陶瓷的闪烧制备技术研究开题报告

全文总字数：4214字

1. 研究目的与意义（文献综述）

陶瓷材料广泛应用于航空、机械、冶金、电子、生物等方面，在国民经济发展过程中起到越来越重要的作用。传统的陶瓷烧结方法，是指紧密堆积的陶瓷粉体在高温热驱动力的作用下，通过原子扩散排出晶粒间的气孔从而致密化的过程。但在高温条件下，原子扩散作用在帮助材料致密化的同时，也会不可避免地导致晶粒长大现象。对于多晶材料，高的密实度意味着更好的力学性能，而晶粒长大则会造成性能的劣化，影响材料的应用，长时间的高温烧结也使得陶瓷行业成为一种高耗能产业。为了进一步优化烧结材料的性能，降低烧结能耗，让陶瓷产业迈向绿色、节能领域，陶瓷闪烧技术应运而生。

2010年，美国科罗拉多大学的印度籍教授raj发现通过外加直流电场，3ysz材料可在850 ℃几秒内实现致密化。由于材料在短时间内急剧收缩致密，该烧结技术被命名为“闪烧”(flash sintering)。与常规烧结相比，闪烧最明显特征在于素坯需要施加电场，类似于常规烧结升温、保温以及降温过程，闪烧过程也分为三个不同阶段：(1)恒压阶段(孵化阶段)：在位于炉体内部的素坯两端施加初始电场，炉体按设定程序升温，电路中电流微乎其微。(2)闪烧阶段：当炉体温度升高到某一温度时，电路中电流急剧上升，数秒内飙升至设定值，炉体进入保温模式。(3)恒流阶段：电路中电流以初始设定值恒流输出，持续一段时间，关闭电源，试样随炉冷却到室温。闪烧技术最初用于烧结离子导体，第一篇报道闪烧的文章中所用材料为纳米氧化锆(3 mol% y₂o₃ -zro₂，3ysz), 该材料在直流电场下在850 ℃几秒内实现完全致密。当电场从60升到120 v/cm^-1 时，闪烧点由1025 ℃下降到850 ℃，闪烧开始时的功率密度在7-40 mw/mm^-3范围内。用来作固体氧化物燃料电池电解质材料的8ysz样品采用直流闪烧技术制备，理论密度高达96%。在150 v/cm^-1电场直流下，闪烧点为750 ℃。发展至今，除离子导体外，该技术已经成功应用于多种类型材料的致密化过程，包括电子导体、半导体、绝缘体以及混合材料等。

由于闪烧加热速率很高，很难精确测量峰值功耗期间的样品温度，温度测量的不确定性直接限制了对烧结机理的理解。研究人员已开展了大量工作研究闪烧过程，但确切机理目前尚不清晰，存在一些共识和争议。目前主流的学术观点主要包括焦耳热效应理论、快速升温促进致密化理论、颗粒接触点局部热效应理论和缺陷作用理论等。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

材料制备：原料为氧化物、碳化物、硼化物等陶瓷粉体，闪烧设备有炉子、电源、电极、数字万用表（用于记录电气参数）、位移传感器（它可以测量与致密化和烧结有关的样品收缩率）、高温计、光谱仪、衍射分析系统、热像仪等。

目前有几种闪烧制备技术，如传统闪烧、flash sps、无接触闪烧等。本课题综合实验室技术与条件，主要采取如下制备工艺：将陶瓷粉体通过注浆成型或者压制成型得到陶瓷坯体，置于炉内加热，在坯体上施加电场，当炉温达到一个阈值时，坯体中电流瞬间急剧上升，这时样品发生热能激增、体积收缩和强烈的电致发光现象。通常情况下，为了控制电能耗散值，程序会预设一个最高限制电流，当达到这个限制值以后，电流恒定，坯体进行烧结直到致密，电阻值也逐渐减小到恒定。如有特殊物性和条件需求，将按实际情况调整工艺参数和流程。

3. 研究计划与安排

第1－3周： 查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4-5周： 总结陶瓷的闪烧制备工艺过程与特点。

第6-11周： 闪烧制备陶瓷的微观结构与结构性能之间关系研究。

4. 参考文献（12篇以上）

1.傅正义,季伟,王为民.陶瓷材料闪烧技术研究进展[j].硅酸盐学报,2017,45(09):1211-1219.

2.李健,关丽丽,王松宪,曹家凯,李晓冬.陶瓷材料闪烧制备技术研究进展[j].中国陶瓷工业,2018,25(06):20-26.

3.唐静. 钛酸钡陶瓷的闪烧研究[d].华北电力大学(北京),2017.