中國粉體網訊 氧化鋁陶瓷具有高熔點、高硬度、耐磨性能好、耐高溫和優良的化學穩定性等特性，在機械加工、耐磨材料、能源、生物和航空航天等領域具有廣闊的應用前景和巨大的潛力。而燒結是實現氧化鋁陶瓷上述應用和特性的關鍵技術，氧化鋁陶瓷通過相應的燒結工藝，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體，并獲得穩定的多相晶體結構，進而表現出優良的宏觀性能。
來源：浙江蔚藍航盾精密陶瓷科技有限公司
傳統的氧化鋁陶瓷材料是在高溫和長時間下燒結的，消耗大量的能源與資源。另外，高溫和長時間燒結使等軸狀的晶粒發生異向生長或異常長大，造成成分揮發和多態轉變、燒結體中殘余氣孔難以排除，導致陶瓷的致密性變差和力學性能降低、產品發生翹曲變形，難以達到技術要求，并加大了對窯爐的損害。因此，從材料性能、能源消耗及經濟等方面考慮，降低氧化鋁陶瓷燒結溫度、縮短燒結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、熱等靜壓燒結、微波燒結、微波等離子燒結、放電等離子燒結和閃燒等燒結工藝來解決上述問題。其中閃燒工藝具有燒結溫度低、燒結時間短、晶粒細小甚至納米化的維管組織等優勢，是一種使氧化鋁陶瓷致密化的非常有前途的燒結工藝，是陶瓷產業邁向綠色、節能的一項新型燒結技術。
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3YSZ中發現當電場強度為120V/cm時，3YSZ在小于5s的時間內實現了致密，Cologna等人將這種燒結技術命名為“閃燒”。“閃燒”一經報道，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工藝，在外加電場的作用下試樣的內部會有電流流動，電阻率下降，產生焦耳熱效應使陶瓷試樣快速致密化并伴隨閃光現象。實驗研究表明實現閃燒原理的工藝過程并不復雜，難點在于對其燒結機理的合理解釋。
氧化鋁陶瓷發生閃燒現象
01.FS的機理
由于氧化鋁陶瓷發生閃燒現象的持續時間非常短，很難精確測量最佳工藝參數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。科研人員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。基于實驗數據或假設提出了以下幾種理論來解釋閃燒機理：
焦耳熱效應
由于閃燒燒結時間短，很難準確測量發生閃燒現象時的試樣溫度，而且更難以測量燒結試樣內的溫度梯度分布，溫度測量的不確定性限制了對燒結機理的進一步揭示。當陶瓷試樣通過電流時，隨著電流密度增加會產生焦耳熱效應，進而發生閃光放熱現象，即閃燒現象。伴隨著發光放熱使陶瓷試樣內部的溫度要比傳統燒結溫度高出幾百攝氏度，造成燒結溫度的過剩或熱失控，這種溫度過剩或熱失控可能解釋陶瓷的快速致密化。
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生缺陷崩塌效應，在晶界的局部發生強烈的熱效應，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，由離子導體轉變為電子導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率逐漸增大，達到一定程度時會釋放，發生閃光現象，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，通過閃燒工藝燒結的陶瓷材料有多種，電導率是FS過程中的一個關鍵參數，它可用來區分不同的陶瓷材料類別。按照電導率不同可分為絕緣體、半導體、離子型導體和非金屬氧化物等。
離子型導體
閃燒技術最初用于燒結離子導體，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℃幾秒內實現完全致密。
稀土摻雜二氧化鈰陶瓷材料（SDC、GDC等）也是典型的離子導體。相同的SDC粉體通過常規燒結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的電解質的晶粒尺寸明顯小于傳統燒結狀態下的晶粒尺寸。所以，閃燒技術不僅節能高效，而且能改善陶瓷材料的微觀形貌。
SDC陶瓷材料SEM圖片：(a)常規燒結(1450℃，3h)；(b)閃燒(80V·cm-1)；(c) 閃燒(100V·cm-1)；(d)閃燒(120V·cm-1)
半導體
SiC是一種半導體陶瓷材料，廣泛用于陶瓷裝甲和電子產品等領域。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，而且經常使用到燒結添加劑。利用閃燒技術可以降低碳化硅材料的燒結溫度，與燒結助劑配合效果更為明顯。
絕緣體
雖然絕緣體在室溫下電導率很低，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，燒結溫度在1600℃左右，常用燒結助劑為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表論文數量的餅圖
從上圖中可以看出，關于FS燒結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氧化鋁陶瓷材料是可行的。就目前而言，人們對閃燒技術的探索與研究從未間斷，尤其是2015-2020年發表的論文數量急劇增加，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溫度低、燒結時間短、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注。
閃燒工藝的產業化進程
閃燒工藝被報道以來，受到氧化鋁陶瓷工業界和學術界的廣泛關注。英國的 Lucideon集團率先開展了陶瓷閃燒設備的工業化研究，歷時2年，于2013年完成該設備的組裝。根據氧化鋁陶瓷的電子特性選擇與之相匹配的電極裝置，將其放置在該設備上長達25m的傳送輥上，實現了15cmx 15cm大尺寸陶瓷制品的閃燒制備，與常規燒結相比溫度降低約300℃，生產率提高25%左右。
關于閃燒工藝和設備的研究在國內還處于起步階段，主要的研究機構有中國工程物理研究院材料研究所對閃燒裝置的結構進行了大量的研究工作，武漢理工大學的傅正義研發的閃燒技術成功地燒結了鋯鋁復相共晶陶瓷，西北工業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備，并實現了陶瓷基材料的連接。
閃燒技術未來的發展方向
作為典型的場輔助燒結工藝，閃燒工藝有望解決氧化鋁陶瓷材料傳統燒結工藝存在燒結溫度高、燒結時間長、晶粒異向生長或異常長大、力學性能降低等問題，可以預見其應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工藝與技術，目前也存在一些待解決的問題，具有較大的技術提升空間：
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系來合理地調節電場強度、電流密度等閃燒工藝參數，進而解決常規燒結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）燒結時的氣氛、電流的頻率等其他閃燒工藝參數對燒結過程的影響及其規律的探索有待繼續研究。
3）實現閃燒工藝的裝置大部分是在傳統燒結設備上改進而來的，還沒有統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備的通用化研究另外，為了實現閃燒，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研究進展
（中國粉體網編輯整理/空青）
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