La sinterizzazione rappresenta il processo che porta dalle polveri ad un compatto in genere più denso, meno poroso e più resistente (è il passaggio

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Michelina Rossana Carbone
6 anni fa
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1 La sinterizzazione rappresenta il processo che porta dalle polveri ad un compatto in genere più denso, meno poroso e più resistente (è il passaggio da una situazione incoerente ad una coerente). Si parla anche di consolidamento. 1

2 Durante la sinterizzazione si ha un evoluzione diella fase solida ma anche della porosità. E le variabili fondamentali sono il tempo e la temperatura. 2

3 A seconda delle polveri di partenza e delle condizioni si possono avere diverse tipologie di sinterizzazione e quindi diversi prodotti finali. 3

4 Il modello di riferimento è quello di due particelle sferiche affiancate. A causa dei diversi raggi di curvatura gli atomi (o molecole) sono portati a trasferirsi dalla superficie delle particelle (superficie convessa) sul colletto (r<0 superficie concava). Il fenomeno può essere quantificato termodinamicamente attraverso la legge di Kelvin (valida sia per la tensione superficiale che per la concentrazione in un liquido all equilibrio). 4

5 Lo stesso vale anche per la concentrazione di vacanze nei pressi di una superficie curva rispetto a una superficie piana (Ω = volume atomico). Gli atomi sono spinti dalle zone a minore concentrazione di vacanze verso le zone più ricche di vacanze. 5

6 Globalmente la sinterizzazione avviene a causa di una riduzione dell energia libera totale. L energia libera totale ΔG T è data dalla somma di tre termini: ΔG di volume che è nulla durante la sinterizzazione poiché la massa del sistema non varia; ΔG di superficie che favorisce la sinterizzazione (la riduzione della porosità porta infatti ad una diminuzione della superficie del sistema ); ΔG di bordograno che invece ostacola la sinterizzazione; facendo alcune ipotesi semplificative (ovvero che la superficie delle particelle si trasformi per metà in bordo grano) si ricava che : ΔG BG ~1/4 ΔG S. Quindi, la diminuzione dell energia libera totale può essere quantificata in termini della dimensione delle particelle, della tensione superficiale e della densità del solido (reale) e del verde (di bulk). 6

7 Visto globalmente, questo processo porta ad una variazione di energia libera molto limitata (il calore latente di vaporizzazione delle sostanze è dell ordine dei 10 3 J/g): è difficile dunque spiegare l efficacia del processo se non ragionando in termini locali anziché globali; le distanze da percorrere da parte degli atomi sono infatti limitate e quindi il processo di sinterizzazione avviene a velocità ragionevoli. 7

8 Il processo avviene efficacemente a livello locale a causa dello sviluppo di un forte gradiente di pressione (legge di Laplace ovvero differenza di energia libera) tra le superfici a curvatura diversa. 8

9 La pressione che si genera tra due particelle viene chiamata potenziale di sinterizzazione. A dimostrazione di tutto ciò, l applicazione di un carico meccanico esterno di trazione superiore al potenziale di sinterizzazione inibisce la sinterizzazione. Viceversa, una compressione facilita il processo. 9

10 Anche il potenziale chimico dipende dalla curvatura della superficie. 10

11 La tensione superficiale è causa inoltre di uno sforzo sugli atomi in presenza di superficie curva; compressivi per superfici convesse, tensili per superfici concave. Tale sforzo è correlato ovviamente al potenziale chimico. 11

La relazione che definisce lo sforzo sugli atomi sotto una superficie sferica rappresenta una buona approssimazione per il potenziale di sinterizzazione di un vetro

12 La relazione che definisce lo sforzo sugli atomi sotto una superficie sferica rappresenta una buona approssimazione per il potenziale di sinterizzazione di un vetro poroso con pori uniformi e uniformemente distribuiti. Per un solido policristallino la relazione è più complicata e implica anche l energia specifica del bordo grano. 12

13 Molto studiata dal punto di vista dei meccanismi è la sinterizzazione in fase solida (caratterizzata proprio dall assenza di fase liquida). Sono possibili sei diversi meccanismi, ognuno dei quali associato a un certo tipo di migrazione degli atomi e regolato da una certa legge crescita del colletto-tempo/temperatura. Meccanismi e loro caratteristiche: 1) Dipende dal coefficiente di diffusione superficiale. 2) Dalla diffusione di reticolo a partire dalla superficie. 3) Avviene per evaporazione e condensazione. 4) Avviene per migrazione al bordograno a partire dal bordograno stesso. 5) Avviene per migrazione al bordograno a partire dal bulk. 6) Avviene per migrazione di bulk a partire dalle dislocazioni. Tra i meccanismi elencati, quelli che portano ad un avvicinamento dei centri delle particelle di polvere sono gli ultimi tre: diffusione a bordo grano, diffusione di reticolo, flusso plastico e viscoso. Solo così si ha vera densificazione. I vari meccanismi si attivano in diversi momenti della sinterizzazione a seconda della disponibilità di superficie e dei raggi di curvatura del sistema. 13

14 Una suddivisione utile è quella tra I meccanismi di trasporto superficiali (che non portano a densificazione) e e quelli di volume (che portano a densificazione). I primi modificano la forma delle particelle di polveri, i secondi le fanno condensare. 14

15 Possono essere definite delle leggi generali per la crescita dei colletti e la densificazione in funzione del meccanismo di riferimento. 15

16 Solo la diffusione al bordo grano e di reticolo portano a densificazione o ritiro. Eventualmente anche il flusso plastico e viscoso portano a densificazione (ovviamente non nella sinterizzazione in fase solida ma in quella plastica e viscosa). Influenza sulla densificazione: 1) Parto da particelle piccole (i vuoti saranno più piccoli e la densità iniziale del verde maggiore). 2) Riscaldo durante il processo (la temperatura influenza molto i meccanismi di diffusione). 3) Oltre a scaldare applico una certa pressione (aumentando il ΔP locale, aumenta la forza di sinterizzazione). 4) Aumento il tempo di sinterizzazione. Il ritiro può essere definito analiticamente in funzione del tempo (ad una certa temperatura) e della dimensione delle polveri di partenza. 16

17 La sinterizzazione avviene in diverse fasi, corrispondenti a come il processo avviene secondo l aumento della densità. Nello stadio iniziale si formano i colletti ma la porosità rimane elevata (>35%); sono particolarmente attivi solo i meccanismi a limitato coefficiente di diffusione (in superficie e in fase vapore che dipendono dai raggi di curvatura secondo la legge di Laplace) ma che non portano a densificazione; questo stadio viene a volte definito pre-sinterizzazione; Nello stadio intermedio aumenta la densità e si sviluppano i bordi grano; vengono attivati anche gli altri meccanismi (diffusione di bordo grano e diffusione di reticolo,entrambe diffusivi e fortemente attivati con la T, portano a densificazione). Nello stadio finale la porosità è chiusa e la densità aumenta molto più limitatamente; in questa fase avviene anche la crescita dei grani; i meccanismi di superficie e in fase vapore non hanno più motivo di essere attivi. 17

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