劉金鈴, 劉佃光, 任科, 王一光

氧化物陶瓷閃燒機(jī)理及其應(yīng)用研究進(jìn)展

劉金鈴1, 劉佃光2, 任科3, 王一光3

(1. 西南交通大學(xué) 力學(xué)與航空航天學(xué)院, 成都 611756; 2. 西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 成都 610031; 3. 北京理工大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院, 北京 100081)

閃燒是近些年廣受關(guān)注的一種電場輔助燒結(jié)技術(shù)。本文介紹了閃燒的起源與發(fā)展, 并對閃燒的基本特征進(jìn)行了分析。在閃燒孕育與引發(fā)過程的研究方面, 發(fā)現(xiàn)了孕育階段的非線性電導(dǎo)特征和電化學(xué)黑化現(xiàn)象, 提出了氧空位主導(dǎo)的缺陷機(jī)制; 在閃燒階段的快速致密化研究方面, 提出了電場作用導(dǎo)致的缺陷產(chǎn)生和運(yùn)動會在粉體顆粒間產(chǎn)生庫侖力, 有利于燒結(jié)前期的致密化過程, 同時(shí)發(fā)現(xiàn)閃燒致密化過程中還伴隨著金屬陽離子的快速運(yùn)動; 在閃燒階段的晶粒生長和微結(jié)構(gòu)演變方面, 發(fā)現(xiàn)了試樣溫度沿電流方向呈非對稱分布, 試樣中間位置的晶界遷移率明顯提高, 提出電化學(xué)缺陷對微觀結(jié)構(gòu)有重大影響?；谏鲜鲅芯砍晒? 本團(tuán)隊(duì)利用電場作用下出現(xiàn)的低溫快速傳質(zhì)現(xiàn)象, 發(fā)展了陶瓷閃焊技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了同種陶瓷/陶瓷、陶瓷/金屬, 甚至異種陶瓷/陶瓷之間的快速連接; 發(fā)展了陶瓷閃燒合成技術(shù), 不僅實(shí)現(xiàn)了典型氧化物陶瓷的快速合成, 而且實(shí)現(xiàn)了高熵陶瓷和具有共晶形貌的氧化物陶瓷的快速合成; 發(fā)展了氧化物陶瓷的電塑性成形技術(shù), 初步實(shí)現(xiàn)了氧化鋯陶瓷低溫低應(yīng)力下的快速拉伸和彎曲變形。本文最后總結(jié)了閃燒機(jī)理研究面臨的挑戰(zhàn), 并從焦耳熱效應(yīng)和非焦耳熱效應(yīng)兩方面展望了閃燒的發(fā)展方向, 期望對閃燒技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展有所裨益。

閃燒; 焦耳熱; 缺陷; 連接; 合成; 成形; 綜述

電場和磁場對陶瓷致密化、晶粒生長和塑性變形行為的影響已有較長研究歷史。2010年, 美國科羅拉多大學(xué)Rishi Raj教授課題組意外發(fā)現(xiàn): 在臨界直流電場(≥60 V/cm)作用下, 氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷(3YSZ)可以在～850 ℃的爐溫下實(shí)現(xiàn)燒結(jié), 而且試樣的相對密度由50%達(dá)到完全致密只需要幾秒鐘, 他們將這種新型燒結(jié)技術(shù)命名為“閃燒(Flash Sintering)”[1], 由此掀起了繼微波燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)之后新一輪場輔助燒結(jié)技術(shù)的研究熱潮。隨后美國、意大利、德國、英國、巴西、法國和日本等國的學(xué)者相繼對閃燒開展了研究。國內(nèi)北京理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、武漢理工大學(xué)、長安大學(xué)、鄭州大學(xué)、上海交通大學(xué)和中國工程物理研究院等單位也緊隨其后展開了相關(guān)研究。2017年, 國家自然科學(xué)基金委支持了王一光教授申報(bào)的“陶瓷材料的閃燒制備新技術(shù)及機(jī)理研究”重點(diǎn)項(xiàng)目, 旨在探索閃燒過程中產(chǎn)生非線性電導(dǎo)、快速致密化和微結(jié)構(gòu)演化的內(nèi)在機(jī)理, 發(fā)展基于閃燒原理的陶瓷制備新技術(shù)。

目前, 已有多篇綜述論文對閃燒的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)[2-7], 對閃燒的工藝特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)方法和材料體系進(jìn)行了介紹, 對基于焦耳熱、Frenkel缺陷和電化學(xué)缺陷的閃燒機(jī)理進(jìn)行了歸納分析。本文主要圍繞近年來本團(tuán)隊(duì)在氧化物陶瓷閃燒領(lǐng)域的研究成果, 階段性總結(jié)氧化物陶瓷閃燒微觀機(jī)理和閃燒制備新技術(shù)方面的研究進(jìn)展, 并對未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望, 希望為國內(nèi)閃燒技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 閃燒過程及其特點(diǎn)

如圖1所示, 在置于加熱裝置內(nèi)的狗骨狀生坯試樣兩端連接上電極, 再將電極與外部電源相連, 就構(gòu)成了一套簡單的閃燒實(shí)驗(yàn)裝置。也有研究者在閃燒實(shí)驗(yàn)中使用條狀、棒狀或圓柱狀試樣[7]。陶瓷生坯在合適的溫度和電場條件下就能發(fā)生閃燒。常用管式爐或箱式爐加熱生坯來達(dá)到發(fā)生閃燒所需的起始溫度。對于能夠在低溫下發(fā)生閃燒的樣品, 可用加熱板或加熱套來替代高溫爐。如果樣品在室溫下即能發(fā)生閃燒, 就可以完全去掉加熱裝置。外部電源為生坯發(fā)生閃燒提供所需的起始電壓, 常用的設(shè)備是直流電源, 閃燒所需的電場強(qiáng)度一般從幾伏/毫米到幾百伏/毫米, 遠(yuǎn)低于電火花放電(Electric Discharge)或電弧放電(Arc Discharge)燒結(jié)的電場強(qiáng)度(～幾千伏/毫米到幾萬伏/毫米), 又明顯高于放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering)所施加的電場強(qiáng)度(一般為<5 V/mm的直流脈沖電場)[6-7]。有些研究者也嘗試使用交流電源或脈沖電源代替閃燒使用的直流電源[6-7], 但是它們的燒結(jié)機(jī)理是否完全相同還有待進(jìn)一步研究。對于一些陶瓷材料體系, 控制燒結(jié)氣氛也會對閃燒產(chǎn)生影響[8]。為了監(jiān)測閃燒過程, 還可以接入電子儀表記錄電壓和電流曲線, 通過熱電偶或紅外測溫儀探測試樣的表面溫度, 利用光學(xué)相機(jī)或位移計(jì)測量試樣的線收縮等。由此可見, 閃燒是一種典型的電場輔助無壓燒結(jié)技術(shù)。

圖1 閃燒裝置示意圖

根據(jù)圖2所示的閃燒過程的電場強(qiáng)度、電流密度和功率密度隨時(shí)間變化曲線, 一般可以將整個(gè)過程分為三個(gè)階段, 分別對應(yīng)孕育(Incubation)、突變(Transient)和穩(wěn)態(tài)(Steady-state)過程, 閃燒過程往往伴隨著非線性電導(dǎo)、快速致密化和發(fā)光現(xiàn)象[1-7]。離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體、半導(dǎo)體、混合導(dǎo)體, 甚至某些絕緣體都可以發(fā)生閃燒現(xiàn)象[2-7], 但是不同材料的致密化行為存在較大差異, 例如, 純SiC閃燒后并不能獲得高密度[9]; 純ZnO[10]和摻雜的Al2O3[11]樣品在閃燒瞬間的線收縮非常有限。因此, 對于不同材料體系, 是否具有統(tǒng)一的閃燒機(jī)理尚無定論。目前, 氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷是閃燒研究中使用最廣泛且最具代表性的材料體系, 也是閃燒機(jī)理研究中最受關(guān)注的材料。此外, 致密的陶瓷樣品在合適的溫度和電場作用下也能出現(xiàn)非線性電導(dǎo)和發(fā)光現(xiàn)象[12]。毋庸置疑, 閃燒拓展了傳統(tǒng)的認(rèn)知邊界, 電場與物質(zhì)的相互作用還有許多尚未被認(rèn)知的機(jī)理。

2 閃燒機(jī)理的研究進(jìn)展

2.1 閃燒的孕育與引發(fā)過程

在恒溫閃燒氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的孕育階段, 試樣兩端加載有恒壓直流電場, 通過試樣的電流隨著加載時(shí)間延長緩慢增加, 如圖2所示。Gao等[13]對摩爾分?jǐn)?shù)3%氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷(3YSZ)在閃燒孕育階段的電壓–電流曲線進(jìn)行了精確測試, 研究發(fā)現(xiàn): 當(dāng)加載電場較小時(shí), 在加載瞬間(約0.5 s, 試樣溫度變化可忽略不計(jì))測得的電壓與電流呈典型的線性關(guān)系; 當(dāng)加載電場超過臨界值后, 測得的電壓與電流偏離線性關(guān)系, 呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。即使考慮焦耳熱對試樣溫度和電導(dǎo)的影響, 3YSZ試樣在高于臨界電場條件下測得的電導(dǎo)率也明顯偏大。這說明在閃燒過程中出現(xiàn)的非線性電導(dǎo)現(xiàn)象與加載的臨界電場密切相關(guān)?？梢哉J(rèn)為: 在臨界電場作用下, 內(nèi)部缺陷反應(yīng)產(chǎn)生了額外的氧空位[13-15], 隨著孕育時(shí)間延長, 內(nèi)部缺陷反應(yīng)注入的氧空位數(shù)目增多, 試樣的電導(dǎo)率不斷升高, 從而使3YSZ試樣在閃燒過程中出現(xiàn)非線性電導(dǎo)的特征。加載的電場和試樣的初始溫度越高, 越有利于產(chǎn)生額外氧空位, 樣品的電導(dǎo)率增加越快。

圖2 閃燒過程的電場強(qiáng)度、電流密度和功率密度隨時(shí)間的變化曲線

氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷樣品在加載臨界電場后會發(fā)生明顯的電化學(xué)黑化現(xiàn)象(見圖3(a)), 這間接證明了臨界電場作用會提高氧空位濃度。圖3(b)所示的電子順磁共振波譜儀(EPR)的測試結(jié)果也證明: 閃燒后3YSZ樣品靠近正極端的氧空位濃度相比閃燒前有大幅提高。改變閃燒時(shí)的氧分壓, 閃燒的孕育過程也會隨之發(fā)生變化。高氧分壓條件下, 需要更高的溫度和更長的孕育時(shí)間來引發(fā)閃燒, 這說明氧空位濃度與閃燒孕育過程密切相關(guān)[8]。由于原位研究閃燒樣品的點(diǎn)缺陷存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn), 相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證還有待進(jìn)一步探索。

圖3 (a)閃燒氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷樣品出現(xiàn)的電化學(xué)黑化現(xiàn)象和(b)閃燒后樣品的電子順磁共振波譜

在氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的閃燒孕育階段, 可以觀察到靠近負(fù)極端先發(fā)生電化學(xué)黑化。隨著孕育時(shí)間延長, 黑化區(qū)域不斷向正極擴(kuò)展, 當(dāng)黑化區(qū)域到達(dá)正極端后, 就會引發(fā)閃燒[16]。閃燒的引發(fā)過程與氧化鋯樣品的電導(dǎo)行為密切相關(guān)。在孕育階段, 雖然氧空位濃度大幅增加, 但是試樣仍以離子電導(dǎo)為主。在臨界電場的作用下, 電子可以從負(fù)極進(jìn)入氧空位, 并形成色心, 導(dǎo)致氧化鋯試樣靠近負(fù)極端先發(fā)生黑化(見圖3(a))。隨著加載時(shí)間延長, 被氧空位捕獲的電子數(shù)目越來越多, 電子又借助氧空位由負(fù)極逐漸向正極運(yùn)動, 當(dāng)電子借助色心到達(dá)正極后, 瞬間形成電子電導(dǎo), 使得通過試樣的電流迅速升高, 直至限定數(shù)值, 從而引發(fā)閃燒。Yadav和Raj[17]報(bào)導(dǎo)的電導(dǎo)激活能測試結(jié)果表明, 閃燒階段的電導(dǎo)激活能小于氧離子的擴(kuò)散激活能; Jo和Raj[18]通過電化學(xué)阻抗譜測試也證實(shí)了這種由離子電導(dǎo)向電子電導(dǎo)轉(zhuǎn)變的閃燒引發(fā)機(jī)制。

Cologna等[19]認(rèn)為閃燒的引發(fā)過程可能與Frenkel缺陷的雪崩相關(guān)。在臨界電場作用下, 氧化鋯陶瓷試樣達(dá)到Debye溫度后, 會產(chǎn)生大量的Frenkel缺陷, 當(dāng)缺陷積聚到一定程度, 就會發(fā)生缺陷雪崩, 使電流迅速增大, 引發(fā)閃燒。焦耳熱失控也被認(rèn)為可能是引發(fā)閃燒的原因[20-22], 當(dāng)積聚的焦耳熱超過樣品因?qū)α鳌⑤椛浜蜔醾鲗?dǎo)損失的熱量時(shí), 就會造成試樣溫度快速上升, 從而導(dǎo)致試樣電導(dǎo)率增加, 通過試樣的電流也快速增大。

2.2 閃燒階段的快速致密化

氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷樣品閃燒時(shí), 在幾秒鐘內(nèi)就可以由～50%的相對密度達(dá)到幾乎完全致密, 大幅縮短燒結(jié)時(shí)間, 降低能源消耗, 提升燒結(jié)效率。在其它可發(fā)生閃燒的陶瓷體系中也可以觀察到類似的快速致密化現(xiàn)象, 這是閃燒引起廣泛關(guān)注的最主要原因。閃燒時(shí), 電流直接通過陶瓷試樣, 焦耳熱的作用會造成試樣的溫度上升, 研究人員通過熱電偶測溫、紅外測溫和原位X射線衍射(XRD)測試等多種實(shí)驗(yàn)手段對樣品閃燒時(shí)的實(shí)際溫度進(jìn)行了標(biāo)定, 發(fā)現(xiàn)閃燒的致密化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試樣在相同溫度下的傳統(tǒng)燒結(jié)過程[23]。

在氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷生坯閃燒時(shí), 由于外加臨界電場的作用, 會在試樣中產(chǎn)生大量的額外氧空位, 同時(shí)帶正電的V?會和帶負(fù)電的Y′zr向相反的方向運(yùn)動造成介電極化, 并在粉體顆粒表面不同位置產(chǎn)生凈電荷。隨著臨界電場作用時(shí)間延長, 粉體顆粒聚集的表面電荷會越來越多。在閃燒瞬間, 相鄰的粉體顆粒由于庫侖力的作用發(fā)生強(qiáng)烈的相互吸引, 導(dǎo)致燒結(jié)前期的快速致密化[24]。這種庫侖力產(chǎn)生的吸引作用, 改變了傳統(tǒng)燒結(jié)由原子擴(kuò)散主導(dǎo)的致密化機(jī)理, 使得閃燒過程的燒結(jié)激活能遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)燒結(jié)過程的激活能(見圖4)。本課題組發(fā)現(xiàn)在BaTiO3陶瓷的閃燒過程中, 其燒結(jié)前期也存在類似的作用機(jī)理[25]。

由于庫侖力吸引導(dǎo)致的燒結(jié)前期的致密化過程和表面電荷相關(guān), 因此限制電流的大小會直接影響樣品的密度。限制電流密度越大, 單位截面內(nèi)的載流子數(shù)目越多, 意味著有更多的表面電荷參與這一致密化過程。本課題組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明: 3YSZ試樣閃燒后的密度與限制電流的大小密切相關(guān), 而電場強(qiáng)度對密度的影響很小[26]。需要指出的是, 庫侖力吸引導(dǎo)致的致密化不涉及物質(zhì)的擴(kuò)散, 僅在燒結(jié)前期產(chǎn)生影響, 并不能使樣品完全致密, 發(fā)生庫侖力吸引后, 試樣還需在電場作用下通過物質(zhì)擴(kuò)散來進(jìn)一步排除氣孔, 提高試樣的致密度。

在臨界電場作用下, 由于產(chǎn)生了大量的氧空位, 閃燒時(shí)物質(zhì)擴(kuò)散過程也發(fā)生了重大改變。本課題組將純氧化鋯和摩爾分?jǐn)?shù)3%的氧化釔納米粉體均勻混合后再進(jìn)行閃燒, 發(fā)現(xiàn)氧化鋯由單斜相快速轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较? 與相同溫度下的傳統(tǒng)燒結(jié)過程相比, 其反應(yīng)速率提高了上千倍[27-28]。這一過程也清楚地表明: 在臨界電場作用下, 氧化釔/氧化鋯混合粉體不僅發(fā)生了氧空位的快速運(yùn)動, 也發(fā)生了金屬陽離子的快速運(yùn)動和固溶。臨界電場作用不僅對顆粒自身的表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和體積擴(kuò)散有影響, 而且對相鄰顆粒間在固相燒結(jié)過程中的擴(kuò)散行為也產(chǎn)生了重大影響。閃燒過程的快速致密化可能是氧空位與金屬陽離子形成了締合缺陷, 并且其在臨界電場作用下可以發(fā)生快速運(yùn)動的結(jié)果。

圖4 3YSZ陶瓷閃燒過程中的激活能變化[24]

Cologna等[19]提出Frenkel缺陷在電場作用下發(fā)生雪崩是造成快速致密化的原因。Zhang等[10]和Ji等[29]幾乎同時(shí)提出閃燒瞬間極高的加熱速率是造成快速致密化的根本原因, 并通過快速升溫?zé)Y(jié)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比驗(yàn)證。除此之外, 還有研究者認(rèn)為閃燒瞬間會使晶界處出現(xiàn)局部高溫, 形成液相, 從而提高了致密化速率[30]。

2.3 穩(wěn)態(tài)階段的晶粒生長與微結(jié)構(gòu)演變

當(dāng)氧化釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷發(fā)生閃燒之后, 電源會自動由恒壓模式切換成恒流模式, 使通過試樣的電流保持恒定, 同時(shí)由于試樣的密度經(jīng)過閃燒突變階段之后得到大幅提升, 試樣的電導(dǎo)率也趨于穩(wěn)定, 閃燒進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段。

一般認(rèn)為閃燒試樣在穩(wěn)態(tài)階段主要受爐溫和焦耳熱的雙重影響。由于存在對流、輻射和熱傳導(dǎo), 試樣芯部的溫度會比表面的溫度高, 狗骨狀試樣中心的溫度會比正極和負(fù)極兩端的溫度高, 試樣溫度沿電流方向呈對稱分布特征。本課題組利用熱成像儀對閃燒試樣的表面溫度進(jìn)行了系統(tǒng)研究[15], 如圖5所示, 試樣表面溫度呈明顯的非對稱分布, 靠近正極端的溫度比負(fù)極端高, 試樣表面的最高溫度并未在中心位置, 而是在靠近試樣正極的一側(cè)。這說明在閃燒穩(wěn)態(tài)階段, 電流通過試樣除了產(chǎn)生焦耳熱, 還會引發(fā)內(nèi)部缺陷反應(yīng)造成放熱或吸熱現(xiàn)象, 從而使得試樣表面的溫度呈現(xiàn)非對稱分布的特征[15]。當(dāng)用交流電場取代直流電場進(jìn)行閃燒, 由于內(nèi)部缺陷反應(yīng)會隨電場的變化而改變, 試樣表面的溫度呈對稱分布, 但是不同于單一的焦耳熱效應(yīng), 閃燒試樣中間區(qū)域有明顯的等溫區(qū)[31]。這也說明臨界電場在閃燒過程中會引發(fā)內(nèi)部缺陷反應(yīng), 從而對試樣中的溫度分布和顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

圖5 8YSZ陶瓷試樣表面溫度在閃燒穩(wěn)態(tài)階段隨位置的變化曲線[15]

本課題組在穩(wěn)態(tài)階段對致密的3YSZ試樣長時(shí)間保溫, 研究了它的晶粒生長過程[32]。較大的電流密度和較長的保溫時(shí)間會使晶粒明顯長大。閃燒試樣中間位置的晶界遷移率相比傳統(tǒng)的熱處理過程提高了一倍。如果閃燒過程中只有焦耳熱發(fā)揮作用, 晶粒尺寸分布應(yīng)該和焦耳熱導(dǎo)致的試樣溫度分布特征相對應(yīng), 即試樣中部的溫度最高, 晶粒尺寸最大; 試樣兩端的溫度最低, 晶粒尺寸最小; 焦耳熱產(chǎn)生的溫度場沿電流方向呈對稱分布還會導(dǎo)致試樣中的晶粒尺寸也呈對稱分布。但是, 受試樣溫度分布和內(nèi)部缺陷反應(yīng)的影響, 閃燒試樣的晶粒尺寸分布也呈現(xiàn)明顯的非均勻特征, 正極端的晶粒尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)極端的晶粒尺寸[32]。這說明單一的焦耳熱效應(yīng)無法解釋穩(wěn)態(tài)階段的晶粒生長現(xiàn)象。在臨界電場作用下, 3YSZ中發(fā)生的內(nèi)部缺陷反應(yīng)會對閃燒樣品的溫度分布和晶界結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[28, 33], 改變界面運(yùn)動和晶粒生長過程, 從而使得靠近正極端的晶粒尺寸大于靠近負(fù)極端的晶粒尺寸, 而且試樣中部的晶粒生長速率在內(nèi)部缺陷反應(yīng)的作用下得到大幅 提升。

3 閃燒制備新技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 閃焊技術(shù)

基于閃燒過程中由臨界電場所激發(fā)的低溫快速傳質(zhì), 本團(tuán)隊(duì)發(fā)明了同種陶瓷/陶瓷、陶瓷/金屬, 甚至異種陶瓷/陶瓷之間快速連接的閃焊技術(shù)。利用閃焊技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了3YSZ陶瓷和鎳基高溫合金之間的連接[14], 在800 ℃, 通過施加臨界電場, 可以在合適的限制電流密度下瞬間實(shí)現(xiàn)界面的強(qiáng)結(jié)合, 結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到133 MPa。閃焊由內(nèi)部缺陷反應(yīng)生成氧空位和金屬鎳擴(kuò)散填充氧空位聚集形成孔洞與裂紋兩個(gè)相互競爭的過程來控制, 只有在合適的條件下, 孔洞和裂紋形成的速率低于金屬鎳的填充速率, 才能獲得良好的結(jié)合強(qiáng)度。由于氧空位在電場作用下由正極向負(fù)極運(yùn)動, 當(dāng)反向加載電場時(shí), 會使連接好的3YSZ陶瓷與鎳基高溫合金快速脫開, 因此閃焊過程主要依賴于臨界電場作用下氧化鋯陶瓷中出現(xiàn)的內(nèi)部缺陷反應(yīng)。我們還在3YSZ陶瓷與鈦合金的閃焊連接中進(jìn)一步驗(yàn)證了上述機(jī)理[34]。

如圖6所示, 3YSZ陶瓷與3YSZ陶瓷之間也可以通過閃焊技術(shù)連接在一起[35-36]。在600～900 ℃的爐溫下, 通過調(diào)整電場強(qiáng)度和電流密度, 可以使接頭的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的94%～99%, 而且閃焊過程所需的時(shí)間非常短, 相比傳統(tǒng)擴(kuò)散焊技術(shù)可以大幅縮短工藝時(shí)間。在3YSZ陶瓷與3YSZ陶瓷的閃焊連接過程中, 除了上述的內(nèi)部缺陷反應(yīng)機(jī)理外, 3YSZ陶瓷在臨界電場作用下發(fā)生的低溫超塑性變形也會對快速連接產(chǎn)生一定影響。這種內(nèi)部缺陷反應(yīng)導(dǎo)致的閃焊過程還可以用于連接氧化鎂摻雜的氧化鋁陶瓷[37], 以及3YSZ與氧化鋁陶瓷[38]。

圖6 兩個(gè)3YSZ陶瓷塊與夾在其中間的3YSZ陶瓷薄板閃焊成一個(gè)整體構(gòu)件的照片

3.2 閃燒合成技術(shù)

閃燒不僅能在單相體系中發(fā)生, 很多復(fù)相體系也能發(fā)生閃燒, 例如rGO/3YSZ[39]、3YSZ/Al2O3[40]和Gd2O3/ZrO2[41]等。在氧化鋯與氧化釔混合粉體的閃燒過程中, 氧化釔能發(fā)生快速固溶, 進(jìn)入氧化鋯的晶格, 形成氧化釔穩(wěn)定的四方相氧化鋯[27-28]。在臨界電場的作用下, 固溶與相變過程可以在較低的溫度下進(jìn)行, 而且反應(yīng)速率極快, 相比傳統(tǒng)的高溫處理過程大幅縮短了反應(yīng)所需時(shí)間。

臨界電場作用下的低溫快速傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)了金屬陽離子的運(yùn)動和混合, 因此閃燒還可以用來加速通過固態(tài)反應(yīng)形成新相的過程。本課題組對Al2O3和Y2O3混合粉體進(jìn)行閃燒, 在低溫下實(shí)現(xiàn)了它們的快速反應(yīng), 獲得了YAG陶瓷[42]; 對Gd2O3、Nd2O3和ZrO2混合粉體進(jìn)行閃燒, 在低溫下快速合成了具有燒綠石結(jié)構(gòu)的(Gd0.2Nd0.8)2Zr2O7陶瓷[43]。此外, 本課題組還通過閃燒技術(shù)成功在低溫下快速合成了BaTiO3陶瓷[44]和固態(tài)鈉離子電池中的電解質(zhì)材料Na3Zr2(SiO4)2(PO4)[45]。

這種閃燒合成的方法還可以用于制備高熵陶瓷。本課題組首次在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了五種氧化物的快速固溶, 獲得了具有單一巖鹽結(jié)構(gòu)的Mg0.2Ni0.2Co0.2Cu0.2Zn0.2O高熵陶瓷[46]和Ca0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2O高熵陶瓷[47]。利用相同的原理, 本課題組還實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)高熵陶瓷Sr(Ti0.2Y0.2Zr0.2Sn0.2Hf0.2)O3-x[48]和(Bi0.2Na0.2K0.2Ba0.2Ca0.2)TiO3[49]的快速合成。此外, 閃燒合成具有低溫快速的特點(diǎn), 可以抑制低熔點(diǎn)氧化物的揮發(fā), 拓寬傳統(tǒng)功能陶瓷的成分范圍, 有望獲得性能更加優(yōu)異的功能陶瓷。

臨界電場作用對界面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生影響, 利用閃燒的特點(diǎn), 本課題組最近以Al2O3和Y2O3混合粉體為原料, 通過固態(tài)燒結(jié)獲得了具有共晶形貌的Al2O3/YAG陶瓷基復(fù)合材料(見圖7), 共晶片層的厚度達(dá)到亞微米尺寸, 共晶區(qū)域的硬度和斷裂韌性可以與定向凝固技術(shù)獲得的Al2O3/YAG共晶結(jié)構(gòu)相媲美[50]。在此基礎(chǔ)之上, 本課題組還通過臨界電場的作用將具有共晶成分的致密多晶Al2O3/YAG陶瓷基復(fù)合材料轉(zhuǎn)化成共晶結(jié)構(gòu), 從而大幅提升材料的力學(xué)性能[51]。此外, 通過調(diào)控工藝參數(shù), 本課題組還成功實(shí)現(xiàn)了Al2O3/YAG共晶結(jié)構(gòu)的細(xì)化, 使得陶瓷材料也可以像金屬材料一樣通過晶粒細(xì)化來提升力學(xué)性能。這種電場輔助下的共晶生長方法在Al2O3/YSZ體系中也得到了驗(yàn)證, 通過閃燒Al2O3和8YSZ混合粉體可以獲得具有共晶形貌特征的Al2O3/YSZ陶瓷[52]。

3.3 電塑性成形技術(shù)

陶瓷材料由于其固有的脆性使得成型加工非常困難, 限制了它的廣泛應(yīng)用。陶瓷科學(xué)家一直希望能讓陶瓷材料獲得像金屬材料一樣的塑性加工能力, 擴(kuò)大陶瓷材料的應(yīng)用范圍。傳統(tǒng)的陶瓷超塑性一般都是在高溫下通過晶界滑移來實(shí)現(xiàn), 工藝條件苛刻, 變形速率慢, 實(shí)用性不強(qiáng)。

3YSZ陶瓷在閃燒狀態(tài)下, 由于引入了大量的氧空位缺陷, 這些氧空位在臨界電場作用下, 還能發(fā)生向高維度缺陷(位錯(cuò)和層錯(cuò)等)的轉(zhuǎn)變[53], 為陶瓷塑性變形提供了新途徑。本課題組已經(jīng)在較低溫度和極低應(yīng)力下成功實(shí)現(xiàn)了3YSZ陶瓷的快速拉伸和彎曲變形(見圖8), 為開展陶瓷塑性成形技術(shù)的研究指出了一個(gè)新的發(fā)展方向[54]。

圖7 閃燒形成Al2O3/YAG共晶結(jié)構(gòu)的SEM照片

圖8 氧化鋯陶瓷在閃燒狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的低溫快速(a)拉伸和(b)彎曲變形

4 結(jié)束語

閃燒作為一種新型的電場輔助燒結(jié)技術(shù), 已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。閃燒過程中存在獨(dú)特的非線性電導(dǎo)、快速致密化和發(fā)光現(xiàn)象, 這在許多材料體系中都得到了充分驗(yàn)證。目前, 關(guān)于閃燒的微觀機(jī)理還存在重大分歧, 主要包括以下三種觀點(diǎn)。

(1)焦耳熱效應(yīng)

閃燒源于電流通過試樣引起的焦耳熱。隨著試樣溫度上升, 試樣的電阻不斷降低, 使得電流迅速增大, 最終導(dǎo)致焦耳熱失控, 引發(fā)閃燒。同時(shí), 焦耳熱造成的快速升溫可以加速致密化過程, 提升燒結(jié)效率。閃燒樣品的發(fā)光現(xiàn)象則歸因于高溫導(dǎo)致的熱輻射發(fā)光。目前, 正在迅猛發(fā)展的超快高溫?zé)Y(jié)技術(shù)正是源于這種認(rèn)識[55]。

(2)Frenkel缺陷

Jongmanns等[56]提出在臨界電場作用下, 當(dāng)試樣溫度高于Debye溫度后, 臨近布里淵區(qū)邊緣的晶格振動被激發(fā), 如果這種晶格振動的增殖速率達(dá)到足夠高時(shí), 就能在樣品中產(chǎn)生大量的Frenkel缺陷對。經(jīng)過一定的孕育階段后, Frenkel缺陷的雪崩會使閃燒樣品發(fā)生電導(dǎo)突變, 同時(shí)造成快速傳質(zhì), 實(shí)現(xiàn)致密化。閃燒過程中出現(xiàn)的發(fā)光現(xiàn)象是由電子和空穴彌合造成的電致發(fā)光[12]。

(3)氧空位缺陷

氧化鋯陶瓷閃燒時(shí), 在樣品兩端施加了臨界電場, 試樣內(nèi)部會發(fā)生電化學(xué)缺陷反應(yīng), 形成遠(yuǎn)高于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的氧空位濃度, 電子被氧空位束縛后產(chǎn)生色心, 使得樣品出現(xiàn)黑化現(xiàn)象, 黑化區(qū)域由負(fù)極向正極擴(kuò)展, 樣品由離子電導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮与妼?dǎo), 從而產(chǎn)生電導(dǎo)突變。顆粒表面的介電極化和電荷聚集會產(chǎn)生庫侖力吸引, 從而提高燒結(jié)初期的致密化速率。氧空位與金屬陽離子形成的締合缺陷在臨界電場作用下的快速運(yùn)動可能是閃燒產(chǎn)生快速致密化的重要原因。

閃燒瞬間的持續(xù)時(shí)間一般只有1～2 s, 給實(shí)驗(yàn)研究帶來了巨大的挑戰(zhàn), 目前提出的微觀機(jī)理都尚未獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí), 未來還需結(jié)合先進(jìn)的分析檢測技術(shù), 進(jìn)一步對閃燒機(jī)理展開深入系統(tǒng)的研究。

焦耳熱在閃燒過程中發(fā)揮了重要作用, 這是毋庸置疑的事實(shí), 對樣品形狀、電極形狀、電極類型、升降溫速率等進(jìn)行合理設(shè)計(jì), 有望通過電場輔助燒結(jié)技術(shù)獲得致密均勻的樣品, 實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的快速高效燒結(jié)[57], 這將對小尺寸(～厘米級)陶瓷樣品的制備產(chǎn)生顛覆性的影響[55], 同時(shí)也會對放電等離子燒結(jié)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生促進(jìn)作用。

閃燒過程中產(chǎn)生的非焦耳熱效應(yīng)更值得關(guān)注[58]。本團(tuán)隊(duì)在自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持下開展的陶瓷閃焊技術(shù)、閃燒合成技術(shù)和電塑性成形技術(shù)的研究已經(jīng)充分證明: 電場作用下產(chǎn)生的非焦耳熱效應(yīng)將對陶瓷制備技術(shù)產(chǎn)生積極作用。加強(qiáng)對非焦耳熱效應(yīng)微觀機(jī)理的研究, 可對材料缺陷的認(rèn)識達(dá)到新的高度, 對材料科學(xué)的發(fā)展會產(chǎn)生重大影響[59]。利用閃燒過程產(chǎn)生的非焦耳熱效應(yīng)還可以創(chuàng)新陶瓷材料的制備加工技術(shù), 提升陶瓷材料的性能[51,60], 拓 寬陶瓷材料的應(yīng)用范圍, 對陶瓷工業(yè)的發(fā)展有重要意義。

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Research Progress on the Flash Sintering Mechanism of Oxide Ceramics and Its Application

LIU Jinling1, LIU Dianguang2, REN Ke3, WANG Yiguang3

(1. School of Mechanics and Aerospace Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Institute of Advanced Structure Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Flash sintering is an electric field assisted sintering technology which has attracted much attention in recent years. This review introduces its origin, development, and basic characteristics. In the study of flash incubation and initiation process, the nonlinear conductivity characteristics and electrochemical blackening phenomenon are narrated, and the defect mechanism dominated by oxygen vacancy is recounted. As for rapid densification during flash sintering, it is proposed that the generation and movement of defects caused by electric field produce Coulomb force between powder particles, which is conducive to density in the early stage of flash sintering. Meanwhile, the densification process is accompanied by the rapid movement of metal cations. In terms of grain growth and microstructure evolution during the flash sintering, the sample temperature is asymmetrically distributed along the current direction, and the internal grain boundary mobility in the sample is significantly improved. During this stage, electrochemical defects exert a significant impact on the microstructure. Based on the above researches, we developed ceramic flash joining technology by using phenomenon of low-temperature rapid mass transfer under electric field, and realized rapid joining between similar kind of ceramics/ceramics, ceramics/metals, and even dissimilar ceramics/ceramics. A new ultrafast ceramic synthesis technology by flash sintering was developed, which not only realized the rapid synthesis of typical oxide ceramics, but also realized the rapid synthesis of high entropy ceramics and oxide ceramics with eutectic morphology. An electroplastic forming technology of oxide ceramics was developed, and a rapid tensile and bending deformation of zirconia ceramics at low temperature and low stress was preliminarily realized. Finally, this review summarizes the challenges in the field of flash sintering mechanism, and looks forward to the development direction of flash sintering from two aspects of Joule heating effect and nonthermal effect, aiming to be beneficial to the development of flash sintering technology in China.

flash sintering; Joule heating; defect; joining; synthesis; forming; review

1000-324X(2022)05-0473-08

10.15541/jim20210513

TQ174

A

2021-08-19;

2021-10-21;

2021-10-21

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51732009) National Natural Science Foundation of China (51732009)

劉金鈴(1983–), 男, 教授. E-mail: liujinling@swjtu.edu.cn

LIU Jinling (1983–), male, professor. E-mail: liujinling@swjtu.edu.cn

王一光, 教授. E-mail: wangyiguang@bit.edu.cn

WANG Yiguang, professor. E-mail: wangyiguang@bit.edu.cn