التلبيد

This article includes a list of general references, but it lacks sufficient corresponding inline citations. Please help to improve this article by introducing more precise citations. (October 2022) (Learn how and when to remove this message)

التلبيد أو التفتيت هو عملية ضغط وتشكيل كتلة صلبة من المواد بالضغط ^[1] أو الحرارة ^[2] دون إذابتها إلى درجة التسييل . يحدث التلبيد كجزء من عملية التصنيع المستخدمة مع المعادن والسيراميك والبلاستيك وغيرها من المواد. تنتشر الجسيمات النانوية في المادة الملبدة عبر حدود الجسيمات، فتندمج الجسيمات معًا وتشكل قطعة صلبة.

نظرًا لأن درجة حرارة التلبيد لا يجب أن تصل إلى نقطة انصهار المادة، فغالبًا ما يتم اختيار التلبيد كعملية تشكيل للمواد ذات نقاط الانصهار العالية للغاية، مثل التنغستن والموليبدينوم . تُعرف دراسة التلبيد في العمليات المرتبطة بالمسحوق المعدني باسم مسحوق المعادن .

يمكن ملاحظة مثال على التلبيد عندما تلتصق مكعبات الثلج في كوب من الماء ببعضها البعض، وهو ما يحدث بسبب الفارق في درجة الحرارة بين الماء والجليد. ومن أمثلة التلبيد الناتج عن الضغط ضغط الثلج المتساقط على نهر جليدي، أو تكوين كرة ثلجية صلبة عن طريق ضغط الثلج المتساقط معًا.

المادة الناتجة عن التلبيد تسمى sinter . تأتي كلمة sinter من الكلمة الألمانية العليا الوسطى sinter ، وهي قريبة من الكلمة الإنجليزية cinder .

يعتبر التلبيد ناجحًا بشكل عام عندما تقلل العملية من المسامية وتعزز خصائص مثل القوة والتوصيل الكهربائي والشفافية والتوصيل الحراري . في بعض الحالات الخاصة، يتم تطبيق التلبيد بعناية لتعزيز قوة المادة مع الحفاظ على المسامية (على سبيل المثال في المرشحات أو المحفزات ، حيث يكون امتصاص الغاز أولوية). أثناء عملية التلبيد، يدفع الانتشار الذري إزالة سطح المسحوق في مراحل مختلفة، بدءًا من تكوين أعناق بين المساحيق إلى الإزالة النهائية للمسام الصغيرة في نهاية العملية.

القوة الدافعة للتكثيف هي التغير في الطاقة الحرة من انخفاض مساحة السطح وخفض الطاقة الحرة السطحية عن طريق استبدال واجهات الصلب والبخار. إنه يشكل واجهات صلبة صلبة جديدة ولكنها ذات طاقة أقل مع انخفاض صافٍ في إجمالي الطاقة الحرة. على نطاق مجهري، يتأثر نقل المواد بالتغير في الضغط والاختلافات في الطاقة الحرة عبر السطح المنحني. إذا كان حجم الجسيم صغيرًا (وانحناءه مرتفعًا)، تصبح هذه التأثيرات كبيرة جدًا في المقدار. يكون التغير في الطاقة أعلى بكثير عندما يكون نصف قطر الانحناء أقل من بضعة ميكرومتر، وهو أحد الأسباب الرئيسية وراء اعتماد الكثير من تكنولوجيا السيراميك على استخدام مواد الجسيمات الدقيقة. ^[3]

إن نسبة مساحة الرابطة إلى حجم الجسيمات هي عامل حاسم لخصائص مثل القوة والتوصيل الكهربائي. للحصول على مساحة الرابطة المطلوبة، يتم التحكم بدقة في درجة الحرارة وحجم الحبيبات الأولي أثناء عملية التلبيد. في الحالة المستقرة، يتناسب نصف قطر الجسيمات وضغط البخار مع (p ₀ ) ^2/3 و (p ₀ ) ^1/3 ، على التوالي. ^[3]

إن مصدر الطاقة لعمليات الحالة الصلبة هو التغير في الطاقة الكامنة الحرة أو الكيميائية بين عنق الجسيم وسطحه. تخلق هذه الطاقة نقلًا للمواد من خلال أسرع وسيلة ممكنة؛ إذا حدث النقل من حجم الجسيم أو حدود الحبيبات بين الجسيمات، فسوف ينخفض ​​عدد الجسيمات وستُدمر المسام. يكون التخلص من المسام أسرع في العينات ذات المسام المتعددة ذات الحجم الموحد لأن مسافة انتشار الحدود هي الأصغر. خلال الأجزاء الأخيرة من العملية، يصبح انتشار الحدود والشبكة من الحدود مهمًا. ^[3]

يعد التحكم في درجة الحرارة أمرًا مهمًا للغاية لعملية التلبيد، نظرًا لأن انتشار حدود الحبوب وانتشار الحجم يعتمدان بشكل كبير على درجة الحرارة وحجم الجسيمات وتوزيع الجسيمات وتركيبة المادة وغالبًا خصائص أخرى لبيئة التلبيد نفسها. ^[3]

This section needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources in this section. Unsourced material may be challenged and removed. (July 2023) (Learn how and when to remove this message)

التلبيد هو جزء من عملية الحرق المستخدمة في تصنيع الفخار والأشياء الخزفية الأخرى. التلبيد والتزجيج ( الذي يتطلب درجات حرارة أعلى) هما الآليتان الرئيسيتان وراء قوة واستقرار السيراميك. تصنع الأشياء الخزفية الملبدة من مواد مثل الزجاج والألومينا والزركونيا والسيليكا والمغنيسيوم والجير وأكسيد البريليوم وأكسيد الحديديك . تتمتع بعض المواد الخام الخزفية بتقارب أقل للماء ومؤشر مرونة أقل من الطين ، مما يتطلب إضافات عضوية في المراحل التي تسبق التلبيد.

تبدأ عملية التلبيد عندما يتم الوصول إلى درجات حرارة كافية لتعبئة العناصر النشطة في المادة الخزفية، والتي يمكن أن تبدأ أسفل نقطة انصهارها (عادةً عند 50-80٪ من نقطة انصهارها ^[4] )، على سبيل المثال، قبل الذوبان . عندما يتم التلبيد الكافي، لن يتحلل الجسم الخزفي في الماء بعد الآن؛ يمكن أن يؤدي التلبيد الإضافي إلى تقليل مسامية السيراميك، وزيادة مساحة الرابطة بين جزيئات السيراميك، وزيادة قوة المادة. ^[5]

تشمل الإجراءات الصناعية لإنشاء الأشياء الخزفية عن طريق تلبيد المساحيق بشكل عام ما يلي: ^[6]

• خلط الماء والمادة الرابطة والمادة المذيبة للتكتل ومسحوق السيراميك غير المحروق لتشكيل عجينة
• تجفيف الملاط بالرش
• وضع المسحوق المجفف بالرش في قالب والضغط عليه لتشكيل جسم أخضر (عنصر خزفي غير متكلس)
• تسخين الجسم الأخضر على درجة حرارة منخفضة لحرق المادة الرابطة
• التلبيد في درجة حرارة عالية لدمج جزيئات السيراميك معًا.

يمكن الحصول بسهولة على جميع درجات الحرارة المميزة المرتبطة بالتحول الطوري، والتحولات الزجاجية، ونقاط الانصهار، التي تحدث أثناء دورة التلبيد لتركيبة سيراميك معينة (أي الذيل والفريتس) من خلال ملاحظة منحنيات التمدد ودرجة الحرارة أثناء التحليل الحراري باستخدام مقياس التمدد الضوئي . في الواقع، يرتبط التلبيد بانكماش ملحوظ للمادة لأن أطوار الزجاج تتدفق بمجرد الوصول إلى درجة حرارة انتقالها، وتبدأ في تعزيز البنية المسحوقة وتقليل مسامية المادة بشكل كبير.

يتم إجراء التلبيد عند درجة حرارة عالية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام قوة خارجية ثانية و/أو ثالثة (مثل الضغط والتيار الكهربائي). القوة الخارجية الثانية المستخدمة بشكل شائع هي الضغط. يُطلق على التلبيد الذي يتم عن طريق التسخين فقط اسم "التلبيد بدون ضغط"، وهو أمر ممكن مع المركبات المعدنية الخزفية المصنفة، باستخدام مساعد التلبيد النانوي وتقنية القولبة السائبة. يُطلق على البديل المستخدم للأشكال ثلاثية الأبعاد الضغط المتساوي الضغط الساخن .

للسماح بتكديس المنتج بكفاءة في الفرن أثناء التلبيد ولمنع التصاق الأجزاء ببعضها البعض، يقوم العديد من المصنعين بفصل المنتجات باستخدام صفائح فصل مسحوق السيراميك. تتوفر هذه الصفائح بمواد مختلفة مثل الألومينا والزركونيا والمغنيسيا. كما يتم تصنيفها حسب أحجام الجسيمات الدقيقة والمتوسطة والخشنة. من خلال مطابقة المادة وحجم الجسيمات مع المنتجات التي يتم تلبيدها، يمكن تقليل تلف السطح والتلوث مع زيادة تحميل الفرن إلى أقصى حد.

يمكن تصنيع معظم المعادن، إن لم يكن كلها، ^{[ أيها؟ ] بالصهر. وينطبق هذا بشكل خاص على المعادن النقية المنتجة في الفراغ والتي لا تتعرض للتلوث السطحي. يتطلب الصهر تحت الضغط الجوي استخدام غاز وقائي، غالبًا ما} يكون غازًا ماصًا للحرارة . يمكن أن ينتج الصهر، مع إعادة العمل اللاحقة، مجموعة كبيرة من خصائص المواد. يمكن للتغيرات في الكثافة والسبائك والمعالجات الحرارية أن تغير الخصائص الفيزيائية لمختلف المنتجات. على سبيل المثال، تظل معامل يونج E _n لمساحيق الحديد الصهر غير حساس إلى حد ما لوقت الصهر أو السبائك أو حجم الجسيمات في المسحوق الأصلي لدرجات حرارة الصهر المنخفضة، ولكنها تعتمد على كثافة المنتج النهائي:

$${\displaystyle E_{n}/E=(D/d)^{3.4}}$$ حيث D هي الكثافة، وE هي معامل يونج و d هي أقصى كثافة للحديد.

تكون عملية التلبيد ثابتة عندما يظهر مسحوق معدني في ظل ظروف خارجية معينة اندماجًا، ومع ذلك يعود إلى سلوكه الطبيعي عند إزالة هذه الظروف. في معظم الحالات، تزداد كثافة مجموعة من الحبيبات مع تدفق المادة إلى الفراغات، مما يتسبب في انخفاض الحجم الكلي. تتكون حركات الكتلة التي تحدث أثناء التلبيد من تقليل المسامية الكلية عن طريق إعادة التعبئة، تليها نقل المواد بسبب التبخر والتكثيف من الانتشار . في المراحل النهائية، تتحرك ذرات المعدن على طول حدود البلورة إلى جدران المسام الداخلية، وإعادة توزيع الكتلة من الكتلة الداخلية للجسم وتنعيم جدران المسام. التوتر السطحي هو القوة الدافعة لهذه الحركة.

هناك شكل خاص من التلبيد (الذي لا يزال يعتبر جزءًا من مسحوق المعادن) وهو التلبيد في الحالة السائلة حيث يكون عنصر واحد على الأقل ولكن ليس كل العناصر في حالة سائلة. التلبيد في الحالة السائلة مطلوب لصنع كربيد الأسمنت وكربيد التنغستن .

يستخدم البرونز المتكلس بشكل خاص بشكل متكرر كمواد للمحامل ، حيث تسمح مساميته للمواد التشحيمية بالتدفق من خلاله أو البقاء محتجزة داخله. يمكن استخدام النحاس المتكلس كبنية فتيلية في أنواع معينة من بناء الأنابيب الحرارية ، حيث تسمح المسامية للعامل السائل بالتحرك عبر المادة المسامية من خلال الخاصية الشعرية . بالنسبة للمواد التي لها نقاط انصهار عالية مثل الموليبدينوم والتنغستن والرينيوم والتنتالوم والأوزميوم والكربون ، فإن التلبيد هو أحد عمليات التصنيع القليلة القابلة للتطبيق. في هذه الحالات ، تكون المسامية المنخفضة للغاية مرغوبة ويمكن تحقيقها غالبًا .

يستخدم مسحوق المعدن المتكلس لصنع قذائف بندقية قابلة للكسر تسمى طلقات الاختراق ، كما تستخدمها الفرق العسكرية وفرق التدخل السريع لاقتحام غرفة مقفلة بسرعة. تم تصميم قذائف البندقية هذه لتدمير مزاليج الأبواب والأقفال والمفصلات دون المخاطرة بالأرواح عن طريق الارتداد أو الطيران بسرعة مميتة عبر الباب. تعمل عن طريق تدمير الجسم الذي تصطدم به ثم تتناثر في مسحوق غير ضار نسبيًا.

يتم استخدام البرونز المتكلس والفولاذ المقاوم للصدأ كمواد ترشيح في التطبيقات التي تتطلب مقاومة درجات الحرارة العالية مع الاحتفاظ بالقدرة على تجديد عنصر الترشيح. على سبيل المثال، يتم استخدام عناصر الفولاذ المقاوم للصدأ المتكلس لترشيح البخار في تطبيقات الأغذية والأدوية، والبرونز المتكلس في أنظمة الهيدروليك للطائرات.

تُستخدم عملية تلبيد المساحيق المحتوية على معادن ثمينة مثل الفضة والذهب لصنع قطع مجوهرات صغيرة. وقد ثبت أن التجميع الذاتي التبخيري لمكعبات نانوية من الفضة الغروية في بلورات فائقة يسمح بتلبيد الوصلات الكهربائية عند درجات حرارة أقل من 200 درجة مئوية. ^[7]

تتضمن المزايا الخاصة لتكنولوجيا المسحوق ما يلي:

1. مستويات عالية جدًا من النقاء والتوحيد في المواد الخام
2. الحفاظ على النقاء، وذلك بفضل عملية التصنيع اللاحقة الأكثر بساطة (خطوات أقل) التي تجعل ذلك ممكنًا
3. تثبيت تفاصيل العمليات المتكررة، من خلال التحكم في حجم الحبيبات أثناء مراحل الإدخال
4. غياب الاتصال الرابط بين جزيئات المسحوق المنفصلة - أو "الشوائب" (تسمى الترابط) - كما يحدث غالبًا في عمليات الصهر
5. لا يلزم حدوث تشوه لإنتاج استطالة اتجاهية للحبوب
6. القدرة على إنتاج مواد ذات مسامية موحدة ومتحكم بها.
7. القدرة على إنتاج أشياء على شكل شبكة تقريبًا.
8. القدرة على إنتاج مواد لا يمكن إنتاجها باستخدام أي تقنية أخرى.
9. القدرة على تصنيع مواد عالية القوة مثل شفرات التوربينات.
10. بعد التلبيد تصبح القوة الميكانيكية للتعامل أعلى.

تحتوي الأدبيات على العديد من المراجع حول عملية التلبيد للمواد غير المتشابهة لإنتاج مركبات صلبة/طور صلب أو مخاليط صلبة/مذابة في مرحلة المعالجة. يمكن الحصول على أي مادة تقريبًا في شكل مسحوق، من خلال عمليات كيميائية أو ميكانيكية أو فيزيائية، وبالتالي يمكن الحصول على أي مادة بشكل أساسي من خلال التلبيد. عندما يتم تلبيد العناصر النقية، يظل المسحوق المتبقي نقيًا، وبالتالي يمكن إعادة تدويره.

تتضمن العيوب الخاصة بتقنية المسحوق ما يلي: ^{[ بحث أصلي؟ ]}

1. لا يمكن للتلبيد إنشاء أحجام موحدة
2. في كثير من الأحيان يتم تدمير البنى الدقيقة والنانوية المنتجة قبل التلبيد.

يتم تشكيل المواد البلاستيكية عن طريق التلبيد للتطبيقات التي تتطلب مواد ذات مسامية محددة. تُستخدم المكونات البلاستيكية المسامية الملبدة في الترشيح والتحكم في تدفقات السوائل والغازات. تُستخدم المواد البلاستيكية الملبدة في التطبيقات التي تتطلب عمليات فصل السوائل الكاوية مثل أقلام التحديد الموجودة على السبورة البيضاء ومرشحات الاستنشاق وفتحات التهوية للأغطية والبطانات الموجودة على مواد التغليف. ^{[8] تُستخدم مواد} البولي إيثيلين عالية الوزن الجزيئي الملبدة كمواد أساسية للتزلج على الجليد والتزلج على الجليد. يسمح الملمس المسامي بالاحتفاظ بالشمع داخل بنية المادة الأساسية، وبالتالي توفير طلاء شمعي أكثر متانة.

بالنسبة للمواد التي يصعب تلبيدها، تُستخدم عادةً عملية تسمى تلبيد الطور السائل . المواد التي يكون تلبيد الطور السائل شائعًا فيها هي Si ₃ N ₄ و WC و SiC والمزيد. تلبيد الطور السائل هو عملية إضافة مادة مضافة إلى المسحوق والتي ستذوب قبل طور المصفوفة. تتكون عملية تلبيد الطور السائل من ثلاث مراحل:

• إعادة الترتيب - عندما يذوب السائل، فإن الخاصية الشعرية سوف تسحب السائل إلى المسام وتتسبب أيضًا في إعادة ترتيب الحبوب في ترتيب تعبئة أكثر ملاءمة.
• ترسيب المحلول - في المناطق التي تكون فيها الضغوط الشعرية عالية (الجسيمات قريبة من بعضها البعض) ستذهب الذرات بشكل تفضيلي إلى المحلول ثم تترسب في مناطق ذات إمكانات كيميائية أقل حيث لا تكون الجسيمات قريبة أو على اتصال. وهذا ما يسمى بالتسطيح التلامسي. وهذا يعمل على تكثيف النظام بطريقة مماثلة لانتشار حدود الحبوب في التلبيد في الحالة الصلبة. سيحدث نضج أوستوالد أيضًا حيث ستذهب الجسيمات الأصغر إلى المحلول بشكل تفضيلي وترسب على الجسيمات الأكبر مما يؤدي إلى التكثيف.
• التكثيف النهائي - تكثيف الشبكة الهيكلية الصلبة، وحركة السوائل من المناطق المعبأة بكفاءة إلى المسام.

لكي يكون التلبيد في الطور السائل عمليًا، يجب أن يكون الطور الرئيسي قابلًا للذوبان قليلاً على الأقل في الطور السائل ويجب أن يذوب المضاف قبل حدوث أي تلبيد رئيسي لشبكة الجسيمات الصلبة، وإلا فلن يحدث إعادة ترتيب للحبيبات. تم تطبيق التلبيد في الطور السائل بنجاح لتحسين نمو حبيبات طبقات أشباه الموصلات الرقيقة من أفلام السلف النانوية . ^[9]

تستخدم هذه التقنيات التيارات الكهربائية لدفع أو تعزيز التلبيد. ^{[10] [11]} سجل المهندس الإنجليزي AG Bloxam في عام 1906 أول براءة اختراع على مساحيق التلبيد باستخدام التيار المباشر في الفراغ . كان الغرض الأساسي من اختراعاته هو الإنتاج الصناعي للخيوط للمصابيح المتوهجة عن طريق ضغط جزيئات التنغستن أو الموليبدينوم . كان التيار المطبق فعالاً بشكل خاص في تقليل أكاسيد السطح التي تزيد من انبعاثية الخيوط. ^[12]

في عام 1913، حصل وينتراوب وراش على براءة اختراع لطريقة التلبيد المعدلة التي تجمع بين التيار الكهربائي والضغط . وقد ثبتت فوائد هذه الطريقة في تلبيد المعادن المقاومة للحرارة وكذلك مساحيق الكربيد أو النتريد الموصلة. تم وضع مساحيق البورون - الكربون أو السيليكون - الكربون الأولية في أنبوب عازل كهربائيًا وضغطها بواسطة قضيبين يعملان أيضًا كأقطاب كهربائية للتيار. كانت درجة حرارة التلبيد المقدرة 2000 درجة مئوية. ^[12]

في الولايات المتحدة، تم تسجيل براءة اختراع التلبيد لأول مرة بواسطة دوفال دادريان في عام 1922. كانت عملية الثلاث خطوات التي ابتكرها تهدف إلى إنتاج كتل مقاومة للحرارة من مواد أكسيد مثل الزركونيا أو الثوريا أو التنتاليا . كانت الخطوات هي: (أ) صب المسحوق؛ (ب) تلدينه عند حوالي 2500 درجة مئوية لجعله موصلًا؛ (ج) تطبيق التلبيد تحت ضغط التيار كما في الطريقة التي وضعها وينتراوب وراش. ^[12]

تم تسجيل براءة اختراع التلبيد الذي يستخدم قوسًا يتم إنتاجه عبر تفريغ السعة لإزالة الأكاسيد قبل التسخين بالتيار المستمر بواسطة جي إف تايلور في عام 1932. وقد أدى هذا إلى ظهور طرق التلبيد التي تستخدم التيار النبضي أو المتناوب ، والتي يتم فرضها في النهاية على التيار المباشر. وقد تم تطوير هذه التقنيات على مدى عقود عديدة وتم تلخيصها في أكثر من 640 براءة اختراع. ^[12]

ومن بين هذه التقنيات، تعد تقنية التلبيد بالمقاومة (وتسمى أيضًا بالضغط الساخن ) وتقنية التلبيد بالبلازما الشرارية هي الأكثر شهرة ، في حين تعد تقنية التشكيل بالتلبيد الكهربائي أحدث التطورات في هذا المجال.

في عملية التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS)، يتم تطبيق الضغط الخارجي والحقل الكهربائي في وقت واحد لتعزيز تكثيف مسحوق المعادن/السيراميك المضغوط. ومع ذلك، بعد التسويق التجاري، تم تحديد عدم وجود بلازما، لذلك فإن الاسم الصحيح هو التلبيد بالبلازما كما صاغه لينيل. يكمل التكثيف المدفوع بالمجال الكهربائي التلبيد بنوع من الضغط الساخن، لتمكين درجات حرارة أقل واستغراق وقت أقل من التلبيد النموذجي. ^[13] لسنوات عديدة، كان من المتوقع أن يساعد وجود شرارات أو بلازما بين الجسيمات في التلبيد؛ ومع ذلك، أثبت هولبرت وزملاؤه بشكل منهجي أن المعلمات الكهربائية المستخدمة أثناء التلبيد بالبلازما الشرارية تجعله (غير محتمل إلى حد كبير). ^[14] في ضوء ذلك، أصبح اسم "التلبيد بالبلازما الشرارية" قديمًا. تم تنفيذ مصطلحات مثل تقنية التلبيد بمساعدة الحقل (FAST)، والتلبيد بمساعدة الحقل الكهربائي (EFAS)، والتلبيد بالتيار المستمر (DCS) من قبل مجتمع التلبيد. ^[15] باستخدام نبضة تيار مستمر (DC) كتيار كهربائي، وبلازما الشرارة، وضغط تأثير الشرارة، وتسخين جول، وتأثير انتشار المجال الكهربائي. ^[16] من خلال تعديل تصميم قالب الجرافيت وتجميعه، من الممكن إجراء التلبيد بدون ضغط في منشأة التلبيد بالبلازما الشرارية. تم الإبلاغ عن أن إعداد تصميم القالب المعدل هذا يعمل على تآزر مزايا كل من تقنيات التلبيد بدون ضغط التقليدية وتلبيد البلازما الشرارية. ^[17]

تعد عملية التشكيل بالكهرباء إحدى تقنيات التشكيل بالكهرباء بمساعدة التيار الكهربائي (ECAS) والتي نشأت من عملية التشكيل بالتفريغ المكثف . وهي تستخدم لإنتاج مركبات مصفوفة معدنية ماسية وهي قيد التقييم لإنتاج المعادن الصلبة ^[18] والنيتينول ^[19] والمعادن الأخرى والمواد المعدنية. وهي تتميز بوقت تشكيل منخفض للغاية، مما يسمح للآلات بالتشكيل بنفس سرعة مكبس الضغط.

التلبيد بدون ضغط هو عملية تلبيد مسحوق مضغوط (أحيانًا في درجات حرارة عالية جدًا، اعتمادًا على المسحوق) بدون تطبيق ضغط. هذا يتجنب اختلافات الكثافة في المكون النهائي، والتي تحدث مع طرق الضغط الساخن الأكثر تقليدية. ^[20]

يمكن إنشاء مسحوق مضغوط (إذا كان من السيراميك) عن طريق الصب الانزلاقي ، وقولبة الحقن ، والضغط المتساوي الضغط على البارد . بعد التلبيد المسبق، يمكن تشغيل مسحوق مضغوط أخضر نهائي إلى شكله النهائي قبل التلبيد.

يمكن إجراء ثلاثة جداول تسخين مختلفة باستخدام التلبيد الخالي من الضغط: معدل تسخين ثابت (CRH)، والتلبيد المتحكم في المعدل (RCS)، والتلبيد على خطوتين (TSS). قد يختلف التركيب الدقيق وحجم حبيبات السيراميك اعتمادًا على المادة والطريقة المستخدمة. ^[20]

تتكون عملية التسخين بمعدل ثابت (CRH)، والمعروفة أيضًا باسم التلبيد المتحكم في درجة الحرارة، من تسخين المضغوط الأخضر بمعدل ثابت حتى درجة حرارة التلبيد. ^[21] تم إجراء تجارب على الزركونيا لتحسين درجة حرارة التلبيد ومعدل التلبيد لطريقة CRH. أظهرت النتائج أن أحجام الحبوب كانت متطابقة عندما تم تلبيد العينات بنفس الكثافة، مما يثبت أن حجم الحبوب هو دالة على كثافة العينة وليس وضع درجة حرارة CRH.

في التلبيد المتحكم في المعدل (RCS)، يكون معدل التكثيف في مرحلة المسام المفتوحة أقل من معدل التكثيف في طريقة CRH. ^[21] بحكم التعريف، تكون الكثافة النسبية، ρ _rel ، في مرحلة المسام المفتوحة أقل من 90%. وعلى الرغم من أن هذا من شأنه أن يمنع فصل المسام عن حدود الحبوب، فقد ثبت إحصائيًا أن RCS لم ينتج أحجام حبيبات أصغر من CRH لعينات الألومينا والزركونيا والسيرا. ^[20]

تستخدم عملية التلبيد ذات الخطوتين (TSS) درجتي حرارة مختلفتين للتلبيد. يجب أن تضمن درجة حرارة التلبيد الأولى كثافة نسبية أعلى من 75% من كثافة العينة النظرية. سيؤدي هذا إلى إزالة المسام فوق الحرجة من الجسم. ثم يتم تبريد العينة وإبقائها عند درجة حرارة التلبيد الثانية حتى اكتمال التكثيف. تم تنقية حبيبات الزركونيا المكعبة وتيتانات السترونشيوم المكعب بشكل كبير بواسطة TSS مقارنة بـ CRH. ومع ذلك، فإن تغيرات حجم الحبيبات في المواد الخزفية الأخرى، مثل الزركونيا الرباعية والألومينا السداسية، لم تكن ذات دلالة إحصائية. ^[20]

في التلبيد بالميكروويف ، يتم توليد الحرارة أحيانًا داخليًا داخل المادة، وليس من خلال نقل الحرارة الإشعاعية السطحية من مصدر حرارة خارجي. تفشل بعض المواد في الاقتران ويظهر البعض الآخر سلوكًا هروبيًا، لذلك فهي محدودة الفائدة. تتمثل إحدى فوائد التلبيد بالميكروويف في التسخين الأسرع للأحمال الصغيرة، مما يعني الحاجة إلى وقت أقل للوصول إلى درجة حرارة التلبيد، وطاقة تسخين أقل وهناك تحسينات في خصائص المنتج. ^[22]

أحد عيوب التلبيد بالميكروويف هو أنه عادةً ما يلتحم قطعة واحدة فقط في كل مرة، وبالتالي فإن الإنتاجية الإجمالية تكون ضعيفة باستثناء المواقف التي تنطوي على تلبيد فريد من نوعه، مثل الفنانين. نظرًا لأن الموجات الدقيقة لا يمكنها اختراق سوى مسافة قصيرة في المواد ذات الموصلية العالية والنفاذية العالية ، فإن التلبيد بالميكروويف يتطلب تسليم العينة في مساحيق بحجم جسيم حول عمق اختراق الموجات الدقيقة في المادة المعينة. تتم عملية التلبيد والتفاعلات الجانبية بشكل أسرع عدة مرات أثناء التلبيد بالميكروويف عند نفس درجة الحرارة، مما يؤدي إلى خصائص مختلفة للمنتج الملبد. ^[22]

من المعروف أن هذه التقنية فعالة جدًا في الحفاظ على الحبيبات الدقيقة/الحبيبات ذات الحجم النانوي في السيراميك الحيوي المتكلس . فوسفات المغنيسيوم وفوسفات الكالسيوم هي الأمثلة التي تمت معالجتها من خلال تقنية التلبيد بالميكروويف. ^[23]

التلبيد في الممارسة العملية هو التحكم في كل من التكثيف ونمو الحبوب . التكثيف هو فعل تقليل المسامية في العينة، وبالتالي جعلها أكثر كثافة. نمو الحبوب هو عملية حركة حدود الحبوب ونضج أوستوالد لزيادة متوسط ​​حجم الحبوب. تستفيد العديد من الخصائص ( القوة الميكانيكية ، قوة الانهيار الكهربائي، إلخ) من كل من الكثافة النسبية العالية وحجم الحبوب الصغير. لذلك، فإن القدرة على التحكم في هذه الخصائص أثناء المعالجة لها أهمية تقنية عالية. نظرًا لأن تكثيف المساحيق يتطلب درجات حرارة عالية، يحدث نمو الحبوب بشكل طبيعي أثناء التلبيد. يعد تقليل هذه العملية أمرًا أساسيًا للعديد من السيراميك الهندسي. في ظل ظروف معينة من الكيمياء والتوجيه، قد تنمو بعض الحبوب بسرعة على حساب جيرانها أثناء التلبيد. تؤدي هذه الظاهرة، المعروفة باسم نمو الحبوب غير الطبيعي (AGG)، إلى توزيع ثنائي النمط لحجم الحبوب له عواقب على الأداء الميكانيكي والعازل والحراري للمادة الملبدة.

لكي يحدث التكثيف بوتيرة سريعة، من الضروري أن يكون هناك (1) كمية كبيرة من الطور السائل، (2) قابلية شبه كاملة للذوبان للصلب في السائل، و(3) تبليل الصلب بالسائل. تستمد القوة وراء التكثيف من الضغط الشعري للطور السائل الواقع بين الجسيمات الصلبة الدقيقة. عندما يبلل الطور السائل الجسيمات الصلبة، تصبح كل مساحة بين الجسيمات شعرية يتطور فيها ضغط شعري كبير. بالنسبة لأحجام الجسيمات دون الميكرومتر، فإن الشعيرات الدموية ذات الأقطار في نطاق 0.1 إلى 1 ميكرومتر تولد ضغوطًا في نطاق 175 رطلاً لكل بوصة مربعة (1210 كيلو باسكال) إلى 1750 رطلاً لكل بوصة مربعة (12100 كيلو باسكال) للسوائل السيليكاتية وفي نطاق 975 رطلاً لكل بوصة مربعة (6720 كيلو باسكال) إلى 9750 رطلاً لكل بوصة مربعة (67200 كيلو باسكال) لمعادن مثل الكوبالت السائل. ^[3]

تتطلب عملية التكثيف ضغطًا شعريًا ثابتًا حيث لا ينتج عن نقل المواد من المحلول إلى الترسيب عملية تكثيف. لمزيد من التكثيف، تحدث حركة جسيمات إضافية أثناء خضوع الجسيم لنمو الحبيبات وتغيرات شكل الحبيبات. يحدث الانكماش عندما ينزلق السائل بين الجسيمات ويزيد الضغط عند نقاط التلامس مما يتسبب في تحرك المادة بعيدًا عن مناطق التلامس، مما يجبر مراكز الجسيمات على الاقتراب من بعضها البعض. ^[3]

تتضمن عملية تلبيد المواد ذات الطور السائل طورًا صلبًا دقيق الحبيبات لخلق الضغوط الشعرية المطلوبة المتناسبة مع قطرها، ويجب أن يخلق تركيز السائل أيضًا الضغط الشعري المطلوب ضمن النطاق، وإلا تتوقف العملية. يعتمد معدل التزجيج على حجم المسام، واللزوجة وكمية الطور السائل الموجود مما يؤدي إلى لزوجة التركيبة الكلية، والتوتر السطحي. يتحكم اعتماد درجة الحرارة في التكثيف في العملية لأنه عند درجات الحرارة المرتفعة تقل اللزوجة وتزيد من محتوى السائل. لذلك، عندما يتم إجراء تغييرات على التركيبة والمعالجة، فسوف يؤثر ذلك على عملية التزجيج. ^[3]

يحدث التلبيد عن طريق انتشار الذرات عبر البنية الدقيقة. ويحدث هذا الانتشار بسبب تدرج الجهد الكيميائي - تتحرك الذرات من منطقة ذات جهد كيميائي أعلى إلى منطقة ذات جهد كيميائي أقل. والمسارات المختلفة التي تسلكها الذرات للانتقال من نقطة إلى أخرى هي "آليات التلبيد" أو "آليات نقل المادة".

في عملية التلبيد في الحالة الصلبة، الآليات الستة الشائعة هي: ^[3]

1. الانتشار السطحي – انتشار الذرات على طول سطح الجسيم
2. نقل البخار – تبخر الذرات التي تتكثف على سطح مختلف
3. انتشار الشبكة من السطح – تنتشر الذرات من السطح عبر الشبكة
4. انتشار الشبكة من حدود الحبيبات – تنتشر الذرة من حدود الحبيبات عبر الشبكة
5. انتشار حدود الحبوب – تنتشر الذرات على طول حدود الحبوب
6. التشوه البلاستيكي – الحركة الخلعية تسبب تدفق المادة.

الآليات من 1 إلى 3 أعلاه غير مكثفة (أي لا تتسبب في انكماش المسام والجسم الخزفي الإجمالي) ولكنها لا تزال قادرة على زيادة مساحة الرابطة أو "العنق" بين الحبوب؛ فهي تأخذ الذرات من السطح وتعيد ترتيبها على سطح آخر أو جزء من نفس السطح. الآليات من 4 إلى 6 مكثفة - يتم نقل الذرات من المادة السائبة أو حدود الحبوب إلى سطح المسام، وبالتالي القضاء على المسامية وزيادة كثافة العينة.

حدود الحبيبات ( GB ) هي منطقة الانتقال أو الواجهة بين البلورات المتجاورة (أو الحبيبات) من نفس التركيب الكيميائي والشبكي ، ولا ينبغي الخلط بينها وبين حدود الطور . لا تمتلك الحبيبات المتجاورة نفس اتجاه الشبكة، مما يعطي الذرات في GB مواضع مُزاحة بالنسبة للشبكة في البلورات . ونظرًا للمواضع المُزاحة للذرات في GB، فإنها تتمتع بحالة طاقة أعلى عند مقارنتها بالذرات الموجودة في الشبكة البلورية للحبيبات. هذا العيب هو الذي يجعل من الممكن نقش GBs بشكل انتقائي عندما يريد المرء أن يكون التركيب الدقيق مرئيًا. ^[24]

إن السعي إلى تقليل طاقتها يؤدي إلى خشونة البنية الدقيقة للوصول إلى حالة غير مستقرة داخل العينة. يتضمن هذا تقليل مساحة GB وتغيير بنيتها الطوبولوجية لتقليل طاقتها. يمكن أن يكون نمو الحبوب هذا طبيعيًا أو غير طبيعي ، يتميز نمو الحبوب الطبيعي بالنمو والحجم الموحدين لجميع الحبوب في العينة. نمو الحبوب غير الطبيعي هو عندما تنمو بعض الحبوب أكبر بكثير من الأغلبية المتبقية. ^[25]

الذرات في GB تكون عادة في حالة طاقة أعلى من نظيراتها في المادة السائبة. ويرجع هذا إلى روابطها الأكثر تمددًا، مما يؤدي إلى نشوء توتر GB . تسمى هذه الطاقة الإضافية التي تمتلكها الذرات طاقة حدود الحبوب، . سترغب الحبوب في تقليل هذه الطاقة الإضافية، وبالتالي تسعى جاهدة لجعل مساحة حدود الحبوب أصغر وهذا التغيير يتطلب طاقة. ^[25]${\displaystyle \sigma _{GB}}$${\displaystyle \gamma _{GB}}$

"أو بعبارة أخرى، يجب تطبيق قوة في مستوى حدود الحبوب وعلى طول خط في منطقة حدود الحبوب، من أجل تمديد منطقة حدود الحبوب في اتجاه القوة. القوة لكل وحدة طول، أي الشد/الإجهاد، على طول الخط المذكور هي σGB. وعلى أساس هذا المنطق، يتبع ذلك ما يلي:

$${\displaystyle \sigma _{GB}dA{\text{ (work done)}}=\gamma _{GB}dA{\text{ (energy change)}}\,\!}$$

مع dA كزيادة في مساحة حدود الحبوب لكل وحدة طول على طول الخط في مساحة حدود الحبوب المعتبرة." ^{[25] [ص 478]}

يمكن أيضًا اعتبار توتر GB بمثابة قوى الجذب بين الذرات على السطح والتوتر بين هذه الذرات يرجع إلى حقيقة وجود مسافة بين الذرات أكبر بينها على السطح مقارنة بالكتلة (أي التوتر السطحي ). عندما تصبح مساحة السطح أكبر، تتمدد الروابط أكثر ويزداد توتر GB. لمواجهة هذه الزيادة في التوتر، يجب أن يكون هناك نقل للذرات إلى السطح مع الحفاظ على توتر GB ثابتًا. يفسر انتشار الذرات هذا التوتر السطحي الثابت في السوائل. ثم الحجة،

$${\displaystyle \sigma _{GB}dA{\text{ (work done)}}=\gamma _{GB}dA{\text{ (energy change)}}\,\!}$$

هذا صحيح. من ناحية أخرى، بالنسبة للمواد الصلبة، قد لا يكون انتشار الذرات إلى السطح كافياً وقد يتغير التوتر السطحي مع زيادة مساحة السطح. ^[26]

بالنسبة للمادة الصلبة، يمكن استنباط تعبير للتغير في طاقة جيبس ​​الحرة، dG، عند تغير مساحة GB، dA. يتم إعطاء dG بواسطة $${\displaystyle \sigma _{GB}dA{\text{ (work done)}}=dG{\text{ (energy change)}}=\gamma _{GB}dA+Ad\gamma _{GB}\,\!}$$

الذي يعطي $${\displaystyle \sigma _{GB}=\gamma _{GB}+{\frac {Ad\gamma _{GB}}{dA}}\,\!}$$

${\displaystyle \sigma _{GB}}$يتم التعبير عنها عادة بوحدات بينما يتم التعبير عنها عادة بوحدات لأنها خصائص فيزيائية مختلفة. ^[25]${\displaystyle {\frac {N}{m}}}$${\displaystyle \gamma _{GB}}$${\displaystyle {\frac {J}{m^{2}}}}$ ${\displaystyle (J=Nm)}$

في مادة متساوية الخواص ثنائية الأبعاد، يكون توتر حدود الحبيبات هو نفسه بالنسبة للحبيبات. سيعطي هذا زاوية 120 درجة عند تقاطع GB حيث تلتقي ثلاث حبيبات. سيعطي هذا للهيكل نمطًا سداسيًا وهو الحالة غير المستقرة (أو التوازن الميكانيكي ) للعينة ثنائية الأبعاد. إحدى نتائج هذا هي أنه للاستمرار في محاولة البقاء بالقرب من التوازن قدر الإمكان، فإن الحبيبات ذات الأضلاع الأقل من ستة ستثني GB لمحاولة الحفاظ على زاوية 120 درجة بين بعضها البعض. ينتج عن هذا حدود منحنية مع انحنائها تجاه نفسها . سيكون للحبيبة ذات الأضلاع الستة، كما ذكرنا، حدود مستقيمة، بينما سيكون للحبيبة ذات الأضلاع الأكثر من ستة حدود منحنية مع انحنائها بعيدًا عن نفسها. تكون الحبيبة ذات الحدود الستة (أي الهيكل السداسي) في حالة غير مستقرة (أي التوازن المحلي) داخل الهيكل ثنائي الأبعاد. ^[25] في الأبعاد الثلاثة تكون التفاصيل البنيوية متشابهة ولكنها أكثر تعقيدًا بكثير والبنية غير المستقرة للحبوب عبارة عن متعدد السطوح غير منتظم ذو 14 ضلعًا بأوجه منحنية بشكل مزدوج. في الممارسة العملية تكون جميع مجموعات الحبوب غير مستقرة دائمًا وبالتالي تنمو دائمًا حتى يتم منعها بواسطة قوة مضادة. ^[27]

تسعى الحبوب إلى تقليل طاقتها، والحدود المنحنية لها طاقة أعلى من الحدود المستقيمة. وهذا يعني أن حدود الحبوب ستنتقل نحو الانحناء. ^{[ بحاجة لتوضيح ]} والنتيجة المترتبة على ذلك هي أن الحبوب التي يقل عدد جوانبها عن 6 ستنخفض في الحجم بينما الحبوب التي يزيد عدد جوانبها عن 6 ستزداد في الحجم. ^[28]

يحدث نمو الحبوب نتيجة لحركة الذرات عبر حدود الحبوب. تتمتع الأسطح المحدبة بإمكانات كيميائية أعلى من الأسطح المقعرة، وبالتالي تتحرك حدود الحبوب نحو مركز انحنائها. نظرًا لأن الجسيمات الأصغر حجمًا تميل إلى أن يكون لها نصف قطر انحناء أعلى، فإن هذا يؤدي إلى فقدان الحبوب الأصغر ذراتها لصالح الحبوب الأكبر حجمًا وانكماشها. تسمى هذه العملية نضج أوستوالد. تنمو الحبوب الكبيرة على حساب الحبوب الصغيرة.

وجد أن نمو الحبوب في النموذج البسيط يتبع ما يلي: $${\displaystyle G^{m}=G_{0}^{m}+Kt}$$

هنا G هو متوسط ​​حجم الحبوب النهائي، و G ₀ هو متوسط ​​حجم الحبوب الأولي، وt هو الوقت، وm هو عامل بين 2 و4، و K هو عامل يعطى بواسطة: $${\displaystyle K=K_{0}e^{\frac {-Q}{RT}}}$$

هنا Q هي طاقة التنشيط المولية، R هو ثابت الغاز المثالي، T هي درجة الحرارة المطلقة، و K ₀ هو عامل يعتمد على المادة. في معظم المواد، يتناسب حجم الحبيبات المتكلسة مع الجذر التربيعي العكسي للمسامية الكسرية، مما يعني أن المسام هي المثبط الأكثر فعالية لنمو الحبيبات أثناء التكلس.

إذا تمت إضافة مادة مضافة إلى المادة (مثال: Nd في BaTiO3 ₎ ، فإن الشوائب ستميل إلى الالتصاق بحدود الحبوب. وبينما تحاول حدود الحبوب التحرك (عندما تقفز الذرات من السطح المحدب إلى السطح المقعر)، فإن التغيير في تركيز المادة المشعة عند حدود الحبوب سيفرض سحبًا على الحدود. سيكون التركيز الأصلي للمذاب حول حدود الحبوب غير متماثل في معظم الحالات. وبينما تحاول حدود الحبوب التحرك، سيكون التركيز على الجانب المعاكس للحركة أعلى تركيزًا وبالتالي يكون له جهد كيميائي أعلى. وستعمل هذه الإمكانية الكيميائية المتزايدة كقوة خلفية لتدرج الجهد الكيميائي الأصلي وهو سبب حركة حدود الحبوب. سيؤدي هذا الانخفاض في الجهد الكيميائي الصافي إلى تقليل سرعة حدود الحبوب وبالتالي نمو الحبوب.

إذا تمت إضافة جسيمات من طور ثانٍ غير قابلة للذوبان في طور المصفوفة إلى المسحوق في شكل مسحوق أدق بكثير، فسيؤدي هذا إلى تقليل حركة حدود الحبيبات. عندما تحاول حدود الحبيبات التحرك بعد انتشار الذرات من حبة إلى أخرى، فسوف تعوقها الجسيمات غير القابلة للذوبان. هذا لأنه من المفيد للجسيمات أن تقيم في حدود الحبيبات وتمارس قوة في الاتجاه المعاكس مقارنة بهجرة حدود الحبيبات. يُطلق على هذا التأثير تأثير زينر على اسم الرجل الذي قدر قوة السحب هذه بـ

$${\displaystyle F=\pi r\lambda \sin(2\theta )\,\!}$$ حيث r هو نصف قطر الجسيم وλ هي طاقة الواجهة للحدود، وإذا كان هناك N جسيم لكل وحدة حجم فإن كسر حجمها f هو $${\displaystyle f={\frac {4}{3}}\pi r^{3}N\,\!}$$

بافتراض توزيعها عشوائيًا. ستتقاطع حدود المساحة الوحدوية مع جميع الجسيمات داخل حجم 2r وهو 2Nr جسيم. لذا فإن عدد الجسيمات n التي تتقاطع مع مساحة وحدة من حدود الحبوب هو:

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

الآن، بافتراض أن الحبوب تنمو فقط بسبب تأثير الانحناء، فإن القوة الدافعة للنمو تكون حيث (بالنسبة لبنية الحبوب المتجانسة) يقترب R من القطر المتوسط ​​للحبوب. وبهذا يكون القطر الحرج الذي يجب الوصول إليه قبل أن تتوقف الحبوب عن النمو: ${\displaystyle {\frac {2\lambda }{R}}}$

$${\displaystyle nF_{max}={\frac {2\lambda }{D_{crit}}}\,\!}$$ يمكن اختصار هذا إلى $${\displaystyle D_{crit}={\frac {4r}{3f}}\,\!}$$

لذلك فإن القطر الحرج للحبيبات يعتمد على حجم ونسبة حجم الجسيمات عند حدود الحبيبات. ^[29]

وقد ثبت أيضًا أن الفقاعات أو التجاويف الصغيرة يمكن أن تعمل كإدراج

تتضمن التفاعلات الأكثر تعقيدًا والتي تؤدي إلى إبطاء حركة حدود الحبوب تفاعلات الطاقات السطحية للحبوبين والشمول والتي تمت مناقشتها بالتفصيل بواسطة CS Smith. ^[30]

يعتبر التلبيد سببًا مهمًا لفقدان النشاط الحفزي ، وخاصةً في المحفزات المعدنية المدعومة. فهو يقلل من مساحة سطح المحفز ويغير بنية السطح. ^[31] بالنسبة للسطح الحفزي المسامي، قد تنهار المسام بسبب التلبيد، مما يؤدي إلى فقدان مساحة السطح. التلبيد هو بشكل عام عملية لا رجعة فيها. ^[32]

تتمتع جزيئات المحفز الصغيرة بأعلى مساحة سطح نسبية ممكنة ودرجة حرارة تفاعل عالية، وكلاهما عاملان يزيدان عمومًا من تفاعلية المحفز. ومع ذلك، فإن هذه العوامل هي أيضًا الظروف التي يحدث فيها التلبيد. ^[33] قد تزيد مواد معينة أيضًا من معدل التلبيد. من ناحية أخرى، من خلال خلط المحفزات مع مواد أخرى، يمكن تقليل التلبيد. وقد ثبت أن المعادن النادرة على وجه الخصوص تقلل من تلبد المحفزات المعدنية عند خلطها. ^[34]

بالنسبة للعديد من المحفزات المعدنية المدعومة ، يبدأ التلبيد في أن يصبح له تأثير كبير عند درجات حرارة تزيد عن 500 درجة مئوية (932 درجة فهرنهايت). ^[31] تستخدم المحفزات التي تعمل في درجات حرارة أعلى، مثل محفز السيارة ، تحسينات هيكلية لتقليل التلبيد أو منعه. تكون هذه التحسينات بشكل عام في شكل دعامة مصنوعة من مادة خاملة ومستقرة حرارياً مثل السيليكا أو الكربون أو الألومينا . ^[35]

• تشيانج، يت-مينج؛ بيرني، دنبار ب؛ كينجيري، دبليو ديفيد (مايو 1996). السيراميك الفيزيائي: مبادئ علم وهندسة السيراميك . جون وايلي وأولاده. رقم ISBN 0-471-59873-9.
• جرين، دي جيه؛ هانينك، ر؛ سوين، إم في (1989). تحويل التقوية للسيراميك . بوكا راتون: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 0-8493-6594-5.
• الألمانية، RM (1996). نظرية وممارسة التلبيد . شركة جون وايلي وأولاده، رقم ISBN 0-471-05786-X.
• كانج، سوك-جونج ل. (2005). التلبيد (الطبعة الأولى). أكسفورد: إلسفير ، باتروورث هاينمان. رقم ISBN 0-7506-6385-5.

• عملية تلبيد الجسيمات-الجسيمات-الجسيمات – محاكاة مونت كارلو الحركية ثلاثية الأبعاد
• تلبيد الألواح الكروية – محاكاة مونت كارلو الحركية ثلاثية الأبعاد