Движущей силой самопроизвольно протекающего процесса спекания является разность свободных энергий исходного (порошкового) и конечного (плотного) состояний.

Основные физико-химические процессы, протекающие при термической обработке керамики.

Конструкции печей для обжига изделий.

Спекание - одна из основных технологических операций в производстве изделий из порошков, в процессе которой происходит превращение брикета в прочное спеченное тело со свойствами, приближающимися к свойствам компактного материала. При этом происходит уплотнение свободно насыпанной или спрессованной массы порошка, а также ряд в основном физических процессов, обеспечивающих большее или меньшее заполнение пор.

В соответствии с современными представлениями о спекании различают несколько основных видов спекания, каждый из которых отличается состоянием вещества, участвующего в процессе:
- твердофазное спекание, при котором все участвующие в спекании вещества, составляющие шихту находятся в твердом состоянии, то есть в твердой фазе;
- спекание с переносом атомов через газовую фазу;
- жидкофазное спекание, при котором хотя бы один из компенентов смеси находится в расплавленном, жидком состоянии.
В свою очередь жидкофазное спекание подразделяется на несколько видов:
- спекание с образованием жидкой фазы, присутствующей до конца изотермической выдержки при нагреве.
- спекание с образованием жидкой фазы, исчезающей в процессе нагрева.
- спекание, при котором жидкая фаза образуется как результат твердофазного взаимодествия компонентов с образованием эвтектики, остающейся в жидком состоянии до конца выдержки.

Основным процессом при любом из видов спекания является переход от порошкового тела, обладающего избыточной свободной энергией (на поверхности частиц) к более стабильному спеченному телу большей плотности.

Движущей силой самопроизвольно протекающего процесса спекания является разность свободных энергий исходного (порошкового) и конечного (плотного) состояний.

Конкретные пути снижения этой разности состоят в значительном уменьшении внешних (поверхность заготовки, открытые поры) и внутренних поверхностей (внутренние поры, границы зерен), а также существенное устранение дефектов структуры (вакансий и дислокаций - вследствие объемной и поверхностной диффузии) и неравновесных состояний.

В спекаемой массе перемещается большой объем материи, в зависимости от характера и состояния системы в таком перемещении используются (самопроизвольно) различные механизмы перемещения (миграции).

В идеализированном виде спекание происходит следующим образом. Две соприкасающиеся частицы постепенно сближаются, граница между ними исчезает , а массы объединяются в общее тело. Это происходит под действием капиллярных сил Лапласа путем уменьшения их суммарной поверхности на промежуточных стадиях спекания . Объясняется это явление тем, что атомы частиц, находящиеся в зоне контакта обладают меньшей энергией и подвижностью, поскольку часть поверхностной энергии задействована на преодоление контактных сил, а атомы на поверхности частиц вне зоны контакта - более "энергичны" и подвижны. Поэтому они стремятся тоже отдать часть своей энергии путем перехода в зону контакта. Зона контакта расширяется. Следующий этап связывания энергии - это исчезновение общей границы между частицами и переход атомов во внутренние объемы частиц . Образуется новое тело из двух частиц, имеющее "шейку". На вогнутой поверхности шейки с отрицательной кривизной действуют растягивающие силы, в то время как на сферических выпуклых поверхностях объединенной частицы действуют сжимающие силы . Под действием этих сил центры частиц сближаются и образуется новая частица. Сближение центров частиц обуславливает уменьшение объема вновь образовавшейся частицы, то есть - усадку тела в целом.

Если считать, что две частицы имеют одинаковую массу, то при радиусе частиц R1, объем занимаемый обеими частицами будет 2 V1= R13;
а масса: 2 M1= 2 R13;
Новая частица имеет массу 2М1, отсюда ее радиус R2.2М1= R23 = 2 R13; R2 = R12 = 1,44 R1
Две частицы имеют характеристический размер равный 2R1, а новая частица - 1,44R1. Отсюда максимальная усадка при спекании составляет  1,39
Практика спекания показывает, что максимально достижимая усадка составляет 1,25-1,3, что составляет примерно 93% от теоретической усадки.

Спекание - сложный процесс, во время которого происходит удаление адсорбированных паров и газов, диффузионное перемещение атомов, исправление дефектов кристаллических решеток, рекристаллизация, перенос атомом через газовую фазу, образование новых фаз вследствие физико-химических процессов и др.

Дефектами кристаллической решетки называют всякое нарушение периодичности расположения ее структурных элементов. Наиболее распространенные дефекты - это вакансии и дислокации. Вакансии - это незанятые, то есть вакантные, узлы решетки. Узловая вакансия решетки образуется вследствие перемещения атома (иона) из нормального положения в междоузлия. При этом атом, освободивший узел решетки, становится межузельным атомом. Вакансии и межузельные атомы являются дефектами-антиподами: аннигиляция вакансии и межузельного атома восстанавливает правильность кристаллической решетки. Вакансии различают двух типов: типа Френкеля и типа Шоттки. Вакансия типа Френкеля рождается в паре с межузельным атомом, вакансию типа Шоттки образуют либо две вакансии противоположного знака, либо два межузельных иона противоположного знака (антипод дефекта Шоттки).При образовании вакансий происходит перемещения атомов, окружающих дефект. Атомы вокруг вакансии сдвигаются к незанятому узлу решетки, в то время как межузельный атом "расталкивает" окружающие атомы. Объединение вакансий может дать трехмерное образование в виде поры или каверны, либо в виде плоского "блина" атомной толщины. И в том и в другом случае возникновение вакансионных дефектов существенно снижает прочность спеченного тела. Дислокации - это специфические линейные дефекты, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей в кристалле. В отличие от вакансий, дислокации искажают всю структуру кристалла. Кристалл с правильной решеткой можно изобразить в виде семейства параллельных атомных плоскостей. Если одна из плоскостей обрывается внутри кристалла , то ее край образует линейный дефект, называемый краевой дислокацией. Такого вида дислокации образуются при захлопывании "блина" вакансий или внедрения слоя межузельных атомов. Другой простейший вид дислокации - это винтовая дислокация. В этом случае ни одна из атомных плоскостей не оканчивается внутри кристалла, но сами плоскости лишь приблизительно параллельны и смыкаются друг с другом так, что образуется одна слабоизогнутая атомная плоскость в виде винтовой плоскости с шагом, равным межплоскостному расстоянию. Ось винтовой линии образует линию дислокации. Выше было сказано, что объединение вакансий приводит к образованию пустот, вокруг которых концентрация вакансий велика. Возникший градиент вакансий приводит к оттоку вакансий от поверхности поры и притоку межузловых атомов. Таким образом на поверхности поры происходит аннигиляция вакансия-атом и пора "зарастает" атомами. В случае припекания частицы к частице в месте наибольшей кривизны контакта концентрация вакансий также возрастает и вогнутые области действуют как источники, а сжатые области - выпуклые поверхности, границы зерен - в результате недостатка вакансий действуют как стоки. Эквивалентные потоку вакансий, но направленные в противоположную сторону потоки межузловых атомов усиливают контактирование частиц посредством объемной или поверхностой диффузии. Переносу вещества в контактную зону способствуют и дислокации, так как они действуют в качестве стоков вакансий.

Различают три стадии уплотнения (усадки):

- ранняя стадия. Плотность прессовки мала и уплотнение определяется процессами в приконтактных областях - движением вакансий, межузловых атомов и состоянием структуры и геометрии приконтактных областей; для ранней стадии спекания характерна высокая скорость деформации частиц и повышение прочности заготовок.

- промежуточная стадия. Плотность прессовки возрастает и уменьшение объема каждой из пор происходит независимо, а пористое тело ведет себя как очень вязкая среда. Происходит уплотнение тела по всему объему.

- поздняя стадия. Тело сформировано. Прессовка содержит отдельные изолированные поры, которые залечиваются в результате дифузионного "растворения" в матрице. На этой стадии возможен процесс объединения пор (коалесценция пор), когда их суммарная поверхность уменьшается при их неизменном суммарном объеме, то есть, поры укрупняются. Скорость усадки уменьшается.

Микроструктура материала описывает совокупность всех образующих ее фазовых состояний вместе с имеющимися дефектами. Она определяет многие свойства, такие, как прочность и поведение в ходе длительной эксплуатации. Под микроструктурой понимают вид и число фаз, наблюдаемых на керамическом образце, а также величину, форму, ориентацию и распределение их частиц. Таким образом, говоря о керамических материалах, под термином «микроструктура» следует понимать всю совокупность фаз с их параметрами и характеристиками, полученными при исследовании. Важнейшими параметрами микроструктуры являются процентное содержание стекла , величина и форма зерен, пористость, наличие плавленой фазы и текстура.

Термообработка керамики (обжиг) — один из основных процессов формирования микроструктуры материала, его свойств.