M1 Keramisches Sintern und Verglasen

Thema

Keramisches Sintern ist der Prozess, durch den diese Keramik dichter wird. Diese Verdichtung erfolgt über zwei Wege: Festphasendiffusion oder viskose Strömung in der flüssigen Phase. Das Vorhandensein oder Fehlen eines Flussmittels in dieser Keramik bestimmt, welchen Weg die Verdichtung einschlägt. Zunächst erklären wir, was bei Vorhandensein eines Flussmittels geschieht.

Das Vorhandensein eines Flussmittels in dieser Keramik aktiviert das Flüssigphasensintern: Das Flussmittel senkt lokal die Temperatur, bei der sich zwischen den Keramikpartikeln eine flüssige Phase bildet. Diese flüssige Phase ermöglicht die Verdichtung des Materials durch viskose Strömung, wie sie durch die Frenkel-Gleichung beschrieben wird. Diese Gleichung besagt, dass die Geschwindigkeit dieser viskosen Strömung direkt von der Oberflächenspannung abhängt, die die Partikel zusammenhält, und umgekehrt von der Viskosität der Flüssigkeit, die dieser Strömung entgegenwirkt: Je höher die Oberflächenspannung und je niedriger die Viskosität, desto schneller schreitet die Flüssigphasenverdichtung voran.

Das Fehlen dieses Flusses führt jedoch zu einer Verdichtung über einen anderen Weg: Festphasensintern, angetrieben durch Diffusion. In Abwesenheit einer flüssigen Phase wandern die Atome der festen Keramik selbst durch Diffusion entlang der Partikeloberfläche und der Korngrenzen zu den Kontaktpunkten benachbarter Partikel. Dieses Modell verwendet zur Beschreibung dieses Mechanismus denselben Festphasen-Einschnürungsmechanismus, der bereits im entsprechenden Modell für Metalle für denselben Zweck eingesetzt wird.

In beiden Fällen bewirkt diese Materialverschiebung zu den Kontaktpunkten zwischen den Partikeln – durch viskose Strömung in der flüssigen Phase oder durch Diffusion in der festen Phase – das Wachstum der Einschnürung zwischen jedem Paar benachbarter Partikel. Dieses Einschnürungswachstum führt dazu, dass sich die Mittelpunkte benachbarter Partikel annähern, und diese Annäherung führt im Gesamtmaßstab zu einer linearen Schrumpfung: Je größer die Einschnürung zwischen den Partikeln wird, desto größer ist die lineare Schrumpfung des gesamten Bauteils.

Dieser Sinterprozess bewirkt nicht nur eine lineare Schrumpfung, sondern steuert auch die endgültige Korngröße der Keramik: Mit fortschreitendem Sintern vergrößern sich nicht nur die Verbindungen zwischen den Partikeln, sondern die Keramikkörner selbst rücken näher zusammen. Dies geschieht nach demselben Kornwachstumsmechanismus, der auch im entsprechenden Modell für Metalle verwendet wird. Eine längere Sinterzeit oder eine höhere Temperatur führt zu einer größeren endgültigen Korngröße; eine kürzere Unterbrechung oder eine niedrigere Temperatur zu einer kleineren. Diese endgültige Korngröße ist genau einer der beiden mikrostrukturellen Zustandsparameter, die in einem anderen Modell dieser Reihe detailliert beschrieben werden.

Daher führt dieses Modell, bei dem die Keramiksinterung – sei es in flüssiger Phase aufgrund der Anwesenheit von Flussmitteln oder in fester Phase aufgrund deren Fehlen – durchgeführt wurde, dazu, dass seine beiden Konsequenzen bestimmt und darüber hinaus mit dem Rest dieses Modells in Verbindung gebracht werden: die lineare Schrumpfung, die das Wachstum des Halses bewirkt und die ein anderes Modell dieses Modells experimentell mittels Dilatometrie verfolgt, und die endgültige Korngröße, die den Sinterprozess steuert und das Modell speist, das die Mikrostruktur der Keramik beschreibt.

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