中國(guó)粉體網(wǎng)訊 氧化鋁陶瓷具有高熔點(diǎn)、高硬度、耐磨性能好、耐高溫和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性等特性，在機(jī)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(shí)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(qiáng)度的燒結(jié)體，并獲得穩(wěn)定的多相晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而表現(xiàn)出優(yōu)良的宏觀性能。
來源：浙江蔚藍(lán)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(zhǎng)時(shí)間下燒結(jié)的，消耗大量的能源與資源。另外，高溫和長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)使等軸狀的晶粒發(fā)生異向生長(zhǎng)或異常長(zhǎng)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(xué)性能降低、產(chǎn)品發(fā)生翹曲變形，難以達(dá)到技術(shù)要求，并加大了對(duì)窯爐的損害。因此，從材料性能、能源消耗及經(jīng)濟(jì)等方面考慮，降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時(shí)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(shí)間短、晶粒細(xì)小甚至納米化的維管組織等優(yōu)勢(shì)，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(xiàng)新型燒結(jié)技術(shù)。
閃燒（FS）工藝的機(jī)理及材料
2010年美國(guó)科羅拉多大學(xué)Cologna等人在電場(chǎng)輔助燒結(jié)3YSZ中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為120V/cm時(shí)，3YSZ在小于5s的時(shí)間內(nèi)實(shí)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(bào)道，立刻引起了學(xué)者們的廣泛研究。
FS是一種典型的場(chǎng)輔助燒結(jié)工藝，在外加電場(chǎng)的作用下試樣的內(nèi)部會(huì)有電流流動(dòng)，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(shí)驗(yàn)研究表明實(shí)現(xiàn)閃燒原理的工藝過程并不復(fù)雜，難點(diǎn)在于對(duì)其燒結(jié)機(jī)理的合理解釋。
氧化鋁陶瓷發(fā)生閃燒現(xiàn)象
01.FS的機(jī)理
由于氧化鋁陶瓷發(fā)生閃燒現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間非常短，很難精確測(cè)量最佳工藝參數(shù)組合時(shí)試樣的溫度和溫度場(chǎng)分布的不確定性限制了對(duì)閃燒機(jī)理的理解。科研人員對(duì)閃燒機(jī)理的研究雖然取得了一些成果和共性的認(rèn)識(shí)，但還遠(yuǎn)沒有達(dá)成共識(shí)，尚未確切地揭示其機(jī)理。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或假設(shè)提出了以下幾種理論來解釋閃燒機(jī)理：
焦耳熱效應(yīng)
由于閃燒燒結(jié)時(shí)間短，很難準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)生閃燒現(xiàn)象時(shí)的試樣溫度，而且更難以測(cè)量燒結(jié)試樣內(nèi)的溫度梯度分布，溫度測(cè)量的不確定性限制了對(duì)燒結(jié)機(jī)理的進(jìn)一步揭示。當(dāng)陶瓷試樣通過電流時(shí)，隨著電流密度增加會(huì)產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)，進(jìn)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)溫度的過剩或熱失控，這種溫度過�；驘崾Э乜赡芙忉屘沾傻目焖僦旅芑�。
弗侖克爾對(duì)缺陷形核機(jī)理
在陶瓷材料閃燒過程中，在電場(chǎng)作用下陽離子和陰離子同時(shí)產(chǎn)生空位和間隙，形成空位-間隙缺陷，即弗倫克爾對(duì)。在較高電場(chǎng)作用下產(chǎn)生缺陷崩塌效應(yīng)，在晶界的局部發(fā)生強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，溫度達(dá)到陶瓷材料的熔點(diǎn)以上，致使液相瞬時(shí)生成，促進(jìn)陶瓷的快速致密化，縮短陶瓷的燒結(jié)周期。
電化學(xué)還原機(jī)制
該機(jī)制在2013年首次被提出，這一成果重點(diǎn)集中在氧化物陶瓷上，對(duì)共價(jià)鍵陶瓷材料的研究較少。試樣在直流電場(chǎng)的作用下，由離子導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訉?dǎo)體隨著電化學(xué)還原從陽極向陰極進(jìn)行時(shí)，電子密度增加試樣的電導(dǎo)率逐漸增大，達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)釋放，發(fā)生閃光現(xiàn)象，同時(shí)氧化鋁陶瓷試樣的顏色也會(huì)由白色變成黑色。閃燒過程中電化學(xué)還原也會(huì)受到電極附近效應(yīng)的影響，陰極晶粒的生長(zhǎng)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(gè)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(bào)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(chǎng)下在850℃幾秒內(nèi)實(shí)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(shí)驗(yàn)達(dá)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(bào)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(chǎng)強(qiáng)度下燒結(jié)致密，閃燒點(diǎn)為1320℃，電場(chǎng)強(qiáng)度增加到1000cm-1，閃燒點(diǎn)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(duì)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(shì)。對(duì)于氧化鋁陶瓷的閃燒工藝憑借燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短、晶粒細(xì)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(jìn)程
閃燒工藝被報(bào)道以來，受到氧化鋁陶瓷工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。英國(guó)的 Lucideon集團(tuán)率先開展了陶瓷閃燒設(shè)備的工業(yè)化研究，歷時(shí)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(zhǎng)達(dá)25m的傳送輥上，實(shí)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(guó)內(nèi)還處于起步階段，主要的研究機(jī)構(gòu)有中國(guó)工程物理研究院材料研究所對(duì)閃燒裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究工作，武漢理工大學(xué)的傅正義研發(fā)的閃燒技術(shù)成功地?zé)Y(jié)了鋯鋁復(fù)相共晶陶瓷，西北工業(yè)大學(xué)的王一光和西南交通大學(xué)的劉金玲等人共同研制了閃燒設(shè)備，并實(shí)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(chǎng)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(shí)間長(zhǎng)、晶粒異向生長(zhǎng)或異常長(zhǎng)大、力學(xué)性能降低等問題，可以預(yù)見其應(yīng)用前景會(huì)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(zhǎng)的關(guān)系來合理地調(diào)節(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度等閃燒工藝參數(shù)，進(jìn)而解決常規(guī)燒結(jié)工藝中存在晶粒異向生長(zhǎng)和異常長(zhǎng)大等問題具有重要的意義。
2）燒結(jié)時(shí)的氣氛、電流的頻率等其他閃燒工藝參數(shù)對(duì)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(shí)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(jìn)而來的，還沒有統(tǒng)一或標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(shí)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(jìn)展
李健等：陶瓷材料閃燒制備技術(shù)研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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