的状态。实际上主烧结曲线也还存在一些局限性。因为该理论依然是在一系列基本假设的基础上建立起来的,比如各向同性收缩、烧结过程只有扩散机制主导等等。这些假设并不总是与事实相符,因此准确度有时候也并不太令人满意。但无论如何,这也算是人们走向对烧结过程进行定量预测的重要一步吧。