陶瓷材料的闪烧制备新技术及机理研究

Flash sintering is a new sintering technology, which could densify the ceramics at low temperatures in short term. It is worthy of being applied in ceramic fabrication. However, the limitation in the knowledge about the fast mass transportation under flash sintering prevents the technology from wide applications. The present study will focus on the typical oxide ceramics, studying their conductive behaviors during flash sintering. The effect of Joule heat under electric field on the sinter process will be determined. The mechanism for fast mass transportation and densification under a threshold electric field will be revealed. The microstructures and properties of the flash sintered ceramics will be characterized. The coupled design of the electric field and oxide ceramics will be developed accordingly. This research will solve the following scientific topics including the excitation of defects in ceramics and their evolution, fast mass transportation under threshold electric field, the microstructural evolution under constant current, and the interaction law between the oxides and electrical field. The theories in mass transportation in oxides under threshold electric field are innovative. The fast densification of ceramics at low temperatures under threshold electric field are novel methods. The results of the present research will replenish the theories concerning the ceramic sintering, and will lower the fabrication price and promote the development of ceramic industry.

闪烧是一种新型的烧结工艺，可在外加电场作用下实现陶瓷的低温极速致密化，具有重要的应用价值。然而对其烧结传质机理认知的局限性阻碍了该技术的推广应用。本研究将针对典型的氧化物陶瓷，研究闪烧过程中陶瓷的电导行为，确定电场作用下焦耳热对陶瓷烧结的影响，揭示临界电场作用下陶瓷的快速致密化机制，表征闪烧陶瓷的结构及性能，进而实现电场辅助陶瓷烧结的协同设计与应用。本项目拟解决临界电场下陶瓷缺陷的激发和演变机制、快速传质机制、恒定电流下陶瓷显微结构的演变规律、以及电场与氧化物陶瓷的耦合作用规律等关键科学问题，在电场作用下氧化物陶瓷的快速传质理论和陶瓷低温快速致密化工艺等方面具有创新。本项目的研究成果将丰富陶瓷的烧结理论，有利于降低陶瓷的制造成本，推动陶瓷产业的发展。

闪烧是一种的新型烧结工艺，其可在外加电场作用下实现陶瓷的低温快速致密化，已在多种陶瓷体系中得以实现。闪烧技术可以显著降低烧结温度，缩短烧结时间，将大幅节约烧结过程中所需能源，降低陶瓷的生成制造成本，具有重要的应用价值。然而对其烧结传质机理认知的局限影响了该技术的优化和推广应用。在基金委重点项目的大力支持下，针对闪烧的相关现象展开了一系列研究，并取得了良好的进展。针对闪烧如何发生的问题，阐明了闪烧孕育阶段非线性电导的起源为临界电场作用下引发氧空位主导的缺陷机制，回答了闪烧过程中缺陷和焦耳热何者为第一性的问题，即缺陷雪崩引发非线性电流，进而产生大量焦耳热的释放。针对闪烧如何导致快速致密化的问题，证明了近邻颗粒在电场作用下产生缺陷之间的静电引力是陶瓷快速致密化的主要驱动力，建立了基于静电力的颗粒旋转、碰撞聚集的快速致密化模型，并据此理论解释并验证了亚结构的形成机制和临界晶粒尺寸的存在。明确了氧空位的运动与弥合在气孔排出过程中的辩证关系，揭示了闪烧气孔排出进一步致密化的机理。阐明闪烧晶粒尺寸演变机制并提出优化闪烧条件和晶粒尺寸调控的准则。完成氧化铝、钛酸钡等以及多相陶瓷闪烧工艺参数的普适性优化设计，实现了氧化物陶瓷闪烧过程中微观组织和部分性能指向性调控。基于上述对闪烧机理的研究，团队利用电场作用下出现的低温快速传质现象, 首次提出了陶瓷闪焊技术, 实现了同种陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属, 甚至异种陶瓷/陶瓷之间的快速连接; 发展了陶瓷闪烧合成技术, 实现了典型氧化物陶瓷的快速合成; 发展了氧化物陶瓷的电塑性成形技术，实现了氧化物陶瓷低温快速低应力下的拉伸、弯曲、压缩和深拉等变形。闪烧及其衍生技术具有极大应用前景，有望实现包括合成、烧结、变形加工、连接在内的陶瓷产品的低成本快速制造，推动陶瓷产业的变革性发展。