像闪电一样迅速!——先进陶瓷的闪烧技术

传统的陶瓷烧结方法，是指紧密堆积的陶瓷粉体在高温热驱动力的作用下，通过原子扩散排出晶粒间的气孔从而致密化的过程。在高温条件下，原子扩散作用在帮助材料致密化的同时，也会不可避免地导致晶粒长大现象。对于多晶材料，高的密实度意味着更好的力学性能，而晶粒的长大则会造成材料性能的劣化，影响材料的应用。长时间的高温烧结也使得陶瓷行业成为一种高能耗产业。

据中国粉体网编辑的了解，闪烧（Flash sintering）技术是近几年出现的一种新型电场辅助陶瓷烧结方法。“Flash sintering”一词最早的出现于1952年Hill的文章中，文中描述了一种在压力辅助条件下，将直流电直接通过迅速升温的金属陶瓷坯体，来制备金属陶瓷块材料的方法。

闪烧技术的工作原理

现在所说的闪烧是一个新的烧结概念，第一篇文献于2010年由Cologna等报道，在此文及其后续的研究论文中，作者描述了一个典型的闪烧实验平台。利用这一平台，Cologna将氧化锆陶瓷坯体通过两根铂丝悬吊在立式管式炉的热区处，铂丝将样品与电源连成回路。通过在850℃的炉内温度下对样品两端加大于40V/cm的电场，使样品因焦耳热效应迅速升温，同时发出亮光形成“flash”过程，在几秒钟之内完成致密化。

闪烧技术通常会伴随以下三个现象发生：

1.材料内部的热失控；

2.材料本身电阻率的突降；

3.强烈的闪光现象。

闪烧技术主要涉及三个工艺参数，即炉温（Tf）、场强（E）与电流（J）。对材料施加稳定的电场，炉温则以恒定速率升高。当炉温较低时材料电阻率较高，流经材料的电流很小。随着炉温的升高，样品电阻率降低，电流逐渐增大。这一阶段称为孕育阶段，系统为电压控制。当炉温升高至临界温度时，材料电阻率突降，电流骤升，闪烧发生。

由于此时场强仍稳定，因此系统功率（W=EJ）将快速达到电源的电功率上限，系统由电压控制转变为电流控制，这一阶段称为闪烧阶段。当材料电阻率不再升高时，场强再次稳定，烧结进入稳定阶段，即闪烧的保温阶段，保温阶段之后一次完整的闪烧过程结束。

与传统烧结相比，闪烧主要有以下优势：

1.缩短烧结时间，并降低烧结所需温度；

2.抑制晶粒生长，能够实现非平衡烧结；

3.设备简单，成本较低。

现有的闪烧设备

Marlu Cesar Steil等人对8mol%Y2O3-ZrO2进行闪烧实验，使用的自组装设备，样品为圆柱形，最上端有一个位移传感器（GEFRAN.PY2 Rectilinear dis-placement transducer），用来测量样品的收缩率，精度达到10μm。考虑到通过样品时电流的均匀性，会在样品表面加上Pt的涂层，再将Pt网格制成的集电器轻赋于片上。这些网格可以承受较高的电流，通过直径1mm的Pt线连接到发电机上。热电偶放置在距柱状样品约1mm的位置，在每个实验开始之前，样品温度保持恒定。

Hidehiro Yoshida等人对氧化钇陶瓷进行闪烧研究时，使用的样品为狗骨头型，用两根铂丝穿过狗骨头样品两端的孔洞，并将其悬挂在管式炉的中央。通过铂电极对样品施加电场。在管式炉底部放置CCD相机，通过一系列光学过滤器记录样品的尺寸。

NiobateNeta Shomrat等人对KNbO3陶瓷进行闪烧研究，得到的收缩率约为18%，相对密度为95%。实验过程中所用样品为底部正方形的长方形，该装置将闪烧实验和阻抗的测量结合起来。闪烧装置中，采用可以测量收缩的1500℃膨胀计炉，将铂滔电极覆盖在样品的边缘，并连接电源和阻抗分析仪。

闪烧的应用

闪烧技术已受到陶瓷工业界的广泛关注，英国国防科技实验室已经启动了闪烧制备高性能防护陶瓷装甲的课题研究，试图将此技术在制造成本、防弹性能和材料通用性等方面的优势应用于装甲制造业中。但到目前为止，世界上仅有英国Lucideon集团声称具有小批量闪烧生产陶瓷块体的能力。Lucideon集团自2011年就开始研发大尺寸样品工业闪烧系统，目标是通过可更换电极将样品上下固定在长达25m的辊轴上完成大尺寸样品的闪烧。这条系统于2013年完成组装，目前可以实现15cmX15cm的白陶制品的生产。

在中国，主要的研究机构有中国工程物理研究院、武汉理工大学、西北工业大学和西南交通大学等。

参考资料:

张熤坤，赵鹏等.闪烧技术制备致密钛酸锶钡基陶瓷的研究.

傅正义，季伟等.陶瓷材料闪烧结技术进展.

唐静.钛酸钡陶瓷的闪烧研究.

谢志鹏，许靖堃等.先进陶瓷材料烧结技术研究进展.

（中国粉体网编辑整理/星屑）

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