闪烧制备Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷的机理研究

Al2O3/YAG/ZrO2 eutectic ceramic has superior oxidation resistance, flexural strength, thermal stability and creep resistance at high temperature and is a candidate for high-temperature structural materials. Solidification methods of eutectic ceramic are not adequate to produce large or near-net shape material, and the mechanical properties of eutectic ceramic consolidated by traditional sintering methods are highly degraded. Recently, flash sintering, in which Al2O3/YAG/ZrO2 eutectic ceramic can be sintered in very short time at relatively low temperatures with the assist of applied electric field, has been developed. However, the underlying mechanism of flash sintering is mystifying. The aim of this project is to investigate the processing of flash sintering Al2O3/YAG/ZrO2 eutectic ceramic. A unified mechanism will be proposed to explain the field-assisted phenomena, such as power surge and enhanced sintering kinetics. The coupling effect of electric field and thermal field on densification and microstructures also will be verified. Here, we have developed a new method to consolidate Al2O3/YAG/ZrO2 eutectic ceramic. If indeed flash sintering is instigated, it will be a new step in ceramic research.

Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷抗氧化性好、力学性能优异，是理想的高温结构材料。目前凝固技术还难以制备大尺寸和复杂形状的共晶陶瓷，而传统烧结方法制备的共晶陶瓷力学性能差。本项目利用闪烧工艺的低温极速传质特点，首次成功制备了高性能Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷。然而，目前对闪烧制备Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷的机理还缺乏研究。本项目将系统研究闪烧制备Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷工艺，解决共晶陶瓷闪烧时的电导突变与极速传质机理等关键科学问题，揭示电热耦合作用对致密化过程和显微结构的影响规律，为闪烧制备Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷技术的应用奠定基础。本项目发展了闪烧制备Al2O3/YAG/ZrO2共晶陶瓷的新方法，在陶瓷工艺和烧结理论方面具有创新性。本项目的研究成果将突破对陶瓷闪烧机理的认识，对共晶陶瓷的发展和陶瓷烧结技术的进步具有重要意义。

氧化物共晶陶瓷具有卓越的高温力学性能，可以替代高温合金用作高温结构部件，在航空航天、电力、核能以及军事等领域有广阔的应用前景。然而，传统的定向凝固技术面临制备温度高、生产周期长、成分偏析等难题，尚未实现氧化物共晶陶瓷的实际应用。本项目系统研究了电场对Al2O3/YAG/ZrO2体系烧结行为的影响，分析了电场作用下氧化物陶瓷的电导突变和低温快速传质过程，探索了闪烧工艺与氧化物共晶陶瓷显微结构之间的关系，开展了闪烧制备氧化共晶陶瓷工艺的优化设计。项目取得的主要研究结果包括以下几个方面：（1）建立了电场激活氧空位的理论模型，可以合理解释氧化物陶瓷在电场作用下的非线性电导行为；（2）提出了氧空位运动和金属原子电迁移协同作用的闪烧传质机制，证明了焦耳热效应不是在闪烧中造成快速传质的主要因素；（3）初步建立了电场作用下的共晶结构调控方法，实现了氧化物共晶陶瓷的结构细化和力学性能提升；（4）发现电场作用可以实现固态下的快速共晶转变、固态反应可以促进闪烧，发展了电场辅助的多元氧化物陶瓷快速合成技术。闪烧合成氧化物共晶陶瓷技术具有制备温度低、生产周期短、结构易调控的优点，为制备高性能氧化物共晶陶瓷提供了新途径，将促进氧化物共晶陶瓷的发展。此外，通过电场辅助在氧化物中实现快速传质，为陶瓷制备技术带来了新的发展机遇，将推动电场辅助陶瓷制造技术的全面进步，对促进陶瓷材料的广泛应用具有重要意义。