粉末技术的关键基础Part IV：三观制程

■耀德讲堂 / 邱耀弘 博士

楔子

各位ASMM的读者大家好，接下来Dr. Q为大家带来一些非常关键的基础知识，作为粉末技术的入门秘籍，这些秘籍不光是给粉末压制(PM)或金属粉末注射成型(MIM)而已，也不光是金属材料，包含金属、陶瓷以及高分子聚合物等，甚至是食物如面粉、奶粉等，Dr. Q将由基础探讨来让大家理解粉末技术的物理、化学、数学。而这些内容也将分为下列章节逐期连载于本杂志中：「Part I. 微量成分对钢铁金属材料有何影响？」、「Part II. 什么是粉末最佳的形貌？」、「Part III. 固体的特殊性」、「Part IV. 三观制程──粉末技术的结构变化」。

Part IV. 三观制程

首先，Dr. Q和读者们讨论观(View or Appearance)这个词，从中文和英文的字义中，观是一个查看事物的点，以人类所理解的哲学，观是有尺度可区分，但是却没有限度，可以无限放大或无限缩小，并且随着时代和工具的进步，观的尺度更加广阔无垠。

讨论如由哲学上开始，我们将涉及「宏观」(Macro)是与「微观」(Micro)互为相对的。其中，宏观泛指大的方面或总体方面，从大的方面去观察，如：从宏观经济的角度来考察，从电力和能源工业的增长情况，可以推断国民经济的发展状况。在人文和社会科学中，通常把时间跨度大、空间范围广、涉及事物多的整体研究的方法，叫做宏观方法或宏观科学。

在自然和材料科学（材料属于自然科学的一小部分）的研究中，宏观并不论及分子、原子、电子等物质内部结构或机制，以简化实际讨论。一般认为，以肉眼在不借助工具（如显微镜）所能见到的物体称之宏观物体；宏观现象一般指宏观物体和隐藏在宏观的空间范围内的各种表征现象。然而，仅透过宏观的变化观察着实无法满足人类的好奇心，基于好奇心也好、探究真相也罢，观察入微已经是现代制造工程的必备条件，人类早已经跳入到微观世界来控制过程使宏观的结果变好。

在我们认知的材料领域中，「微观」也与「宏观」呈现相对，微观包括分子、原子、原子核、基本粒子及与之相应的场(Filed)。其中，目前已经科学家能够「观察」到非常微小的色玻子（注意，色玻子种类很多）称为上帝的粒子，即便是微小的基本粒子也有其内部结构。微观世界的各层次物体因为够小，因此都具有波(Wave)、粒(Particle)二象性，并符合且服从量子力学规律。（很有趣的说法，服从！）

图1：自然与材料科学讨论的几个「观」（本图修改自科学技术相关的哲学问题（三）宏观、微观和介观，中国教育发展战略学会人才发展专业委员会，https:///）

如图1所表示，如果再加以细分（Dr. Q看了几篇文章后收集的），人类目前的观点包含：量子观（基本粒子的组成）、微观、介观、宏观和宇观，其中量子观和宇观都是近20年学者们提出的新论点，它们本身其实早已存在，只是观察的角度和细分不同，读者们可以理解为哲学论点会因时代变迁与观察工具的进步，变得更小或变更大，这是有趣的哲学，用思维分析来证明现实的物体。

好！今天的文章暂时锁定在材料科学的三观──微观、介观与宏观，以Dr. Q的观察，就材料科学的三观论点应该为：

• 微观：由原子和分子级粒子构成，尺度在几个原子长度(Å= 1X10-10m)到奈米(1000nm, 1nm= 1X10-9m)构成；
• 介观：由微米(1~1000μm, 1μm=1X10-6m)构成；
• 宏观：由毫米(1~1000mm, 1mm=1X10-3m)构成。

这样来说，介观就是指介于宏观和微观之间的尺度；一般认为它的尺度在奈米(nm)和毫米之间(mm)。介观体系一方面有着微观属性，可表现出量子力学的特征；可另一方面，它的尺寸又是可计量的。一般来说，宏观体系的特点是物理量具有自平均性。即可以把宏观物体看成是由许多的小块所组成，每一小块是统计独立的，整个宏观物体所表现出来的性质是各小块的平均值一致。如果减小宏观物体的尺寸，只要还是足够大，测量的物理量，例如电导率，和系统的平均值的差别就很小。

当物理体系的尺寸小到一定的程度，宏观的平均性将消失。人们一般认为这样的尺度是原子的尺寸大小，或者说晶体中一个晶格的大小，最多不过几个晶格的尺寸大小。不过随着现代物理的发展，许多19世纪前的物理理论已经都被推翻或是更加清晰，以下便举粉末材料作为讨论的例子。

粉末的尺度=烧结的驱动力

如图2，当物质细小化后会逐渐趋向等轴颗粒，也就是一颗粒中任意画直线且通过质量中心，这些任意线段的长度会越来越接近等长度，不过读者千万别以为颗粒的表现就温和了，在粉末世界中，越细小的颗粒群集有着越大的相对比面积，会导致制造的程序出现重大的影响。

图2：数个等轴晶，随着晶体越来越小，通过质量中心的三条直线a-a、b-b、c-c会越来越接近相同长度

因此，粉末的尺度=粉末的比表面积=烧结过程的驱动力(Driving Force of Sintering)这已经是当代粉末科学家观察并进行一系列实验、论文发表结果，而最接近这些结果当然就属金属粉末注射成形技术(MIM)，只要粉末的直径小于50μm，对于粉末聚集体便能通过烧结使粉末固结成为块并降低其表面能量形成介观或宏观的结构，也自1972年以来MIM技术得以获得工业制造的青睐。

仔细来说明，烧结驱动力是指烧结过程中推动物质传递和迁移从而实现致密化过程的动力。主要由粉末颗粒的表面能提供，在粉末的成型体中那些粉末颗粒尺寸很小（通常小于50μm），具有较高的表面能量，粉末颗粒间接触的面积也很小，伴随有大量的气-固表面，总表面积很大且处于较高的能量状态，在烧结过程中将自发地向最低能量状态变化，原来的气-固接口逐渐生成能量较低的固-固接口。

图3：(1)注射生坯状态，两粉末颗粒紧密靠近并被黏结剂所隔开，每个粉末外面被黏结剂平均的「包浆」；(2)经过150℃的脱脂棕坯状态，两粉末颗粒距离不变但黏结剂已经被打孔；(3)热脱脂初期(300~350°C)，两粉末颗粒因为填充剂去除使距离靠近；(4)热脱脂中期(400~450°C)，因高温骨架剂开始分解使两粉末颗粒更加靠近；(5)热脱脂后期(600~900°C)，两粉末颗粒紧靠且必须要使金属粉末表面还原，才能进行烧结产生初期的烧结颈(Sintering Necking)；(6)烧结颈持续扩大(>900°C)，两粉末颗粒结合朝完全致密化前进

最重要的整个致密化过程并没有出现液相，或是非常少部分的液相瞬间出现旋即消失，因为液相的出现将会导致成形体崩塌可能、发生局部过度的致密并导致不正常的收缩，有趣的是这些种种的观察和实验在历经半个世纪的讨论，并将这样的结果也应用到先进的金属、陶瓷以及高分子的粉体床3D打印技术，也能够顺利地发展出符合工业需求的制品制程。

粉末技术的结构变化：理论模型与实体验证

接下来Dr. Q将粉末结构变化由低温往高温的烧结致密固化的步骤绘制出来，如图3的说明。图4则是配合图3的描述所收集到的微结构照片。有趣的是，如果粉末很细小，烧结的驱动力会驱使烧结致密化的温度甚至在550℃就会开始发生，对于铁系金属而言，足够细小的奈米级粉末会和黏结剂转变成的碳作用，提前在表面形成一个壳层效果，这也是金属粉末注射成形表面形成一层致密层的主要原因──奈米级粉末造成。

图4：(1)生坯状态，黏结剂均匀包裹在粉末的外面；(2)酸催化脱脂坯，白色棉絮状系为残留的高温骨架剂经过破坏撕扯后造成，此时已经没有填充剂(POM)；(3)脱脂后约达600°C之状态，粉末表面开始突起，此时以高真空内烧可以让还原气氛进入粉末间的通道进行反应；(4)烧结颈发生约达900°C，预烧结状态之坯体有强度可以移动；(5)烧结态的初状态，孔洞逐渐变少；(6)烧结到最终致密的状态，只留下少许孔洞与晶粒的边界

 我们之前有谈到粉末的颗粒数量随着粉末尺度越小而数量呈现越大，在金属粉末注射成形过程因为注射压力把细小的奈米级粉末挤到表面，加上细粉的烧结驱动力使得温度超过600℃变形成如图5所示的致密层。

图5：在下方（MIM烧结件的表面）有一层接近100μm的致密层，这是因为细粉造成的现象

Part IV. 小结

MIM由1972年发明一直到近年，才因为金属积层制造的兴起而带动了详细的观察，尤其在解决金属注射成形的两大缺陷──黑痕(Black Mark)和白痕(White Marking)，黑痕来自粉胶的分离，主要是注射成形喂料温度过高导致黏结剂太稀甚至分解，只要适当降低注射温度使喂料黏度上升，便可以解决黑痕问题；白痕来自注射的喂料速度过快填充到封闭的模具空间，同样是温度作用加上速度，因此增加排气位置并适当降低速度，可以有效解决白痕。从微观到介观到宏观，我们把巨大的金属块熔解、喷制成粉，又将之注射成形、烧结成有用的形体，这些跨越三观的程序来回，就是当今最新奇的金属粉末制程，各位读者，希望您能体会其中的奥妙。

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