中國粉體網(wǎng)訊 氧化鋁陶瓷具有高熔點、高硬度、耐磨性能好、耐高溫和優(yōu)良的化學穩(wěn)定性等特性，在機械加工、耐磨材料、能源、生物和航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛力。而燒結(jié)是實現(xiàn)氧化鋁陶瓷上述應(yīng)用和特性的關(guān)鍵技術(shù)，氧化鋁陶瓷通過相應(yīng)的燒結(jié)工藝，在熱能和（或）壓力的作用下形成致密的、具有一定形狀和強度的燒結(jié)體，并獲得穩(wěn)定的多相晶體結(jié)構(gòu)，進而表現(xiàn)出優(yōu)良的宏觀性能。
來源：浙江蔚藍航盾精密陶瓷科技有限公司
傳統(tǒng)的氧化鋁陶瓷材料是在高溫和長時間下燒結(jié)的，消耗大量的能源與資源。另外，高溫和長時間燒結(jié)使等軸狀的晶粒發(fā)生異向生長或異常長大，造成成分揮發(fā)和多態(tài)轉(zhuǎn)變、燒結(jié)體中殘余氣孔難以排除，導(dǎo)致陶瓷的致密性變差和力學性能降低、產(chǎn)品發(fā)生翹曲變形，難以達到技術(shù)要求，并加大了對窯爐的損害。因此，從材料性能、能源消耗及經(jīng)濟等方面考慮，降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時間和保持性能成為需要解決的課題。
近年來，人們相繼提出了熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、微波等離子燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)和閃燒等燒結(jié)工藝來解決上述問題。其中閃燒工藝具有燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、晶粒細小甚至納米化的維管組織等優(yōu)勢，是一種使氧化鋁陶瓷致密化的非常有前途的燒結(jié)工藝，是陶瓷產(chǎn)業(yè)邁向綠色、節(jié)能的一項新型燒結(jié)技術(shù)。
閃燒（FS）工藝的機理及材料
2010年美國科羅拉多大學Cologna等人在電場輔助燒結(jié)3YSZ中發(fā)現(xiàn)當電場強度為120V/cm時，3YSZ在小于5s的時間內(nèi)實現(xiàn)了致密，Cologna等人將這種燒結(jié)技術(shù)命名為“閃燒”�！伴W燒”一經(jīng)報道，立刻引起了學者們的廣泛研究。
FS是一種典型的場輔助燒結(jié)工藝，在外加電場的作用下試樣的內(nèi)部會有電流流動，電阻率下降，產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)使陶瓷試樣快速致密化并伴隨閃光現(xiàn)象。實驗研究表明實現(xiàn)閃燒原理的工藝過程并不復(fù)雜，難點在于對其燒結(jié)機理的合理解釋。
氧化鋁陶瓷發(fā)生閃燒現(xiàn)象
01.FS的機理
由于氧化鋁陶瓷發(fā)生閃燒現(xiàn)象的持續(xù)時間非常短，很難精確測量最佳工藝參數(shù)組合時試樣的溫度和溫度場分布的不確定性限制了對閃燒機理的理解�？蒲腥藛T對閃燒機理的研究雖然取得了一些成果和共性的認識，但還遠沒有達成共識，尚未確切地揭示其機理�；趯嶒灁�(shù)據(jù)或假設(shè)提出了以下幾種理論來解釋閃燒機理：
焦耳熱效應(yīng)
由于閃燒燒結(jié)時間短，很難準確測量發(fā)生閃燒現(xiàn)象時的試樣溫度，而且更難以測量燒結(jié)試樣內(nèi)的溫度梯度分布，溫度測量的不確定性限制了對燒結(jié)機理的進一步揭示。當陶瓷試樣通過電流時，隨著電流密度增加會產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)，進而發(fā)生閃光放熱現(xiàn)象，即閃燒現(xiàn)象。伴隨著發(fā)光放熱使陶瓷試樣內(nèi)部的溫度要比傳統(tǒng)燒結(jié)溫度高出幾百攝氏度，造成燒結(jié)溫度的過�；驘崾Э兀@種溫度過�；驘崾Э乜赡芙忉屘沾傻目焖僦旅芑�。
弗侖克爾對缺陷形核機理
在陶瓷材料閃燒過程中，在電場作用下陽離子和陰離子同時產(chǎn)生空位和間隙，形成空位-間隙缺陷，即弗倫克爾對。在較高電場作用下產(chǎn)生缺陷崩塌效應(yīng)，在晶界的局部發(fā)生強烈的熱效應(yīng)，溫度達到陶瓷材料的熔點以上，致使液相瞬時生成，促進陶瓷的快速致密化，縮短陶瓷的燒結(jié)周期。
電化學還原機制
該機制在2013年首次被提出，這一成果重點集中在氧化物陶瓷上，對共價鍵陶瓷材料的研究較少。試樣在直流電場的作用下，由離子導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訉?dǎo)體隨著電化學還原從陽極向陰極進行時，電子密度增加試樣的電導(dǎo)率逐漸增大，達到一定程度時會釋放，發(fā)生閃光現(xiàn)象，同時氧化鋁陶瓷試樣的顏色也會由白色變成黑色。閃燒過程中電化學還原也會受到電極附近效應(yīng)的影響，陰極晶粒的生長與致密化是由過飽和的氧空位引起的，使陽離子遷移能降低。
02.FS的材料
在過去的十幾年里，通過閃燒工藝燒結(jié)的陶瓷材料有多種，電導(dǎo)率是FS過程中的一個關(guān)鍵參數(shù)，它可用來區(qū)分不同的陶瓷材料類別。按照電導(dǎo)率不同可分為絕緣體、半導(dǎo)體、離子型導(dǎo)體和非金屬氧化物等。
離子型導(dǎo)體
閃燒技術(shù)最初用于燒結(jié)離子導(dǎo)體，第一篇報道閃燒的文章中所用的材料為納米氧化鋯（3mol% Y2O3-ZrO2，3YSZ），該材料在直流電場下在850℃幾秒內(nèi)實現(xiàn)完全致密。
稀土摻雜二氧化鈰陶瓷材料（SDC、GDC等）也是典型的離子導(dǎo)體。相同的SDC粉體通過常規(guī)燒結(jié)以及閃燒方式制備材料的微觀形貌，可以清晰看出閃燒實驗達到致密狀態(tài)的電解質(zhì)的晶粒尺寸明顯小于傳統(tǒng)燒結(jié)狀態(tài)下的晶粒尺寸。所以，閃燒技術(shù)不僅節(jié)能高效，而且能改善陶瓷材料的微觀形貌。
SDC陶瓷材料SEM圖片：(a)常規(guī)燒結(jié)(1450℃，3h)；(b)閃燒(80V·cm-1)；(c) 閃燒(100V·cm-1)；(d)閃燒(120V·cm-1)
半導(dǎo)體
SiC是一種半導(dǎo)體陶瓷材料，廣泛用于陶瓷裝甲和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。SiC主要有α-SiC和β-SiC兩種晶型，制備致密碳化硅需要高溫（＞2000℃）并施加壓力，而且經(jīng)常使用到燒結(jié)添加劑。利用閃燒技術(shù)可以降低碳化硅材料的燒結(jié)溫度，與燒結(jié)助劑配合效果更為明顯。
絕緣體
雖然絕緣體在室溫下電導(dǎo)率很低，但也有絕緣材料閃燒的報道。Al2O3是一種廣泛使用的氧化物陶瓷，燒結(jié)溫度在1600℃左右，常用燒結(jié)助劑為MgO。Cologna等人將Al2O3(含0.25wt.% MgO)在500 V/cm−1的電場強度下燒結(jié)致密，閃燒點為1320℃，電場強度增加到1000cm-1，閃燒點下降60℃。
按陶瓷材料的類型所發(fā)表論文數(shù)量的餅圖
從上圖中可以看出，關(guān)于FS燒結(jié)氧化鋁陶瓷材料的比例處于第二位，可見采用閃燒工藝燒結(jié)氧化鋁陶瓷材料是可行的。就目前而言，人們對閃燒技術(shù)的探索與研究從未間斷，尤其是2015-2020年發(fā)表的論文數(shù)量急劇增加，并呈逐年遞增的趨勢。對于氧化鋁陶瓷的閃燒工藝憑借燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、晶粒細小甚至納米化效果顯著等特性吸引了眾多研究者的關(guān)注。
閃燒工藝的產(chǎn)業(yè)化進程
閃燒工藝被報道以來，受到氧化鋁陶瓷工業(yè)界和學術(shù)界的廣泛關(guān)注。英國的 Lucideon集團率先開展了陶瓷閃燒設(shè)備的工業(yè)化研究，歷時2年，于2013年完成該設(shè)備的組裝。根據(jù)氧化鋁陶瓷的電子特性選擇與之相匹配的電極裝置，將其放置在該設(shè)備上長達25m的傳送輥上，實現(xiàn)了15cmx 15cm大尺寸陶瓷制品的閃燒制備，與常規(guī)燒結(jié)相比溫度降低約300℃，生產(chǎn)率提高25%左右。
關(guān)于閃燒工藝和設(shè)備的研究在國內(nèi)還處于起步階段，主要的研究機構(gòu)有中國工程物理研究院材料研究所對閃燒裝置的結(jié)構(gòu)進行了大量的研究工作，武漢理工大學的傅正義研發(fā)的閃燒技術(shù)成功地燒結(jié)了鋯鋁復(fù)相共晶陶瓷，西北工業(yè)大學的王一光和西南交通大學的劉金玲等人共同研制了閃燒設(shè)備，并實現(xiàn)了陶瓷基材料的連接。
閃燒技術(shù)未來的發(fā)展方向
作為典型的場輔助燒結(jié)工藝，閃燒工藝有望解決氧化鋁陶瓷材料傳統(tǒng)燒結(jié)工藝存在燒結(jié)溫度高、燒結(jié)時間長、晶粒異向生長或異常長大、力學性能降低等問題，可以預(yù)見其應(yīng)用前景會越來越廣闊。
但由于閃燒工藝仍然是一種新的燒結(jié)工藝與技術(shù)，目前也存在一些待解決的問題，具有較大的技術(shù)提升空間：
1）如何利用閃燒過程中氧化鋁陶瓷快速致密化和晶粒生長的關(guān)系來合理地調(diào)節(jié)電場強度、電流密度等閃燒工藝參數(shù)，進而解決常規(guī)燒結(jié)工藝中存在晶粒異向生長和異常長大等問題具有重要的意義。
2）燒結(jié)時的氣氛、電流的頻率等其他閃燒工藝參數(shù)對燒結(jié)過程的影響及其規(guī)律的探索有待繼續(xù)研究。
3）實現(xiàn)閃燒工藝的裝置大部分是在傳統(tǒng)燒結(jié)設(shè)備上改進而來的，還沒有統(tǒng)一或標準的實驗平臺，電極通常選用昂貴和特殊的金屬材料鉑，這也在一定程度上制約了閃燒設(shè)備的通用化研究另外，為了實現(xiàn)閃燒，試樣的有效尺寸一般比較小，形狀單一。
參考來源：
焦仁寶等：氧化鋁陶瓷閃燒工藝的研究進展
李健等：陶瓷材料閃燒制備技術(shù)研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除
