Cơ chế kết khối HA dựa trên lý thuyết kết khối. Cơ chế như sau:
Kết khối là quá trình tự rắn chắc của vật liệu dưới tác dụng nhiệt độ cao. Dưới tác dụng của nhiệt độ thích hợp (thường nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy), các phối liệu dạng bột rời tiếp xúc với nhau có thể kết thành khối rắn chắc, co ngót chiều dài, giảm độ xốp…Bản chất hóa học có thể thay đổi nếu xảy ra phản ứng hóa học (kết khối trong phản ứng). Về thực chất, kết khối là quá trình vật lý. Với các vật liệu kết khối (oxit kết khối, bột kim loại kết khối…) bản chất hóa học, cấu trúc tinh thể vật liệu không thay đổi trước và sau khi kết khối.
Cơ chế kết khối có thể phân làm hai loại: kết khối pha rắn và kết khối có mặt pha lỏng. Các sản phẩm silicat truyền thống thường kết khối có mặt pha lỏng, trong quá trình kết khối luôn kèm theo các phản ứng hóa học. Vật liệu tạo thành composite gồm các pha đa tinh thể trong nền thủy tinh. Quá trình kết khối các vật liệu oxit tinh khiết, bột kim loại… là kết khối pha rắn, không có mặt pha lỏng. Những vật liệu này có tên là vật liệu kết khối, thành phần hóa và cấu trúc tinh thể của chúng có thể không biến đổi sau khi nung kết khối.
Vì kết khối HA không có mặt pha lỏng nên cơ chế kết khối HA là cơ chế kết khối pha rắn.
Động lực của quá trình kết khối là sự giảm năng lượng bề mặt. Cơ chế kết khối pha rắn
Gồm 2 giai đoạn chính: giai đoạn đầu và giai đoạn kết thúc kết khối
Ở giai đoạn đầu của quá trình kết khối là sự tạo cầu nối giữa các hạt pha rắn. Cơ chế tạo cầu nối: bay hơi-ngưng tụ, khuếch tán ô trống.
a) Hạt tiếp xúc tạo cầu nối; b) Tạo lỗ xốp c) Giảm kích thước lỗ xốp; d) Kết thúc kết khối
Hình 1.9. Cơ chế kết khối pha rắn[3]
Giai đoạn cuối kết khối: Sau khi tạo cầu nối, xuất hiện những lỗ xốp kín ở vị trí tiếp xúc với một bán kính ρ nào đó. Giai đoạn cuối kết khối là giai đoạn giảm kích thước lỗ xốp kín có bán kính ρ này
Hình 1.10. Giai đoạn cuối kết khối[3]
Phát triển hạt và tái kết tinh:
̶ Trong quá trình kết khối pha rắn, khi lỗ xốp nhỏ dần rồi mất đi, hệ hạt rời sẽ liên kết tạo hệ hạt có mặt nối liền nhau. Trong giai đoạn cuối của kết khối, khi nhiệt độ đủ cao, các hạt lớn phát triển, các hạt nhỏ mất dần, ta gọi đó là quá trình phát triển hạt. Bản chất của quá trình phát triển hạt là sự giảm diện tích biên giới giữa các hạt, giảm năng lượng tự do bề mặt của hệ.
̶ Trong giai đoạn đầu của kết khối lượng lỗ xốp còn rất nhiều gây ngăn cản sự phát triển hạt. Chỉ khi lượng lỗ xốp giảm tới mức đáng kể mới xảy ra phát triển hạt. Các hạt tạp chất cũng có tác dụng tương tự trong việc ngăn hạt phát triển trong giai đoạn cuối kết khối.
Kết khối dưới áp lực cao
(d)
(b) (c)
Kỹ thuật nung đồng thời tạo lực ép được áp dụng nhiều khi nung những vật liệu kỹ thuật. Áp lực cao tăng sự tiếp xúc vật liệu bột, tăng biến dạng dẻo, giảm lỗ xốp…kết quả là vật liệu kết khối tốt hơn và có thể giảm nhiệt độ nung. Murrey đưa ra phương trình xác định tốc độ tăng mật độ các oxit ép nóng như sau:
Trong đó – biến đổi mật độ theo thời gian khi có lực ép và không có lực ép; p – áp lực ngoài; ρ – mật độ.
Trong thực tế, khi nung đồng thời ép nén, quá trình sẽ phức tạp hơn. Tác dụng của áp lực tới quá trình kết khối phụ thuộc vào tốc độ nung, áp lực ép, môi trường khí, độ phân tán của bột ép, khuôn ép, phụ gia…