Процессы при спекании твердых тел

Спекание — это процесс получения прочного камневидного тела из порошков при воздействии высоких температур. Спекание широко применяется в технологии керамики, огнеупоров, получении портландцементного клинкера и др.

С физико-химической точки зрения, спекание — самопроизвольный процесс уменьшения свободной энергии порошкообразного тела при нагреве. Внешними признаками спекания являются уменьшение размеров тела (огневая усадка), уменьшение пористости, увеличение объемной плотности. При спекании происходит ряд внутренних превращений:

• — исчезновение и укрупнение (коалесценция) пор;
• — образование и рост (рекристаллизация) кристаллов;
• — образование новых соединений и твердых растворов;
• — полиморфное превращение соединений;
• — изменение дефектности кристаллических решеток.

При спекании всегда увеличивается прочность изделий, изделие приобретает ряд необходимых эксплуатационных свойств.

Общим вопросом спекания являются понятия о температуре обжига и температуре спекания. Под температурой обжига понимают гот интервал максимальных температур нагрева, в котором формируются требуемые стандартами основные эксплуатационные свойства. Так, при обжиге кирпича нижняя температурная граница оценивается при достижении кирпичом марки М75, верхняя температурная граница — по достижении водопоглощения не более 6—8%.

За температуру спекания принимают ту температуру, при которой водопоглощение образца не превышает 5 %.

Тамман предложил оценивать относительную температуру спекания как функцию температуры плавления:

где Г_спек, Т_пл — абсолютные температуры спекания и плавления.

Относительная температура спекания, по Тамману, зависит от энергии кристаллической решетки (рис. 66), возрастая с ростом прочности химических связей в кристаллической решетке.

Рис. 66. Зависимость относительной температуры спекания от энергии кристаллической решетки U.

В зависимости от состава взаимодействующих фаз спекание разделяют на спекание в твердой фазе, спекание с участием жидкой и газовой фазы. Все известные теории спекания рассматриваются как диффузионные процессы. В изучении механизмов спекания большой вклад внесли Я. И. Френкель, Я. Е. Гегузин, Б. Я. Пинес, Г. Кучинский, У. Д. Кингери, Р. Л. Коубл и др.