การเผาผนึกหรือการเผาผนึกเป็นกระบวนการอัดและขึ้นรูปวัสดุ ให้เป็น ก้อนแข็ง โดย ใช้แรงดัน^{[ 1 ]}หรือความร้อน^{[ 2 ]}โดยไม่ ทำให้วัสดุ หลอมเหลวจนถึงจุดหลอมเหลวการเผาผนึกเกิดขึ้นเป็นส่วนหนึ่งของ กระบวนการ ผลิตที่ใช้กับโลหะเซรามิกพลาสติกและ วัสดุอื่นๆ อะตอม/โมเลกุลในวัสดุ ที่ผ่านการเผาผนึกจะแพร่กระจายข้ามขอบเขตของอนุภาค หลอมรวมอนุภาคเข้าด้วยกันและสร้างเป็นชิ้นส่วนแข็ง

เนื่องจากอุณหภูมิการเผาผนึกไม่จำเป็นต้องถึงจุดหลอมเหลวของวัสดุ การเผาผนึกจึงมักถูกเลือกใช้เป็นกระบวนการขึ้นรูปสำหรับวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูงมาก เช่นทังสเตนและโมลิบเดนัมการศึกษาเกี่ยวกับการเผาผนึกใน กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับผง โลหะวิทยาเรียกว่าโลหะ วิทยาผง

ตัวอย่างของการเกิดการเผาผนึกสามารถสังเกตได้เมื่อก้อนน้ำแข็งในแก้วน้ำเกาะติดกัน ซึ่งเกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำและน้ำแข็ง ตัวอย่างของการเกิดการเผาผนึกที่เกิดจากแรงดัน ได้แก่ การอัดตัวของหิมะจนกลายเป็นธารน้ำแข็ง และการก่อตัวของก้อนหิมะแข็งโดยการกดหิมะที่หลวมๆ เข้าด้วยกัน

วัสดุที่ได้จากการเผาผนึกเรียกว่าซินเตอร์คำว่าซินเตอร์มาจากภาษาเยอรมันยุคกลางsinterซึ่งเป็นคำที่มีรากศัพท์เดียวกันกับคำว่า cinder ในภาษา อังกฤษ

โดยทั่วไปแล้ว การเผาผนึกจะถือว่าประสบความสำเร็จเมื่อกระบวนการนี้ช่วยลดรูพรุนและเพิ่มคุณสมบัติ เช่น ความแข็งแรง การนำไฟฟ้า ความโปร่งใส และการนำความร้อนในบางกรณีพิเศษ การเผาผนึกจะถูกนำมาใช้อย่างระมัดระวังเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุในขณะที่ยังคงรักษารูพรุนไว้ (เช่น ในตัวกรองหรือตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งการดูดซับก๊าซเป็นสิ่งสำคัญ) ในระหว่างกระบวนการเผาผนึก การแพร่กระจายของอะตอมจะขับเคลื่อนการกำจัดพื้นผิวของผงในขั้นตอนต่างๆ เริ่มตั้งแต่การก่อตัวของคอเชื่อมระหว่างผงไปจนถึงการกำจัดรูพรุนขนาดเล็กในตอนท้ายของกระบวนการ

แรงผลักดันสำหรับการเพิ่มความหนาแน่นคือการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระจากการลดลงของพื้นที่ผิวและการลดลงของพลังงานอิสระของพื้นผิวโดยการแทนที่ส่วนต่อประสานของแข็ง-ไอ ทำให้เกิดส่วนต่อประสานของแข็ง-ของแข็งใหม่แต่มีพลังงานต่ำกว่า โดยมีพลังงานอิสระโดยรวมลดลงสุทธิ ในระดับจุลภาค การถ่ายโอนวัสดุได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของความดันและความแตกต่างของพลังงานอิสระทั่วพื้นผิวโค้ง หากขนาดของอนุภาคเล็ก (และความโค้งสูง) ผลกระทบเหล่านี้จะมีขนาดใหญ่มาก การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจะสูงขึ้นมากเมื่อรัศมีของความโค้งน้อยกว่าไม่กี่ไมโครเมตร ซึ่งเป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่เทคโนโลยีเซรามิกส่วนใหญ่ใช้พื้นฐานจากการใช้วัสดุอนุภาคละเอียด^{[ 3 ]}

อัตราส่วนของพื้นที่พันธะต่อขนาดอนุภาคเป็นปัจจัยกำหนดคุณสมบัติ เช่น ความแข็งแรงและการนำไฟฟ้า เพื่อให้ได้พื้นที่พันธะที่ต้องการ อุณหภูมิและขนาดเกรนเริ่มต้นจะถูกควบคุมอย่างแม่นยำตลอดกระบวนการเผาผนึก ที่สภาวะคงที่ รัศมีอนุภาคและความดันไอจะเป็นสัดส่วนกับ (p ₀ ) ^2/3และ (p ₀ ) ^1/3ตามลำดับ^{[ 3 ]}

แหล่งพลังงานสำหรับกระบวนการของแข็งคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์อิสระหรือทางเคมีระหว่างคอและพื้นผิวของอนุภาค พลังงานนี้สร้างการถ่ายโอนวัสดุด้วยวิธีการที่เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หากการถ่ายโอนเกิดขึ้นจากปริมาตรของอนุภาคหรือขอบเกรนระหว่างอนุภาค จำนวนอนุภาคจะลดลงและรูพรุนจะถูกทำลาย การกำจัดรูพรุนจะเร็วที่สุดในตัวอย่างที่มีรูพรุนจำนวนมากที่มีขนาดสม่ำเสมอ เนื่องจากระยะการแพร่ของขอบเขตมีขนาดเล็กที่สุด ในช่วงหลังของกระบวนการ การแพร่ของขอบเขตและการแพร่ของแลตติสจากขอบเขตจะมีความสำคัญ^{[ 3 ]}

การควบคุมอุณหภูมิมีความสำคัญมากต่อกระบวนการเผาผนึก เนื่องจากการแพร่กระจายตามขอบเกรนและการแพร่กระจายในปริมาตรขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ขนาดอนุภาค การกระจายตัวของอนุภาค องค์ประกอบของวัสดุ และคุณสมบัติอื่นๆ ของสภาพแวดล้อมการเผาผนึกเอง^{[ 3 ]}

การเผาผนึกเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการเผาที่ใช้ในการผลิตเครื่องปั้นดินเผาและวัตถุเซรามิกอื่นๆ การเผาผนึกและการทำให้เป็นแก้ว (ซึ่งต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่า) เป็นกลไกหลักสองอย่างที่อยู่เบื้องหลังความแข็งแรงและความคงตัวของเซรามิก วัตถุเซรามิกที่ผ่านการเผาผนึกทำจากวัสดุต่างๆ เช่นแก้วอลูมินาเซอร์โคเนียซิลิกาแมกนีเซียปูนขาวเบริลเลียมออกไซด์และเฟอร์ริกออกไซด์วัตถุดิบเซรามิกบางชนิดมีความชอบน้ำต่ำกว่าและมีดัชนีความยืดหยุ่นต่ำกว่าดินเหนียวจึงจำเป็นต้องเติมสารอินทรีย์ในขั้นตอนก่อนการเผาผนึก

การเผาผนึกจะเริ่มต้นเมื่ออุณหภูมิเพียงพอที่จะทำให้องค์ประกอบที่ใช้งานอยู่ในวัสดุเซรามิกเคลื่อนที่ ซึ่งสามารถเริ่มต้นได้ต่ำกว่าจุดหลอมเหลว (โดยทั่วไปอยู่ที่ 50–80% ของจุดหลอมเหลว^{[ 4 ]} ) เช่นการหลอมเหลวก่อนเมื่อการเผาผนึกเกิดขึ้นอย่างเพียงพอแล้ว ตัวเซรามิกจะไม่สลายตัวในน้ำอีกต่อไป การเผาผนึกเพิ่มเติมสามารถลดความพรุนของเซรามิก เพิ่มพื้นที่ยึดเกาะระหว่างอนุภาคเซรามิก และเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุได้^{[ 5 ]}

โดยทั่วไปแล้วขั้นตอนทางอุตสาหกรรมในการสร้างวัตถุเซรามิกผ่านการเผาผนึกผงประกอบด้วย: ^{[ 6 ]}

• โดยการผสมน้ำสารยึดเกาะสารป้องกันการจับตัวเป็นก้อนและผงเซรามิกที่ยังไม่เผา เพื่อให้ได้สารละลายข้น
• การพ่นแห้งสารละลายข้น
• นำผงที่ได้จากการพ่นแห้งใส่ลงในแม่พิมพ์แล้วกดขึ้นรูปเป็นชิ้นงานดิบ (ชิ้นงานเซรามิกที่ยังไม่ผ่านกระบวนการเผา)
• ให้ความร้อนแก่ชิ้นงานดิบที่อุณหภูมิต่ำเพื่อเผาไหม้สารยึดเกาะออกไป
• การเผาผนึกที่อุณหภูมิสูงเพื่อหลอมรวมอนุภาคเซรามิกเข้าด้วยกัน

อุณหภูมิเฉพาะต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงเฟส การเปลี่ยนสถานะเป็นแก้ว และจุดหลอมเหลว ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างรอบการเผาผนึกของสูตรเซรามิกเฉพาะ (เช่น ผงและผงละเอียด) สามารถหาได้ง่ายๆ โดยการสังเกตเส้นโค้งการขยายตัวตามอุณหภูมิระหว่าง การวิเคราะห์ความร้อนด้วยเครื่องวัด การขยายตัวแบบออปติคอลที่จริงแล้ว การเผาผนึกเกี่ยวข้องกับการหดตัวอย่างมากของวัสดุ เนื่องจากเฟสแก้วจะไหลเมื่อถึงอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะ และเริ่มรวมโครงสร้างผงและลดความพรุนของวัสดุลงอย่างมาก

การเผาผนึกจะดำเนินการที่อุณหภูมิสูง นอกจากนี้ อาจใช้แรงภายนอกที่สองและ/หรือที่สาม (เช่น แรงดัน กระแสไฟฟ้า) ร่วมด้วย แรงภายนอกที่สองที่ใช้กันทั่วไปคือแรงดัน การเผาผนึกที่ทำโดยใช้ความร้อนเพียงอย่างเดียวโดยทั่วไปเรียกว่า "การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน" ซึ่งเป็นไปได้กับวัสดุคอมโพสิตโลหะ-เซรามิกแบบไล่ระดับ โดยใช้สารช่วยเผาผนึกอนุภาคนาโนและเทคโนโลยีการขึ้นรูปจำนวนมาก รูปแบบหนึ่งที่ใช้สำหรับรูปทรง 3 มิติเรียกว่า การอัดขึ้นรูปด้วยความดันไอโซสแต ติก สูง

เพื่อให้สามารถจัดเรียงผลิตภัณฑ์ในเตาเผาได้อย่างมีประสิทธิภาพระหว่างการเผาผนึกและป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนติดกัน ผู้ผลิตหลายรายจึงใช้แผ่นแยกผงเซรามิกเพื่อแยกชิ้นงาน แผ่นเหล่านี้มีให้เลือกหลายวัสดุ เช่น อลูมินา เซอร์โคเนีย และแมกนีเซีย นอกจากนี้ยังแบ่งตามขนาดอนุภาคละเอียด ปานกลาง และหยาบ การเลือกวัสดุและขนาดอนุภาคให้เหมาะสมกับชิ้นงานที่กำลังเผาผนึกจะช่วยลดความเสียหายและการปนเปื้อนที่พื้นผิว ในขณะเดียวกันก็เพิ่มประสิทธิภาพการบรรจุชิ้นงานในเตาเผาให้สูงสุด

โลหะส่วนใหญ่สามารถเผาผนึกได้ แม้ว่าบางชนิดจะทำได้ยากกว่า (เช่นโลหะผสมอะลูมิเนียมและโลหะผสมไทเทเนียม^{[ 7 ]} ) โดยเฉพาะอย่างยิ่งโลหะบริสุทธิ์ที่ผลิตในสุญญากาศซึ่งไม่มีการปนเปื้อนที่พื้นผิว การเผาผนึกภายใต้ความดันบรรยากาศต้องใช้ก๊าซป้องกัน ซึ่งมักจะเป็นก๊าซดูดความร้อน การเผาผนึก และการปรับปรุงแก้ไขในภายหลังสามารถสร้างคุณสมบัติของวัสดุได้หลากหลาย การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นการผสมโลหะและการอบชุบด้วยความร้อนสามารถเปลี่ยนแปลงลักษณะทางกายภาพของผลิตภัณฑ์ต่างๆ ได้ ตัวอย่างเช่นค่าโมดูลัสของยังE _nของ ผง เหล็ก เผาผนึก ยังคงไม่ไวต่อเวลาการเผาผนึก การผสมโลหะ หรือขนาดอนุภาคในผงเดิมสำหรับอุณหภูมิการเผาผนึกที่ต่ำกว่า แต่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

$${\displaystyle E_{n}/E=(D/d)^{3.4}}$$ โดยที่Dคือความหนาแน่น, Eคือโมดูลัสของยัง และdคือความหนาแน่นสูงสุดของเหล็ก

การเผาผนึกเป็นกระบวนการสถิตที่ผงโลหะอาจเกิดการรวมตัวกันภายใต้สภาวะภายนอกบางอย่าง แต่จะกลับคืนสู่พฤติกรรมปกติเมื่อสภาวะเหล่านั้นหมดไป ในกรณีส่วนใหญ่ ความหนาแน่นของกลุ่มเม็ดโลหะจะเพิ่มขึ้นเมื่อวัสดุไหลเข้าไปในช่องว่าง ทำให้ปริมาตรโดยรวมลดลง การเคลื่อนที่ของมวลที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาผนึกประกอบด้วยการลดลงของความพรุนโดยรวมโดยการจัดเรียงใหม่ ตามด้วยการเคลื่อนย้ายวัสดุเนื่องจากการระเหยและการควบแน่นจากการแพร่กระจายในขั้นตอนสุดท้าย อะตอมของโลหะจะเคลื่อนที่ไปตามขอบผลึกไปยังผนังของรูพรุนภายใน กระจายมวลจากส่วนภายในของวัตถุและทำให้ผนังรูพรุนเรียบขึ้นแรงตึงผิวเป็นแรงผลักดันสำหรับการเคลื่อนที่นี้

กระบวนการเผาผนึกแบบพิเศษ (ซึ่งยังคงถือเป็นส่วนหนึ่งของโลหะวิทยาผง) คือการเผาผนึกในสถานะของเหลวซึ่งอย่างน้อยหนึ่งองค์ประกอบแต่ไม่ใช่ทุกองค์ประกอบอยู่ในสถานะของเหลว การเผาผนึกในสถานะของเหลวเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิตซีเมนต์คาร์ไบด์และทังสเตนคาร์ไบด์

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โลหะบรอนซ์เผาผนึกมักถูกใช้เป็นวัสดุสำหรับตลับลูกปืนเนื่องจากความพรุนของมันช่วยให้สารหล่อลื่นไหลผ่านหรือถูกกักเก็บไว้ภายในได้ ส่วนทองแดงเผาผนึกอาจใช้เป็นโครงสร้างดูดซับในท่อความร้อน บางประเภท ซึ่งความพรุนช่วยให้ของเหลวเคลื่อนที่ผ่านวัสดุที่มีรูพรุนได้ด้วยแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยสำหรับวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่นโมลิบเดนัมทังสเตนรีเนียมแทนทาลัมออสเมียมและคาร์บอนการเผาผนึกเป็นหนึ่งในกระบวนการผลิตที่ใช้ได้ผลไม่กี่วิธี ในกรณีเหล่านี้ ความพรุนต่ำมากเป็นที่ต้องการและมักจะสามารถ ทำได้

ผงโลหะเผาผนึกใช้ในการผลิตกระสุนปืนลูกซองแบบแตกตัวง่าย ที่เรียกว่า กระสุนเจาะประตูซึ่งใช้โดยทหารและหน่วย SWAT เพื่อบุกเข้าไปในห้องที่ล็อกอยู่ได้อย่างรวดเร็ว กระสุนปืนลูกซองเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำลายกลอนประตู ตัวล็อก และบานพับ โดยไม่เสี่ยงชีวิตจากการกระดอนหรือพุ่งทะลุประตูด้วยความเร็วที่อาจถึงแก่ชีวิตได้ หลักการทำงานคือการทำลายวัตถุที่มันกระทบ แล้วแตกตัวเป็นผงที่ไม่เป็นอันตรายมากนัก

โลหะบรอนซ์เผาผนึกและสแตนเลสถูกนำมาใช้เป็นวัสดุกรองในงานที่ต้องการความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ในขณะที่ยังคงความสามารถในการฟื้นฟูสภาพของไส้กรอง ตัวอย่างเช่น ไส้กรองสแตนเลสเผาผนึกถูกนำมาใช้ในการกรองไอน้ำในอุตสาหกรรมอาหารและยา และโลหะบรอนซ์เผาผนึกถูกนำมาใช้ในระบบไฮดรอลิกของเครื่องบิน

การเผาผนึกผงที่มีโลหะมีค่า เช่นเงินและทองใช้ในการทำเครื่องประดับขนาดเล็ก การประกอบตัวเองแบบระเหยของนาโนคิวบ์เงินคอลลอยด์เป็นซูเปอร์คริสตัลแสดงให้เห็นว่าช่วยให้สามารถเผาผนึกข้อต่อไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำกว่า 200 °C ได้^{[ 8 ]}

ข้อดีที่สำคัญของเทคโนโลยีผง ได้แก่:

1. วัตถุดิบเริ่มต้น มีความบริสุทธิ์และสม่ำเสมอในระดับสูงมาก
2. การรักษาความบริสุทธิ์ เนื่องจาก กระบวนการ ผลิต ในขั้นตอนต่อไปที่ง่ายกว่า (ขั้นตอนน้อยกว่า) ทำให้สามารถทำได้
3. การรักษาเสถียรภาพของรายละเอียดการดำเนินงานซ้ำๆ โดยการควบคุม ขนาด เม็ดวัสดุในขั้นตอนการป้อนเข้า
4. การขาดการสัมผัสยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคผงที่แยกตัวออกจากกัน หรือ "สิ่งเจือปน" (เรียกว่าการเกิดเส้นใย) ซึ่งมักเกิดขึ้นในกระบวนการหลอมเหลว
5. ไม่ จำเป็นต้อง มีการดัดแปลงใดๆเพื่อให้เกิดการยืดตัวในทิศทางที่กำหนดของเกรน
6. ความสามารถในการผลิตวัสดุที่มีรูพรุนสม่ำเสมอและควบคุมได้
7. ความสามารถในการผลิตวัตถุที่มีรูปร่างใกล้เคียงกับรูปทรงสุดท้าย
8. ความสามารถในการผลิตวัสดุที่ไม่สามารถผลิตได้ด้วยเทคโนโลยีอื่นใด
9. ความสามารถในการผลิตวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง เช่น ใบพัดกังหัน
10. หลังจากผ่านกระบวนการเผาผนึกแล้ว ความแข็งแรงเชิงกลในการรับน้ำหนักจะสูงขึ้น

ในเอกสารทางวิชาการมีข้อมูลอ้างอิงมากมายเกี่ยวกับการเผาผนึกวัสดุที่แตกต่างกันเพื่อผลิตสารประกอบของแข็ง/ของแข็งในเฟส หรือส่วนผสมของแข็ง/หลอมเหลวในขั้นตอนการแปรรูป แทบทุกสารสามารถผลิตได้ในรูปผง ไม่ว่าจะด้วยกระบวนการทางเคมี ทางกล หรือทางกายภาพ ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้ววัสดุใดๆ ก็สามารถผลิตได้ด้วยการเผาผนึก เมื่อเผาผนึกธาตุบริสุทธิ์ ผงที่เหลือก็ยังคงบริสุทธิ์อยู่ จึงสามารถนำกลับมารีไซเคิลได้

วัสดุพลาสติกถูกสร้างขึ้นโดยการเผาผนึกเพื่อการใช้งานที่ต้องการวัสดุที่มีรูพรุนเฉพาะ ชิ้นส่วนพลาสติกพรุนที่ผ่านการเผาผนึกใช้ในการกรองและควบคุมการไหลของของเหลวและก๊าซ พลาสติกที่ผ่านการเผาผนึกใช้ในการใช้งานที่ต้องการกระบวนการแยกของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น หัวปากกาไวท์บอร์ด ตัวกรองเครื่องพ่นยา และช่องระบายอากาศสำหรับฝาปิดและซับในของวัสดุบรรจุภัณฑ์^{[ 9 ]} วัสดุโพ ลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมากที่ผ่านการเผาผนึกใช้เป็นวัสดุฐานสำหรับสกีและสโนว์บอร์ด โครงสร้างที่มีรูพรุนช่วยให้แว็กซ์คงอยู่ภายในโครงสร้างของวัสดุฐาน ทำให้เคลือบแว็กซ์มีความทนทานมากขึ้น

สำหรับวัสดุที่เผาผนึกได้ยาก มักใช้กระบวนการที่เรียกว่า_การเผาผนึกแบบเฟสของเหลววัสดุที่นิยมใช้การเผาผนึกแบบเฟสของเหลว ได้แก่Si₃N₄ , WC , SiC และอื่นๆ การเผาผนึกแบบเฟสของเหลวคือกระบวนการเติมสารเติมแต่งลงในผง ซึ่ง _จะ หลอมเหลวก่อนเฟสเมทริก ซ์กระบวนการเผาผนึกแบบเฟสของเหลวมีสามขั้นตอน:

• การจัดเรียงตัวใหม่ – เมื่อของเหลวละลาย แรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยจะดึงของเหลวเข้าไปในรูพรุนและทำให้เม็ดอนุภาคจัดเรียงตัวใหม่เป็นรูปแบบการบรรจุที่เหมาะสมยิ่งขึ้น
• การละลายและการตกตะกอน – ในบริเวณที่มีแรงดันคาปิลลารีสูง (อนุภาคอยู่ใกล้กัน) อะตอมจะละลายลงไปก่อน แล้วจึงตกตะกอนในบริเวณที่มีศักยภาพทางเคมีต่ำกว่า ซึ่งอนุภาคไม่ได้อยู่ใกล้กันหรือสัมผัสกัน กระบวนการนี้เรียกว่าการแบนราบจากการสัมผัส (contact flattening) กระบวนการนี้ทำให้ระบบมีความหนาแน่นมากขึ้นในลักษณะคล้ายกับการแพร่ของขอบเกรนในการเผาผนึกของแข็ง นอกจาก นี้ยังเกิด การเจริญเติบโตแบบออสวาลด์ (Ostwald ripening)ซึ่งอนุภาคขนาดเล็กจะละลายลงไปก่อนและตกตะกอนบนอนุภาคขนาดใหญ่ ทำให้เกิดความหนาแน่นมากขึ้น
• การอัดแน่นขั้นสุดท้าย – การอัดแน่นของโครงข่ายโครงกระดูกของแข็ง การเคลื่อนที่ของของเหลวจากบริเวณที่มีการอัดแน่นอย่างมีประสิทธิภาพเข้าไปในรูพรุน

เพื่อให้การเผาผนึกเฟสของเหลวมีประสิทธิภาพ เฟสหลักควรละลายในเฟสของเหลวได้อย่างน้อยเล็กน้อย และสารเติมแต่งควรละลายก่อนที่จะเกิดการเผาผนึกหลักของเครือข่ายอนุภาคของแข็ง มิฉะนั้นการจัดเรียงเม็ดจะไม่เกิดขึ้น การเผาผนึกเฟสของเหลวได้รับการประยุกต์ใช้สำเร็จเพื่อปรับปรุงการเติบโตของเม็ดของชั้นเซมิคอนดักเตอร์บางจากฟิล์มสารตั้งต้นอนุภาคนาโน^{[ 10 ]}

เทคนิคเหล่านี้ใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนหรือเพิ่มประสิทธิภาพการเผาผนึก^{[ 11 ] [ 12 ]}วิศวกรชาวอังกฤษ AG Bloxam ได้จดสิทธิบัตร ฉบับแรก เกี่ยวกับการเผาผนึกผงโดยใช้กระแสตรงในสุญญากาศ ในปี 1906 วัตถุประสงค์หลักของสิ่งประดิษฐ์ของเขาคือการผลิตไส้หลอดสำหรับหลอดไฟไส้ ในระดับอุตสาหกรรม โดยการอัด อนุภาค ทังสเตนหรือโมลิบเดนัมกระแสไฟฟ้าที่ใช้มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการลดออกไซด์ บนพื้นผิว ซึ่งเพิ่มการแผ่รังสีของไส้หลอด^{[ 13 ]}

ในปี พ.ศ. 2456 Weintraub และ Rush ได้จดสิทธิบัตรวิธีการเผาผนึกแบบดัดแปลงซึ่งรวมกระแสไฟฟ้าเข้ากับแรงดันประโยชน์ของวิธีการนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วสำหรับการเผาผนึกโลหะทนไฟรวมถึง ผง คาร์ไบด์หรือไนไตร ด์ที่เป็นตัวนำ ผง โบรอน - คาร์บอนหรือซิลิคอน -คาร์บอน เริ่มต้นถูกวางไว้ใน ท่อ ฉนวนไฟฟ้าและถูกอัดด้วยแท่งสองแท่งซึ่งทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดสำหรับกระแสไฟฟ้าด้วย อุณหภูมิการเผาผนึกโดยประมาณคือ 2000 °C ^{[ 13 ]}

ในสหรัฐอเมริกา การเผาผนึกได้รับการจดสิทธิบัตรครั้งแรกโดย Duval d'Adrian ในปี 1922 กระบวนการสามขั้นตอนของเขามุ่งเป้าไปที่การผลิตบล็อกทนความร้อนจากวัสดุออกไซด์ เช่นเซอร์โคเนียธอร์เรียหรือแทนทาเลียขั้นตอนต่างๆ ได้แก่: (i) การขึ้นรูปผง; (ii) การอบอ่อนที่อุณหภูมิประมาณ 2500 °C เพื่อให้เป็นตัวนำ; (iii) การใช้การเผาผนึกด้วยกระแสไฟฟ้าและความดันตามวิธีการของ Weintraub และ Rush ^{[ 13 ]}

การเผาผนึกโดยใช้ส่วนโค้งที่เกิดจาก การปล่อย ประจุไฟฟ้าเพื่อกำจัดออกไซด์ก่อนการให้ความร้อนด้วยกระแสตรง ได้รับการจดสิทธิบัตรโดย GF Taylor ในปี 1932 วิธีการเผาผนึกนี้เริ่มต้นจากการใช้กระแสพัลส์หรือกระแสสลับซึ่งในที่สุดก็ถูกนำมาใช้ร่วมกับกระแสตรง เทคนิคเหล่านี้ได้รับการพัฒนามาหลายทศวรรษและสรุปไว้ในสิทธิบัตรมากกว่า 640 ฉบับ^{[ 13 ]}

ในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านี้ เทคโนโลยีที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดคือ การเผาผนึกด้วยความต้านทาน (หรือเรียกว่าการอัดร้อน ) และการเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟในขณะที่การตีขึ้นรูปด้วยการเผาผนึกด้วยไฟฟ้าเป็นความก้าวหน้าล่าสุดในสาขานี้

ในการเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟ (SPS) จะมีการใช้แรงดันภายนอกและสนามไฟฟ้าพร้อมกันเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของผงโลหะ/เซรามิกที่อัดแน่น อย่างไรก็ตาม หลังจากการใช้งานเชิงพาณิชย์แล้ว พบว่าไม่มีพลาสมา ดังนั้นชื่อที่ถูกต้องจึงเป็นการเผาผนึกด้วยประกายไฟตามที่ Lenel ตั้งขึ้น การเพิ่มความหนาแน่นด้วยสนามไฟฟ้าช่วยเสริมการเผาผนึกด้วยรูปแบบของการอัดร้อน เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่ต่ำกว่าและใช้เวลาน้อยกว่าการเผาผนึกแบบทั่วไป^{[ 14 ]}เป็นเวลาหลายปีที่มีการคาดการณ์ว่าการมีอยู่ของประกายไฟหรือพลาสมาระหว่างอนุภาคอาจช่วยในการเผาผนึกได้ อย่างไรก็ตาม Hulbert และเพื่อนร่วมงานได้พิสูจน์อย่างเป็นระบบว่าพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่ใช้ในระหว่างการเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟทำให้เป็นไปได้ยาก (อย่างมาก) ^{[ 15 ]}ด้วยเหตุนี้ ชื่อ "การเผาผนึกด้วยพลาสมาประกายไฟ" จึงล้าสมัยไปแล้ว คำศัพท์ต่างๆ เช่น เทคนิคการเผาผนึกโดยใช้สนามไฟฟ้าช่วย (FAST), การเผาผนึกโดยใช้สนามไฟฟ้าช่วย (EFAS) และการเผาผนึกด้วยกระแสตรง (DCS) ได้ถูกนำมาใช้โดยชุมชนการเผาผนึก^{[ 16 ]}การใช้ พัลส์ กระแสตรง (DC) เป็นกระแสไฟฟ้า จะทำให้เกิดพลาสมาประกายไฟ แรงดันกระแทกประกายไฟ ความร้อนจูล และผลกระทบจากการแพร่กระจายของสนามไฟฟ้า^{[ 17 ]}ด้วยการปรับเปลี่ยนการออกแบบแม่พิมพ์กราไฟต์และการประกอบ ทำให้สามารถทำการเผาผนึกแบบไร้แรงดันในโรงงานเผาผนึกพลาสมาประกายไฟได้ มีรายงานว่าการตั้งค่าการออกแบบแม่พิมพ์ที่ปรับเปลี่ยนนี้สามารถผสานข้อดีของทั้งเทคนิคการเผาผนึกแบบไร้แรงดันแบบดั้งเดิมและเทคนิคการเผาผนึกพลาสมาประกายไฟเข้าด้วยกันได้^{[ 18 ]}

การขึ้นรูปด้วยการเผาผนึกด้วยไฟฟ้าเป็นเทคโนโลยีการเผาผนึกโดยใช้กระแสไฟฟ้าช่วย (ECAS) ซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากการเผาผนึกด้วยการปล่อยประจุของตัว เก็บประจุ เทคโนโลยีนี้ใช้ในการผลิตวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะเพชร และอยู่ระหว่างการประเมินเพื่อการผลิตโลหะแข็ง^{[ 19 ]}ไนตินอล^{[ 20 ]}และโลหะและสารประกอบโลหะอื่นๆ มีลักษณะเด่นคือใช้เวลาในการเผาผนึกต่ำมาก ทำให้เครื่องจักรสามารถเผาผนึกได้เร็วเท่ากับเครื่องอัดขึ้นรูป

การเผาผนึกแบบไร้แรงดันคือการเผาผนึกผงอัดแน่น (บางครั้งที่อุณหภูมิสูงมาก ขึ้นอยู่กับผง) โดยไม่ใช้แรงดัน วิธีนี้ช่วยหลีกเลี่ยงความแปรผันของความหนาแน่นในชิ้นส่วนสุดท้าย ซึ่งเกิดขึ้นกับวิธีการอัดร้อนแบบดั้งเดิม^{[ 21 ]}

ผงเซรามิกสามารถขึ้นรูปได้ด้วยวิธีการหล่อแบบสลิปการฉีดขึ้นรูปและการอัดขึ้นรูปด้วยความดันไอโซสแตติกเย็นหลังจากผ่านกระบวนการพรีซินเทอริงแล้ว ชิ้นงานดิบสุดท้ายสามารถนำไปขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรให้ได้รูปทรงสุดท้ายก่อนนำไปเผาผนึก

สามารถดำเนินการกำหนดการให้ความร้อนที่แตกต่างกันได้ 3 แบบด้วยการเผาผนึกแบบไร้แรงดัน ได้แก่ การให้ความร้อนในอัตราคงที่ (CRH) การเผาผนึกแบบควบคุมอัตรา (RCS) และการเผาผนึกแบบสองขั้นตอน (TSS) โครงสร้างจุลภาคและขนาดเกรนของเซรามิกอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัสดุและวิธีการที่ใช้^{[ 21 ]}

การให้ความร้อนด้วยอัตราคงที่ (CRH) หรือที่รู้จักกันในชื่อการเผาผนึกแบบควบคุมอุณหภูมิ ประกอบด้วยการให้ความร้อนแก่ชิ้นงานดิบด้วยอัตราคงที่จนถึงอุณหภูมิการเผาผนึก^{[ 22 ]}การทดลองกับเซอร์โคเนียได้ดำเนินการเพื่อปรับอุณหภูมิการเผาผนึกและอัตราการเผาผนึกให้เหมาะสมสำหรับวิธีการ CRH ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าขนาดของเกรนจะเหมือนกันเมื่อตัวอย่างถูกเผาผนึกจนมีความหนาแน่นเท่ากัน ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าขนาดของเกรนเป็นฟังก์ชันของความหนาแน่นของชิ้นงานมากกว่าโหมดอุณหภูมิ CRH

ในการเผาผนึกแบบควบคุมอัตรา (RCS) อัตราการเพิ่มความหนาแน่นในเฟสที่มีรูพรุนเปิดจะต่ำกว่าในวิธีการ CRH ^{[ 22 ]}ตามคำจำกัดความ ความหนาแน่นสัมพัทธ์ ρ _relในเฟสที่มีรูพรุนเปิดจะต่ำกว่า 90% แม้ว่าสิ่งนี้ควรจะป้องกันการแยกตัวของรูพรุนจากขอบเกรน แต่ได้รับการพิสูจน์ทางสถิติแล้วว่า RCS ไม่ได้ทำให้ขนาดเกรนเล็กลงกว่า CRH สำหรับตัวอย่างอะลูมินา เซอร์โคเนีย และเซเรีย^{[ 21 ]}

การเผาผนึกแบบสองขั้นตอน (TSS) ใช้สองอุณหภูมิการเผาผนึกที่แตกต่างกัน อุณหภูมิการเผาผนึกแรกควรรับประกันความหนาแน่นสัมพัทธ์ที่สูงกว่า 75% ของความหนาแน่นของตัวอย่างตามทฤษฎี ซึ่งจะกำจัดรูพรุนวิกฤตยิ่งยวดออกจากเนื้อวัสดุ จากนั้นตัวอย่างจะถูกทำให้เย็นลงและคงไว้ที่อุณหภูมิการเผาผนึกที่สองจนกว่าการเพิ่มความหนาแน่นจะเสร็จสมบูรณ์ เม็ดของเซอร์โคเนียลูกบาศก์และสตรอนเทียมไททาเนตลูกบาศก์ได้รับการปรับปรุงให้ละเอียดขึ้นอย่างมีนัยสำคัญโดย TSS เมื่อเทียบกับ CRH อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงขนาดเม็ดในวัสดุเซรามิกอื่นๆ เช่น เซอร์โคเนียสี่เหลี่ยมจัตุรัสและอะลูมินาหกเหลี่ยม ไม่มีความสำคัญทางสถิติ^{[ 21 ]}

ใน การเผาผนึก ด้วยไมโครเวฟบางครั้งความร้อนจะถูกสร้างขึ้นภายในวัสดุ แทนที่จะผ่านการถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสีจากพื้นผิวจากแหล่งความร้อนภายนอก วัสดุบางชนิดไม่สามารถเชื่อมต่อกันได้ และบางชนิดแสดงพฤติกรรมที่ควบคุมไม่ได้ ดังนั้นจึงมีข้อจำกัดในการใช้งาน ข้อดีของการเผาผนึกด้วยไมโครเวฟคือการให้ความร้อนที่เร็วขึ้นสำหรับโหลดขนาดเล็ก ซึ่งหมายความว่าใช้เวลาน้อยลงในการเข้าถึงอุณหภูมิการเผาผนึก ใช้พลังงานความร้อนน้อยลง และคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ก็ดีขึ้น^{[ 23 ]}

ข้อเสียของการเผาผนึกด้วยไมโครเวฟคือโดยทั่วไปจะเผาผนึกได้เพียงครั้งละหนึ่งชิ้นเท่านั้น ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมต่ำ ยกเว้นในกรณีที่เกี่ยวข้องกับการเผาผนึกแบบชิ้นเดียว เช่น สำหรับศิลปิน เนื่องจากไมโครเวฟสามารถทะลุผ่านวัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้า สูง และค่าการซึมผ่าน สูงได้ในระยะทางสั้นๆ เท่านั้น การเผาผนึกด้วยไมโครเวฟจึงต้องใช้ตัวอย่างในรูปผงที่มีขนาดอนุภาคใกล้เคียงกับความลึกของการทะลุผ่านของไมโครเวฟในวัสดุนั้นๆ กระบวนการเผาผนึกและปฏิกิริยาข้างเคียงจะเกิดขึ้นเร็วกว่าหลายเท่าในระหว่างการเผาผนึกด้วยไมโครเวฟที่อุณหภูมิเดียวกัน ซึ่งส่งผลให้คุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ที่เผาผนึกแตกต่างกัน^{[ 23 ]}

เทคนิคนี้ได้รับการยอมรับว่ามีประสิทธิภาพมากในการรักษาเม็ดละเอียด/เม็ดขนาดนาโนในไบโอเซรามิก ที่ผ่านการเผาผนึก แมกนีเซียมฟอสเฟตและแคลเซียมฟอสเฟตเป็นตัวอย่างที่ได้รับการประมวลผลผ่านเทคนิคการเผาผนึกด้วยไมโครเวฟ^{[ 24 ]}

ในทางปฏิบัติ การเผาผนึกคือการควบคุมทั้งการเพิ่มความหนาแน่นและการเจริญเติบโตของเกรนการเพิ่มความหนาแน่นคือการลดรูพรุนในตัวอย่าง ทำให้ตัวอย่างมีความหนาแน่นมากขึ้น การเจริญเติบโตของเกรนคือกระบวนการเคลื่อนที่ของขอบเกรนและ การเจริญ เติบโตแบบออสท์วาลด์ (Ostwald ripening ) เพื่อเพิ่มขนาดเกรนเฉลี่ย คุณสมบัติหลายอย่าง ( ความแข็งแรงเชิงกลความแข็งแรงในการแตกตัวทางไฟฟ้า ฯลฯ) จะได้รับประโยชน์จากทั้งความหนาแน่น สัมพัทธ์สูง และขนาดเกรนเล็ก ดังนั้น การควบคุมคุณสมบัติเหล่านี้ในระหว่างกระบวนการจึงมีความสำคัญทางเทคนิคสูง เนื่องจากการเพิ่มความหนาแน่นของผงต้องใช้ความร้อนสูง การเจริญเติบโตของเกรนจึงเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในระหว่างการเผาผนึก การลดกระบวนการนี้เป็นกุญแจสำคัญสำหรับเซรามิกทางวิศวกรรมหลายชนิด ภายใต้เงื่อนไขทางเคมีและการจัดเรียงตัวบางอย่าง เกรนบางส่วนอาจเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วโดยเบียดบังเกรนข้างเคียงในระหว่างการเผาผนึก ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเจริญเติบโตของเกรนที่ผิดปกติ (AGG) ส่งผลให้เกิดการกระจายขนาดเกรนแบบสองยอด ซึ่งมีผลกระทบต่อสมรรถนะเชิงกล ไดอิเล็กทริก และความร้อนของวัสดุที่ผ่านการเผาผนึก

เพื่อให้เกิดการอัดแน่นอย่างรวดเร็ว จำเป็นต้องมี (1) ปริมาณของเฟสของเหลวที่มีขนาดใหญ่ (2) การละลายของของแข็งในของเหลวเกือบสมบูรณ์ และ (3) การเปียกของของแข็งด้วยของเหลว พลังงานที่อยู่เบื้องหลังการอัดแน่นนั้นมาจากแรงดันคาปิลลารีของเฟสของเหลวที่อยู่ระหว่างอนุภาคของแข็งขนาดเล็ก เมื่อเฟสของเหลวเปียกอนุภาคของแข็ง ช่องว่างระหว่างอนุภาคแต่ละช่องจะกลายเป็นคาปิลลารีซึ่งเกิดแรงดันคาปิลลารีจำนวนมาก สำหรับอนุภาคขนาดเล็กกว่าไมโครเมตร เส้นเลือดฝอยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในช่วง 0.1 ถึง 1 ไมโครเมตร จะสร้างแรงดันในช่วง 175 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (1,210 kPa) ถึง 1,750 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (12,100 kPa) สำหรับของเหลวซิลิเกต และในช่วง 975 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (6,720 kPa) ถึง 9,750 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (67,200 kPa) สำหรับโลหะ เช่น โคบอลต์เหลว^{[ 3 ]}

การเพิ่มความหนาแน่นต้องอาศัย แรงดันคาปิลลารีคงที่ ซึ่งการถ่ายโอนวัสดุจากการละลายและการตกตะกอนเพียงอย่างเดียวจะไม่ทำให้เกิดการเพิ่มความหนาแน่น สำหรับการเพิ่มความหนาแน่นเพิ่มเติม จำเป็นต้องมีการเคลื่อนที่ของอนุภาคเพิ่มเติมในขณะที่อนุภาคมีการเติบโตของเม็ดและรูปร่างของเม็ดเปลี่ยนแปลงไป การหดตัวจะเกิดขึ้นเมื่อของเหลวไหลผ่านระหว่างอนุภาคและเพิ่มแรงดันที่จุดสัมผัส ทำให้วัสดุเคลื่อนตัวออกจากบริเวณสัมผัส บังคับให้ศูนย์กลางของอนุภาคเข้าใกล้กัน^{[ 3 ]}

การเผาผนึกของวัสดุเฟสของเหลวเกี่ยวข้องกับเฟสของแข็งที่มีขนาดเม็ดละเอียดเพื่อสร้างแรงดันคาปิลลารีที่จำเป็นซึ่งเป็นสัดส่วนกับเส้นผ่านศูนย์กลาง และความเข้มข้นของของเหลวจะต้องสร้างแรงดันคาปิลลารีที่จำเป็นภายในช่วงที่กำหนด มิฉะนั้นกระบวนการจะหยุดลง อัตราการเกิดแก้วขึ้นอยู่กับขนาดรูพรุน ความหนืด และปริมาณของเฟสของเหลวที่มีอยู่ ซึ่งนำไปสู่ความหนืดขององค์ประกอบโดยรวม และแรงตึงผิว การพึ่งพาอุณหภูมิสำหรับการเพิ่มความหนาแน่นควบคุมกระบวนการ เนื่องจากที่อุณหภูมิสูงขึ้นความหนืดจะลดลงและปริมาณของเหลวจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบและการประมวลผล จะส่งผลต่อกระบวนการเกิดแก้ว^{[ 3 ]}

การเผาผนึกเกิดขึ้นจากการแพร่ของอะตอมผ่านโครงสร้างจุลภาค การแพร่ดังกล่าวเกิดจากความแตกต่างของศักย์เคมี – อะตอมเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีศักย์เคมีสูงไปยังบริเวณที่มีศักย์เคมีต่ำ เส้นทางที่แตกต่างกันที่อะตอมใช้ในการเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งเรียกว่า "กลไกการเผาผนึก" หรือ "กลไกการขนส่งสสาร"

ในการเผาผนึกแบบของแข็ง กลไกทั่วไปหกประการได้แก่: ^{[ 3 ]}

1. การแพร่บนพื้นผิว – การแพร่ของอะตอมไปตามพื้นผิวของอนุภาค
2. การเคลื่อนย้ายไอ – การระเหยของอะตอมที่ควบแน่นบนพื้นผิวที่แตกต่างกัน
3. การแพร่ของอะตอมจากพื้นผิวเข้าสู่โครงผลึก – อะตอมจากพื้นผิวแพร่ผ่านโครงผลึก
4. การแพร่ของอะตอมจากขอบเกรนเข้าสู่โครงผลึก – อะตอมจากขอบเกรนแพร่ผ่านโครงผลึก
5. การแพร่ตามขอบเกรน – อะตอมแพร่ไปตามขอบเกรน
6. การเสียรูปพลาสติก – การเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันทำให้เกิดการไหลของสสาร

กลไกที่ 1–3 ข้างต้นเป็นกลไกที่ไม่ทำให้ความหนาแน่นเพิ่มขึ้น (กล่าวคือ ไม่ทำให้รูพรุนและเนื้อเซรามิกโดยรวมหดตัว) แต่ยังคงสามารถเพิ่มพื้นที่ของพันธะหรือ "คอ" ระหว่างเกรนได้ โดยจะนำอะตอมจากพื้นผิวและจัดเรียงใหม่ไปยังพื้นผิวอื่นหรือส่วนใดส่วนหนึ่งของพื้นผิวเดียวกัน กลไกที่ 4–6 เป็นกลไกที่ทำให้ความหนาแน่นเพิ่มขึ้น – อะตอมจะถูกเคลื่อนย้ายจากเนื้อวัสดุหรือขอบเกรนไปยังพื้นผิวของรูพรุน ซึ่งจะช่วยกำจัดรูพรุนและเพิ่มความหนาแน่นของตัวอย่าง

ขอบเกรน (GB) คือบริเวณเปลี่ยนผ่านหรือส่วนต่อประสานระหว่างผลึก (หรือเกรน) ที่อยู่ติดกันซึ่งมีองค์ประกอบทางเคมีและ โครงสร้าง แลตติส เดียวกัน ไม่ควรสับสนกับขอบเฟส เกรนที่อยู่ติดกันไม่มีทิศทางของแลตติสเดียวกัน ดังนั้นจึงทำให้ตำแหน่งของอะตอมใน GB เปลี่ยนไปเมื่อเทียบกับแลตติสในผลึกเนื่องจากตำแหน่งที่เปลี่ยนไปของอะตอมใน GB ทำให้พวกมันมีสถานะพลังงานสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับอะตอมในแลตติสผลึกของเกรน ความไม่สมบูรณ์แบบนี้ทำให้สามารถกัด GB ได้อย่างเลือกสรรเมื่อต้องการให้โครงสร้างจุลภาคปรากฏให้เห็น^{[ 25 ]}

การพยายามลดพลังงานให้น้อยที่สุดจะนำไปสู่การหยาบของโครงสร้างจุลภาคเพื่อไปถึงสถานะกึ่งเสถียรภายในชิ้นงาน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการลดพื้นที่ GB และการเปลี่ยนแปลง โครงสร้าง ทางโทโพโลยีเพื่อลดพลังงาน การเติบโตของเกรนนี้อาจเป็นปกติหรือผิดปกติการเติบโตของเกรนปกติมีลักษณะเฉพาะคือการเติบโตและขนาดที่สม่ำเสมอของเกรนทั้งหมดในชิ้นงานการเติบโตของเกรนที่ผิดปกติคือเมื่อเกรนบางส่วนเติบโตใหญ่กว่าเกรนส่วนใหญ่ที่เหลือมาก^{[ 26 ]}

โดยปกติอะตอมใน GB จะอยู่ในสถานะพลังงานที่สูงกว่าอะตอมที่เทียบเท่ากันในวัสดุส่วนใหญ่ เนื่องมาจากพันธะที่ยืดออกมากขึ้น ทำให้เกิดแรงตึง GB พลังงานส่วนเกินที่อะตอมเหล่านี้มีเรียกว่าพลังงานขอบเกรน เกรนจะพยายามลดพลังงานส่วนเกินนี้ให้เหลือน้อยที่สุด จึงพยายามทำให้พื้นที่ขอบเกรนเล็กลง และการเปลี่ยนแปลงนี้ต้องใช้พลังงาน^{[ 26 ]}${\displaystyle \sigma _{GB}}$${\displaystyle \gamma _{GB}}$

"หรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง ต้องมีการออกแรงในระนาบของขอบเกรนและกระทำไปตามแนวเส้นในบริเวณขอบเกรน เพื่อขยายบริเวณขอบเกรนไปในทิศทางของแรง แรงต่อหน่วยความยาว กล่าวคือ แรงดึง/ความเค้น ตามแนวเส้นที่กล่าวถึงคือ σGB จากเหตุผลนี้จึงสรุปได้ว่า:

$${\displaystyle \sigma _{GB}dA{\text{ (งานที่ทำ)}}=\gamma _{GB}dA{\text{ (การเปลี่ยนแปลงพลังงาน)}}\,\!}$$

โดยที่ dA คือการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ขอบเกรนต่อหน่วยความยาวตามแนวเส้นในพื้นที่ขอบเกรนที่พิจารณา" ^{[ 26 ] [หน้า 478]}

ความตึงของขอบเกรน (GB tension) อาจมองได้ว่าเป็นแรงดึงดูดระหว่างอะตอมที่ผิวหน้า และความตึงระหว่างอะตอมเหล่านี้เกิดจากระยะห่างระหว่างอะตอมที่ผิวหน้ามีมากกว่าในเนื้อสาร (เช่นความตึงผิว ) เมื่อพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น พันธะจะยืดออกมากขึ้น และความตึงของขอบเกรนก็จะเพิ่มขึ้น เพื่อต่อต้านการเพิ่มขึ้นของความตึงนี้ จะต้องมีการเคลื่อนย้ายอะตอมไปยังผิวหน้าเพื่อรักษาระดับความตึงของขอบเกรนให้คงที่ การแพร่กระจายของอะตอมนี้เป็นสาเหตุที่ทำให้ความตึงผิวในของเหลวคงที่ ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า...

$${\displaystyle \sigma _{GB}dA{\text{ (งานที่ทำ)}}=\gamma _{GB}dA{\text{ (การเปลี่ยนแปลงพลังงาน)}}\,\!}$$

เป็นจริง สำหรับของแข็ง ในทางกลับกัน การแพร่กระจายของอะตอมไปยังพื้นผิวอาจไม่เพียงพอ และแรงตึงผิวอาจเปลี่ยนแปลงไปตามการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ผิว^{[ 27 ]}

สำหรับของแข็ง เราสามารถหาค่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระของกิบส์ dG เมื่อพื้นที่ของขอบเกรน dA เปลี่ยนแปลงได้ โดย dG กำหนดโดย $${\displaystyle \sigma _{GB}dA{\text{ (งานที่ทำ)}}=dG{\text{ (การเปลี่ยนแปลงพลังงาน)}}=\gamma _{GB}dA+Ad\gamma _{GB}\,\!}$$

ซึ่งให้ $${\displaystyle \sigma _{GB}=\gamma _{GB}+{\frac {โฆษณา\gamma _{GB}}{dA}}\,\!}$$

${\displaystyle \sigma _{GB}}$โดยปกติจะแสดงในหน่วยของในขณะที่โดยปกติจะแสดงในหน่วยของเนื่องจากเป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกัน^{[ 26 ]}${\displaystyle {\frac {N}{m}}}$${\displaystyle \gamma _{GB}}$${\displaystyle {\frac {J}{m^{2}}}}$${\displaystyle (J=Nm)}$

ใน วัสดุไอโซโทรปิกสองมิติ แรงตึงที่ขอบเกรนจะมีค่าเท่ากันสำหรับทุกเกรน ซึ่งจะทำให้เกิดมุม 120° ที่จุดเชื่อมต่อของขอบเกรนซึ่งเป็นจุดที่เกรนสามเกรนมาบรรจบกัน ส่งผลให้โครงสร้างมี รูปแบบ หกเหลี่ยมซึ่งเป็น สภาวะ กึ่งเสถียร (หรือสมดุลทางกล ) ของชิ้นงานสองมิติ ผลที่ตามมาคือ เพื่อให้คงสภาพใกล้เคียงกับสมดุลมากที่สุด เกรนที่มีด้านน้อยกว่าหกด้านจะดัดขอบเกรนเพื่อพยายามรักษามุม 120° ระหว่างกัน ส่งผลให้เกิดขอบเกรนโค้งโดยมีส่วนโค้งเข้าหาตัวเอง เกรนที่มีหกด้านจะมีขอบเกรนตรง ในขณะที่เกรนที่มีมากกว่าหกด้านจะมีขอบเกรนโค้งโดยมีส่วนโค้งออกจากตัวเอง เกรนที่มีหกขอบ (เช่น โครงสร้างหกเหลี่ยม) อยู่ในสภาวะกึ่งเสถียร (เช่น สมดุลเฉพาะที่) ภายในโครงสร้างสองมิติ^{[ 26 ]}ในสามมิติ รายละเอียดโครงสร้างจะคล้ายกันแต่ซับซ้อนกว่ามาก และ โครงสร้าง กึ่งเสถียรสำหรับเม็ดคือรูปทรงหลายเหลี่ยม 14 ด้านที่ไม่ปกติ ที่มีหน้าโค้งสองชั้น ในทางปฏิบัติ อาร์เรย์ของเม็ดทั้งหมดจะไม่เสถียรเสมอและจะเติบโตต่อไปจนกว่าจะถูกหยุดโดยแรงต้าน^{[ 28 ]}

เกรนพยายามลดพลังงานให้น้อยที่สุด และขอบเขตโค้งจะมีพลังงานสูงกว่าขอบเขตตรง ซึ่งหมายความว่าขอบเขตของเกรนจะเคลื่อนที่เข้าหาความโค้ง ผลที่ตามมาคือเกรนที่มีด้านน้อยกว่า 6 ด้านจะมีขนาดเล็ลง ในขณะที่เกรนที่มีด้านมากกว่า 6 ด้านจะมีขนาดเพิ่มขึ้น^{[ 29 ]}

การเจริญเติบโตของเกรนเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอะตอมข้ามขอบเกรน พื้นผิวที่นูนจะมีศักยภาพทางเคมีสูงกว่าพื้นผิวที่เว้า ดังนั้นขอบเกรนจะเคลื่อนที่เข้าหาจุดศูนย์กลางความโค้ง เนื่องจากอนุภาคขนาดเล็กมักจะมีรัศมีความโค้งสูงกว่า ส่งผลให้เกรนขนาดเล็กสูญเสียอะตอมให้กับเกรนขนาดใหญ่และหดตัวลง กระบวนการนี้เรียกว่าการเจริญเติบโตแบบออสท์วาลด์ (Ostwald ripening) เกรนขนาดใหญ่จะเจริญเติบโตโดยเบียดบังเกรนขนาดเล็ก

จากการจำลองการเจริญเติบโตของเมล็ดพืชอย่างง่าย พบว่ามีลักษณะดังนี้: $${\displaystyle G^{m}=G_{0}^{m}+Kt}$$

ในที่นี้Gคือขนาดเม็ดเฉลี่ยสุดท้ายG ₀คือขนาดเม็ดเฉลี่ยเริ่มต้นtคือเวลาmคือค่าตัวประกอบระหว่าง 2 ถึง 4 และKคือค่าตัวประกอบที่กำหนดโดย: $${\displaystyle K=K_{0}e^{\frac {-Q}{RT}}}$$

ในที่นี้Qคือพลังงานกระตุ้นโมลาร์Rคือค่าคงที่ของก๊าซในอุดมคติ_Tคืออุณหภูมิสัมบูรณ์ และK₀คือปัจจัยที่ขึ้นอยู่กับวัสดุ ในวัสดุส่วนใหญ่ ขนาดของเกรนที่ผ่านการเผาผนึกจะเป็นสัดส่วนผกผันกับรากที่สองของเศษส่วนของความพรุน ซึ่งหมายความว่ารูพรุนเป็นตัวหน่วงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการเจริญเติบโตของเกรนในระหว่างการเผาผนึก

หาก มีการเติม สารเจือปนลงในวัสดุ (ตัวอย่างเช่น Nd ใน BaTiO₃ ₎สารเจือปนนั้นจะพยายามเกาะติดกับขอบเกรน เมื่อขอบเกรนพยายามเคลื่อนที่ (เนื่องจากอะตอมกระโดดจากพื้นผิวที่นูนไปยังพื้นผิวที่เว้า) การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารเจือปนที่ขอบเกรนจะสร้างแรงต้านต่อขอบเกรน ความเข้มข้นของสารละลายรอบขอบเกรนโดยทั่วไปจะไม่สมมาตร เมื่อขอบเกรนพยายามเคลื่อนที่ ความเข้มข้นด้านตรงข้ามกับการเคลื่อนที่จะมีค่าสูงกว่า และด้วยเหตุนี้จึงมีศักย์เคมีสูงกว่า ศักย์เคมีที่เพิ่มขึ้นนี้จะทำหน้าที่เป็นแรงต้านต่อความชันของศักย์เคมีเดิมซึ่งเป็นสาเหตุของการเคลื่อนที่ของขอบเกรน การลดลงของศักย์เคมีสุทธิจะลดความเร็วของขอบเกรนและลดการเติบโตของเกรนลง

หากเติมอนุภาคของเฟสที่สองซึ่งไม่ละลายในเฟสเมทริกซ์ลงในผงในรูปของผงละเอียดมากยิ่งขึ้น จะทำให้การเคลื่อนที่ของขอบเกรนลดลง เมื่อขอบเกรนพยายามเคลื่อนที่ผ่านการแพร่ของอะตอมจากเกรนหนึ่งไปยังอีกเกรนหนึ่ง มันจะถูกขัดขวางโดยอนุภาคที่ไม่ละลาย เนื่องจากเป็นประโยชน์สำหรับอนุภาคที่จะอยู่ในขอบเกรนและพวกมันจะออกแรงในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของขอบเกรน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์ซีเนอร์ (Zener effect) ตามชื่อของบุคคลที่ประมาณค่าแรงต้านนี้

$${\displaystyle F=\pi r\lambda \sin(2\theta )\,\!}$$ โดยที่ r คือรัศมีของอนุภาค และ λ คือพลังงานพื้นผิวของขอบเขต ถ้ามีอนุภาค N อนุภาคต่อหน่วยปริมาตร เศษส่วนปริมาตร f คือ $${\displaystyle f={\frac {4}{3}}\pi r^{3}N\,\!}$$

โดยสมมติว่าอนุภาคกระจายตัวแบบสุ่ม ขอบเขตที่มีพื้นที่หนึ่งหน่วยจะตัดกับอนุภาคทั้งหมดภายในปริมาตร 2r ซึ่งก็คือ 2Nr อนุภาค ดังนั้นจำนวนอนุภาค n ที่ตัดกับขอบเขตของเกรนที่มีพื้นที่หนึ่งหน่วยคือ:

$${\displaystyle n={\frac {3f}{2\pi r^{2}}}\,\!}$$

ทีนี้ สมมติว่าเมล็ดพืชเจริญเติบโตเนื่องจากอิทธิพลของความโค้งเท่านั้น แรงขับเคลื่อนของการเจริญเติบโตคือโดยที่ (สำหรับโครงสร้างเมล็ดพืชที่เป็นเนื้อเดียวกัน) R มีค่าใกล้เคียงกับเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของเมล็ดพืช ด้วยเหตุนี้ เส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤตที่ต้องถึงก่อนที่เมล็ดพืชจะหยุดเจริญเติบโตคือ: ${\displaystyle {\frac {2\แลมบ์ดา }{R}}}$

$${\displaystyle nF_{max}={\frac {2\lambda }{D_{crit}}}\,\!}$$ สิ่งนี้สามารถลดทอนได้เป็น $${\displaystyle D_{crit}={\frac {4r}{3f}}\,\!}$$

ดังนั้นเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤตของเม็ดจึงขึ้นอยู่กับขนาดและเศษส่วนปริมาตรของอนุภาคที่ขอบเม็ด^{[ 30 ]}

นอกจากนี้ยังพบว่าฟองอากาศหรือโพรงขนาดเล็กสามารถทำหน้าที่เป็นสิ่งเจือปนได้

ปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งทำให้การเคลื่อนที่ของขอบเกรนช้าลงนั้นรวมถึงปฏิสัมพันธ์ของพลังงานพื้นผิวของเกรนทั้งสองและการรวมตัว และมีการอธิบายรายละเอียดโดย CS Smith ^{[ 31 ]}

การเกิดการเผาผนึกเป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้สูญเสียกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาโดยเฉพาะอย่างยิ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่รองรับ การเกิดการเผาผนึกจะลดพื้นที่ผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาและเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นผิว^{[ 32 ]}สำหรับพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีรูพรุน รูพรุนอาจยุบตัวลงเนื่องจากการเกิดการเผาผนึก ส่งผลให้สูญเสียพื้นที่ผิว การเกิดการเผาผนึกโดยทั่วไปเป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้^{[ 33 ]}

อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาขนาดเล็กมีพื้นที่ผิวสัมพัทธ์สูงสุดที่เป็นไปได้และอุณหภูมิปฏิกิริยาสูง ซึ่งทั้งสองปัจจัยนี้โดยทั่วไปจะเพิ่มปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม ปัจจัยเหล่านี้ยังเป็นสถานการณ์ที่ทำให้เกิดการเผาผนึก^{[ 34 ]}วัสดุเฉพาะบางชนิดอาจเพิ่มอัตราการเผาผนึกได้ ในทางกลับกัน การผสมตัว เร่งปฏิกิริยากับวัสดุอื่น ๆ สามารถลดการเผาผนึกได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โลหะหายากได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถลดการเผาผนึกของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะเมื่อนำมาผสมเป็นโลหะผสม^{[ 35 ]}

สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่รองรับ หลายชนิด การเกิดการเผาผนึกจะเริ่มมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญที่อุณหภูมิสูงกว่า 500 °C (932 °F) ^{[ 32 ]}ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า เช่นตัวเร่งปฏิกิริยาในรถยนต์จะใช้การปรับปรุงโครงสร้างเพื่อลดหรือป้องกันการเผาผนึก การปรับปรุงเหล่านี้โดยทั่วไปอยู่ในรูปของตัวรองรับที่ทำจากวัสดุเฉื่อยและมีเสถียรภาพทางความร้อน เช่นซิลิกาคาร์บอนหรืออะลูมินา^{[ 36 ]}

• Chiang, Yet-Ming; Birnie, Dunbar P.; Kingery, W. David (พฤษภาคม 1996). เซรามิกส์เชิงกายภาพ: หลักการสำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมเซรามิกส์ . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-59873-9.
• กรีน, ดีเจ; แฮนนิงก์, อาร์; สเวน, เอ็มวี (1989). การเพิ่มความแข็งแรงของเซรามิกด้วยกระบวนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง . โบคา ราตัน: สำนักพิมพ์ซีอาร์ซี. ISBN 0-8493-6594-5.
• German, RM (1996). ทฤษฎีและการปฏิบัติของการเผาผนึก . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-05786-X.
• คัง ซุกจุง แอล. (2005). การเผาผนึก (ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 1). อ็อกซ์ฟอร์ด: เอลเซเวียร์ , บัตเตอร์เวิร์ธ ไฮเนมันน์. ISBN 0-7506-6385-5.

ลองค้นหาคำว่า "sintering"ในวิกิพีเดีย ซึ่งเป็นพจนานุกรมออนไลน์ฟรี

• การเผาผนึกอนุภาคต่ออนุภาค – การจำลองมอนเตคาร์โลจลน์เชิงโครงสร้างตาข่าย 3 มิติ
• การเผาผนึกทรงกลม-แผ่น – การจำลองมอนเตคาร์โลจลน์เชิงโครงสร้างตาข่าย 3 มิติ