..陶瓷材料作為工程材料和功能材料的重要組成部分，在新能源、通信電子、半導體、航空航天等工業(yè)領域具有廣闊的應用前景。但由于陶瓷粉末多為離子鍵或共價鍵，傳統(tǒng)燒結工藝制備致密陶瓷材料所需的燒結溫度和保溫時間較高，必然導致晶粒粗化和氣孔殘留，從而影響陶瓷材料的性能。

為了降低燒結溫度，縮短燒結時間，提高燒結密度和材料性能，..各國研究人員開發(fā)了多種新型燒結技術。

01放電等離子燒結（SPS）

SPS技術創(chuàng)造性地將直流電流引入燒結過程，壓頭在對材料施加壓力的同時充當電流通過的載體。SPS是一種受到學術界廣泛關注和研究的新型快速燒結技術。與傳統(tǒng)燒結技術通常采用發(fā)熱體輻射加熱不同，SPS技術利用大電流通過模具或導電樣品產生的熱效應來加熱材料。

SPS設備工作原理示意圖

對于絕緣樣品，通常采用導電性好的石墨作為模具材料，利用模具的電阻熱快速升高樣品溫度。對于導電樣品，可以使用絕緣模具來加熱直接通過樣品的電流。升溫速率可達1000℃/min。當樣品溫度達到設定值時，經過短時間的保溫即可完成燒結。SPS技術具有燒結溫度低、保溫時間短、升溫速率快、燒結壓力可調、多場耦合(電-力-熱)等突出優(yōu)點。

02閃存(FS)

FS技術來源于電場輔助燒結技術(FAST)的研究。將待燒結的陶瓷素坯制成“骨狀”，其兩端通過鉑絲懸掛在重整爐內，向材料施加一定的直流或交流電場。爐體內有熱電偶用于測溫，底部有CCD相機可實時記錄樣品尺寸。

以3YSZ為例，研究人員發(fā)現與傳統(tǒng)燒結相比，若在爐體內以恒定速率升溫時，對其施加20V/cm的直流電場場強，可以在一定程度上提高燒結速率，降低燒結所需的爐溫。隨著場強的增強，燒結所需爐溫持續(xù)降低。當場強為60V/cm時，樣品會在爐溫升高至約1025℃時瞬間致密化;當場強提高至120V/cm時，燒結爐溫甚至可以降低至850℃。

                                               
                                                                                 (a)FS裝置的示意圖(b)直流電場對3YSZ燒結速率的影響

這種全新的燒結技術被稱為“閃速燒結”，即在一定的溫度和電場作用下，可以實現材料低溫、高速燒結的燒結新技術。通常會伴有材料內部熱失控、材料本身電阻率驟降、強閃等現象。

FS技術主要涉及三個工藝參數，即爐溫(Tf)、場強(E)和電流(J)。在傳統(tǒng)的FS模式下，向材料施加穩(wěn)定的電場，爐溫以恒定的速率上升。爐溫低時，材料電阻率高，流過材料的電流小。隨著爐溫的升高，樣品的電阻率降低，電流逐漸變大。這個階段稱為孵化階段，系統(tǒng)由電壓控制。當爐溫升至臨界溫度時，材料電阻率急劇下降，電流急劇上升，出現FS。此時場強仍然穩(wěn)定，所以系統(tǒng)的功率(W=EJ)會很快達到電源的功率上限，系統(tǒng)由電壓控制變?yōu)殡娏骺刂?，稱為FS階段。當材料電阻率不再增加時，場強又變得穩(wěn)定，燒結進入穩(wěn)定階段，即FS的保溫階段。在保溫階段之后，一個完整的FS過程結束。

與傳統(tǒng)燒結相比，FS具有以下優(yōu)點:縮短燒結時間，降低爐溫，遏制晶粒長大，實現非平衡燒結，設備簡單，成本低。

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