什麼是燒結
將粉末生坯在低於熔點的高溫下加熱，使粒子彼此結合而緻密化的製程。驅動力是表面能的降低。
日文名稱: 焼結
「燒結」出現在5領域的7道練習題中（材料的加工與接合, 陶瓷與玻璃, 電池與能源材料等）。
這個名詞所屬的領域: 陶瓷與玻璃
燒結的3個階段
燒結依進行方式大致可分為3個階段。初期階段在粒子間的接觸部形成頸部並變粗，收縮為數%左右。中期階段氣孔沿晶界相連成隧道狀，緻密化的大部分在此進行。相對密度超過約92%時進入終期階段，氣孔成為孤立的閉氣孔，殘留的氣孔藉擴散到晶界而消失。氣孔封閉後氣體不易從外部排出，因此氣氛的選擇也會影響緻密化。
驅動力的大小與粒子的細度
燒結的驅動力是表面能的降低，具有曲率的表面承受約 2γ/r 的壓力。若表面能γ為1 J/m²、粒子半徑為0.5 µm，約為4 MPa。粒子越細，驅動力越大，物質移動的擴散距離也越短，因此燒結在較低溫度、較短時間下進行。在相同機制下，燒結所需時間與粒徑的冪次成正比，體擴散為3次方、晶界擴散為4次方，這是Herring的相似律。
緻密化與晶粒成長的競爭
在高溫長時間保持時，晶粒成長也會進行。晶界移動過快時，會留下氣孔而將其封閉在晶粒內部，遠離作為擴散路徑之晶界的氣孔幾乎不會消失。在氧化鋁中加入少量MgO可抑制晶界移動，除去氣孔而得到透光性氧化鋁，這是很有名的例子。此外，以加壓補充驅動力的熱壓、HIP、一邊通電一邊加壓的放電電漿燒結等，也是抑制晶粒成長同時推進緻密化的方法。
收縮、液相燒結與密度的管理
陶瓷成形體的相對密度約為50〜60%，因此緻密化時會大幅收縮。由相對密度55%完全緻密化時，等向的線收縮約為18%，模具尺寸要預先考慮這個收縮來決定。氮化矽是加入Y₂O₃或Al₂O₃生成液相的液相燒結來緻密化，超硬合金也利用Co的液相。燒結體的密度以阿基米德法量測，也有像燒結含油軸承這樣刻意保留氣孔以含浸油的產品。
練習燒結的題目
關於陶瓷粉末燒結的敘述，下列何者正確？
- A燒結的驅動力是粒子表面積減少所造成的表面能降低
- B藉由表面擴散或蒸發-凝結，粒子中心也會互相靠近，因此生坯會大幅緻密化
- C粒子越細，燒結所需的溫度越高
將相對密度70%的生坯燒結到相對密度95%。假設收縮為等向且質量不變，燒結造成的線收縮率（長度的減少率）最接近下列何者？
- A約9.7%
- B約26%
- C約36%
查看答案與解析
正確答案：A. 約9.7%
質量不變，因此體積與密度成反比，V/V₀ = 0.70/0.95 ≈ 0.737。由於等向收縮，長度比為體積比的3次方根 (0.737)^(1/3) ≈ 0.903，線收縮率為 1 − 0.903 ≈ 9.7%。約26%是體積的收縮率 1 − 0.737，約36%是相對密度的增加率 (0.95 − 0.70)/0.70，兩者都不是長度的減少率。製作燒結零件時，要預估此收縮而將模具尺寸做得較大。若因與模具壁的摩擦等使生坯密度隨位置不同，收縮也隨位置不同，燒結後會產生翹曲或尺寸偏差。
常見問題
燒結與熔融有什麼不同？
燒結是在低於熔點的溫度，主要以原子擴散使粒子互相結合。由於不使整體熔化，即使是熔點非常高的材料，也能在保持成形形狀下緻密化。即使是產生部分液相的液相燒結，主要的骨架仍是固體。
燒結溫度的標準大約是多少？
依材料、粒子大小與添加物而有很大差異，沒有一律的值。例如熔點約2072℃的氧化鋁在1500〜1600℃左右燒結，以絕對溫度來看約為熔點的0.75〜0.8倍。
燒結體的密度要怎麼量測？
一般使用由空氣中與水中質量的差求體積的阿基米德法。水會滲入開口氣孔，因此量測前要先封住氣孔，或使用飽水後的質量，區分求出開口氣孔率與表觀密度。
解析中的「燒結」
這就是燒結的驅動力。
關於陶瓷粉末燒結的敘述，下列何者正確？製作燒結零件時，要預估此收縮而將模具尺寸做得較大。
將相對密度70%的生坯燒結到相對密度95%。假設收縮為等向且質量不變，燒結造成的線收縮率（長度的減少率）最接近下列何者？在燒結溫度下生成的以Co為主的液相充分潤濕WC粒子，粒子因毛細力而重排堆積，小的WC粒子再溶解並析出到大粒子上，因此緻密化到接近真密度。
製作WC-Co超硬合金時，將WC粉末與Co粉末混合成形後燒結。此燒結的特徵何者正確？不在高溫燒結就無法緻密化，是石榴石型 Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）等氧化物系的特徵。
關於全固態電池所用硫化物系固態電解質的敘述，下列何者正確？塗層並不是為了降低燒結溫度。
在以SiC纖維強化的陶瓷基複合材料（CMC）中，於纖維與基材的界面設置氮化硼（BN）或熱解碳薄塗層的主要目的為下列何者？
出現「燒結」的題目（7題）
- 關於陶瓷粉末燒結的敘述，下列何者正確？
- 將相對密度70%的生坯燒結到相對密度95%。假設收縮為等向且質量不變，燒結造成的線收縮率（長度的減少率）最接近下列何者？
- 製作WC-Co超硬合金時，將WC粉末與Co粉末混合成形後燒結。此燒結的特徵何者正確？
- 關於全固態電池所用硫化物系固態電解質的敘述，下列何者正確？
- 在以SiC纖維強化的陶瓷基複合材料（CMC）中，於纖維與基材的界面設置氮化硼（BN）或熱解碳薄塗層的主要目的為下列何者？
- 為了消除粉末冶金零件或鑄件內部殘留的封閉氣孔，會進行熱均壓（HIP）。其方法何者正確？
- 內徑40 mm、寬30 mm的滑動軸承承受1.2 kN的徑向負荷，軸以600 rpm旋轉。設面壓P為負荷除以投影面積（內徑×寬）的值，滑動速度v為軸表面的周速，PV值最接近下列何者？