Οι κινητήριες δυνάμεις της ανάπτυξης και της πύκνωσης των κόκκων κατά την εξέλιξη της πυροσυσσωμάτωσης
Τα κατασκευασμένα κεραμικά είναι ένα από τα πρώτα τεχνολογικά επιτεύγματα της ανθρωπότητας και μετά από χιλιάδες χρόνια, αν και το φάσμα των εφαρμογών τους εκτείνεται πολύ πέρα από τα κεραμικά, ο έλεγχος της επεξεργασίας εξακολουθεί να αποτελεί σημαντική πρόκληση, ιδίως εάν ο στόχος είναι η επίτευξη pore -δωρεάν υλικά, απαραίτητη προϋπόθεση για οπτικές εφαρμογές (όπως λέιζερ και θωρακισμένα παράθυρα, για παράδειγμα).
Ένα κρίσιμο και (στις περισσότερες περιπτώσεις) το περιοριστικό βήμα στην επεξεργασία των πλήρως πυκνών εξαρτημάτων είναι η λεγόμενη πυροσυσσωμάτωση, η οποία είναι η τεχνική ονομασία για τη θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες, έτσι ώστε τα κεραμικά να γίνουν ένα ισχυρό συνεκτικό μέρος. Εξηγώντας λίγο περισσότερο? διαφορετικά από τα μέταλλα που μπορούν τυπικά να λιώσουν ή να παραμορφωθούν για χύτευση, τα κεραμικά ξεκινούν ως σκόνη, όπως σε άργιλο, που αν και μπορεί να αναμιχθεί με νερό για χύτευση, πρέπει να θερμανθεί έτσι ώστε τα σωματίδια να ενωθούν και να εξαλειφθούν οι πόροι. Η κινητήρια δύναμη για την πυροσυσσωμάτωση είναι η ίδια όπως όταν κάποιος συνδύαζε δύο σταγονίδια νερού έτσι ώστε αυθόρμητα να γίνουν ένα μεγαλύτερο ενιαίο σταγονίδιο:η επιφανειακή τάση. Λόγω των υψηλών σημείων τήξης των κεραμικών, απαιτούνται πολύ υψηλές θερμοκρασίες, όχι για να λιώσουν, αλλά για να δώσουν αρκετή θερμότητα, ώστε τα άτομα από δύο σωματίδια να έχουν αρκετή κινητικότητα, ώστε να δεσμεύονται από την επιφάνεια και να εξαλειφθούν οι πόροι (φανταστείτε τρία παγάκια να αγγίζουν σχηματίζοντας ένα τρίγωνο:σε θερμοκρασία δωματίου:συνδέονται μεταξύ τους και στη συνέχεια το ενδιάμεσο κενό εξαφανίζεται αργά).
Στα κεραμικά, το πρόβλημα είναι ότι ανάλογα με τη σύνθεση, η εξάλειψη των πόρων μπορεί να είναι πολύ δύσκολη. Αυτό οδηγεί σε μεγάλες τεχνολογικές προκλήσεις που εξακολουθούν να επιλύονται σε καθαρά εμπειρική βάση. Οι θεωρίες που χρονολογούνται από το 1950 προσπαθούν να εξηγήσουν γιατί συμβαίνει αυτό υποδηλώνοντας ότι οι μηχανισμοί μαζικής μεταφοράς είναι διαφορετικοί ανάλογα με τη σύνθεση και τις θερμοκρασίες, και ορισμένοι από αυτούς τους μηχανισμούς ευνοούν την εξάλειψη των πόρων, αλλά άλλοι όχι. Αν και αυτές οι θεωρίες εξακολουθούν να είναι σε μεγάλο βαθμό αποδεκτές, περιέχουν τεράστιες υπεραπλουστεύσεις του προβλήματος, κάποιες λόγω περιορισμού στην κατανόηση της διαδικασίας και κάποιες λόγω έλλειψης ισχύος υπολογιστή για τον υπολογισμό πραγματικών λύσεων για τα προτεινόμενα αναλυτικά μοντέλα. Στην πραγματικότητα, μία από τις μεγαλύτερες απλουστεύσεις που υποτίθεται ότι υπάρχει είναι ότι η θερμοδυναμική κινητήρια δύναμη είναι σταθερή.
Δηλαδή, η επιφανειακή ενέργεια είναι η κινητήρια δύναμη, και αυτός ο αριθμός είναι σταθερός και δεν επηρεάζεται από ακαθαρσίες, για παράδειγμα. Μια άλλη υπεραπλούστευση είναι η παράβλεψη του ρόλου των οριακών ενεργειών των κόκκων (που είναι η νέα διεπαφή που σχηματίζεται μεταξύ δύο ή περισσότερων κρυσταλλικών σωματιδίων κατά τη σύντηξη) στον έλεγχο της διαδικασίας.
Μια ομάδα UC Davis σε συνεργασία με την NPU, Κίνα, αντιμετώπισε αυτό το πρόβλημα και ανέπτυξε ένα θεωρητικό πλαίσιο στο οποίο η θερμοδυναμική και η κινητική της πυροσυσσωμάτωσης ποικίλλουν κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης και έχουν αυστηρή εξάρτηση από τη σύνθεσή τους, έτσι ώστε ο διαχωρισμός των ακαθαρσιών και στις δύο επιφάνειες και τα όρια των κόκκων έχουν βαθιά επίδραση στην ανάπτυξη της διαδικασίας. Αυτό ανοίγει μια προοπτική για την κατανόηση και τη δυνατότητα του σχεδιασμού των ακαθαρσιών ως βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης για την πρόκληση πλήρους πύκνωσης και ελέγχου της μικροδομής (π.χ. μέγεθος κόκκου). Ένα από τα μεγαλύτερα που ανακαλύφθηκαν από το μοντέλο είναι ότι η θερμοδυναμική (δηλαδή οι ενέργειες τόσο της επιφάνειας όσο και του ορίου των κόκκων) είναι πολύ πιο σχετική και δυναμική από ό,τι θεωρήθηκε προηγουμένως και μπορεί να κρατήσει το κλειδί για τον βέλτιστο σχεδιασμό της πυροσυσσωμάτωσης.
Αναφέρουν μια αμοιβαία αλληλεπίδραση μεταξύ της ανάπτυξης των κόκκων και της πύκνωσης που ουσιαστικά εξαρτάται από τις αλληλένδετες κινητήριες δυνάμεις αυτών των διεργασιών:η επιφανειακή ενέργεια συμβάλλει θετικά στην κινητήρια δύναμη της ανάπτυξης των κόκκων ενώ η οριακή ενέργεια των κόκκων αρνητικά στην κινητήρια δύναμη της πύκνωσης. Αυτό προτείνει μια έξυπνη στρατηγική για τη βελτίωση της πύκνωσης επιλέγοντας ακαθαρσίες (γνωστές και ως προσμείξεις) για τη δημιουργία ευνοϊκών θερμοδυναμικών σεναρίων.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Modeling the final sintering stage of doped ceramics:mutual interaction between grain growth and densification, που δημοσιεύτηκε στο Journal of Materials Science .
