傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)方法，是指緊密堆積的陶瓷粉體在高溫熱驅(qū)動力的作用下，通過原子擴散排出晶粒間的氣孔從而致密化的過程。在高溫條件下，原子擴散作用在幫助材料致密化的同時，也會不可避免地導(dǎo)致晶粒長大現(xiàn)象。對于多晶材料，高的密實度意味著更好的力學性能，而晶粒的長大則會造成材料性能的劣化，影響材料的應(yīng)用。長時間的高溫燒結(jié)也使得陶瓷行業(yè)成為一種高能耗產(chǎn)業(yè)。

據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯的了解，閃燒（Flash sintering）技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的一種新型電場輔助陶瓷燒結(jié)方法�！癋lash sintering”一詞最早的出現(xiàn)于1952年Hill的文章中，文中描述了一種在壓力輔助條件下，將直流電直接通過迅速升溫的金屬陶瓷坯體，來制備金屬陶瓷塊材料的方法。

閃燒技術(shù)的工作原理

現(xiàn)在所說的閃燒是一個新的燒結(jié)概念，第一篇文獻于2010年由Cologna等報道，在此文及其后續(xù)的研究論文中，作者描述了一個典型的閃燒實驗平臺。利用這一平臺，Cologna將氧化鋯陶瓷坯體通過兩根鉑絲懸吊在立式管式爐的熱區(qū)處，鉑絲將樣品與電源連成回路。通過在850℃的爐內(nèi)溫度下對樣品兩端加大于40V/cm的電場，使樣品因焦耳熱效應(yīng)迅速升溫，同時發(fā)出亮光形成“flash”過程，在幾秒鐘之內(nèi)完成致密化。

閃燒技術(shù)通常會伴隨以下三個現(xiàn)象發(fā)生：

1.材料內(nèi)部的熱失控；

2.材料本身電阻率的突降；

3.強烈的閃光現(xiàn)象。

閃燒技術(shù)主要涉及三個工藝參數(shù)，即爐溫（Tf）、場強（E）與電流（J）。對材料施加穩(wěn)定的電場，爐溫則以恒定速率升高。當爐溫較低時材料電阻率較高，流經(jīng)材料的電流很小。隨著爐溫的升高，樣品電阻率降低，電流逐漸增大。這一階段稱為孕育階段，系統(tǒng)為電壓控制。當爐溫升高至臨界溫度時，材料電阻率突降，電流驟升，閃燒發(fā)生。

由于此時場強仍穩(wěn)定，因此系統(tǒng)功率（W=EJ）將快速達到電源的電功率上限，系統(tǒng)由電壓控制轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骺刂�，這一階段稱為閃燒階段。當材料電阻率不再升高時，場強再次穩(wěn)定，燒結(jié)進入穩(wěn)定階段，即閃燒的保溫階段，保溫階段之后一次完整的閃燒過程結(jié)束。

與傳統(tǒng)燒結(jié)相比，閃燒主要有以下優(yōu)勢：

1.縮短燒結(jié)時間，并降低燒結(jié)所需溫度；

2.抑制晶粒生長，能夠?qū)崿F(xiàn)非平衡燒結(jié)；

3.設(shè)備簡單，成本較低。

現(xiàn)有的閃燒設(shè)備

Marlu Cesar Steil等人對8mol%Y2O3-ZrO2進行閃燒實驗，使用的自組裝設(shè)備，樣品為圓柱形，最上端有一個位移傳感器（GEFRAN.PY2 Rectilinear dis-placement transducer），用來測量樣品的收縮率，精度達到10μm。考慮到通過樣品時電流的均勻性，會在樣品表面加上Pt的涂層，再將Pt網(wǎng)格制成的集電器輕賦于片上。這些網(wǎng)格可以承受較高的電流，通過直徑1mm的Pt線連接到發(fā)電機上。熱電偶放置在距柱狀樣品約1mm的位置，在每個實驗開始之前，樣品溫度保持恒定。

Hidehiro Yoshida等人對氧化釔陶瓷進行閃燒研究時，使用的樣品為狗骨頭型，用兩根鉑絲穿過狗骨頭樣品兩端的孔洞，并將其懸掛在管式爐的中央。通過鉑電極對樣品施加電場。在管式爐底部放置CCD相機，通過一系列光學過濾器記錄樣品的尺寸。

NiobateNeta Shomrat等人對KNbO3陶瓷進行閃燒研究，得到的收縮率約為18%，相對密度為95%。實驗過程中所用樣品為底部正方形的長方形，該裝置將閃燒實驗和阻抗的測量結(jié)合起來。閃燒裝置中，采用可以測量收縮的1500℃膨脹計爐，將鉑滔電極覆蓋在樣品的邊緣，并連接電源和阻抗分析儀。

閃燒的應(yīng)用

閃燒技術(shù)已受到陶瓷工業(yè)界的廣泛關(guān)注，英國國防科技實驗室已經(jīng)啟動了閃燒制備高性能防護陶瓷裝甲的課題研究，試圖將此技術(shù)在制造成本、防彈性能和材料通用性等方面的優(yōu)勢應(yīng)用于裝甲制造業(yè)中。但到目前為止，世界上僅有英國Lucideon集團聲稱具有小批量閃燒生產(chǎn)陶瓷塊體的能力。Lucideon集團自2011年就開始研發(fā)大尺寸樣品工業(yè)閃燒系統(tǒng)，目標是通過可更換電極將樣品上下固定在長達25m的輥軸上完成大尺寸樣品的閃燒。這條系統(tǒng)于2013年完成組裝，目前可以實現(xiàn)15cmX15cm的白陶制品的生產(chǎn)。

在中國，主要的研究機構(gòu)有中國工程物理研究院、武漢理工大學、西北工業(yè)大學和西南交通大學等。

參考資料:

張熤坤，趙鵬等.閃燒技術(shù)制備致密鈦酸鍶鋇基陶瓷的研究.

傅正義，季偉等.陶瓷材料閃燒結(jié)技術(shù)進展.

唐靜.鈦酸鋇陶瓷的閃燒研究.

謝志鵬，許靖堃等.先進陶瓷材料燒結(jié)技術(shù)研究進展.

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星屑）

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