基于相界辅助的Al?O?-TiO?纳米复合材料的闪速烧结

《ACTA MATERIALIA》：Phase-boundary Assisted Flash Sintering of Al 2O 3-TiO 2 Nanocomposites

Al?O?-TiO?复合材料通过优化电场与成分比例显著降低闪烧烧结温度，构建了电场-温度映射关系，发现TiO?含量提升可使烧结温度从1340℃降至970℃，并揭示相界辅助机制与缺陷工程对陶瓷增韧的协同作用。

　　

周世宇|沈超|大卫·埃斯特雷拉|阿尔弗雷多·桑胡安|李欢|张一凡|刘畅|丹尼·赫尔马万|徐克|刘中宇|蔡本森·昆宏|黄家龙|盛轩宇|阿比吉特·乔杜里|陈阳|R. 埃德温·加西亚|张行航|王海燕

美国印第安纳州西拉法叶市普渡大学材料工程学院，邮编47907

摘要

由于其高度绝缘的特性，Al₂O₃难以通过闪烧法进行烧结。相比之下，TiO₂在高温下的电导率和离子导电性优于Al₂O₃，因此可以很容易地通过闪烧法烧结。在本研究中，成功制备了不同摩尔比（即34摩尔% Al₂O₃/66摩尔% TiO₂和20摩尔% Al₂O₃/80摩尔% TiO₂）的Al₂O₃-TiO₂二元复合材料，并构建了一个系统的闪烧图，以探讨电场（范围从300到1,600 V/cm）与Al₂O₃-TiO₂复合材料闪烧温度之间的关系。该图清楚地表明，复合材料的闪烧温度随着电场的增加或TiO₂摩尔比的提高而降低。本文讨论了相界辅助闪烧的潜在机制。研究表明，适当设计二元复合材料可以显著促进绝缘陶瓷材料的闪烧。

引言

闪烧法通过施加电场，在大幅降低温度和缩短烧结时间的情况下实现陶瓷的烧结[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。尽管闪烧的机制复杂且因陶瓷种类而异，但普遍认为，在满足特定条件（即达到临界起始温度和足够的电导率）时，电流会通过材料，导致电流密度急剧增加[3,4]。这一过程使材料在几秒到几分钟内几乎完全致密化。材料的电导率受内在因素（如缺陷[4,6,9,10]、键合类型[11,12]、晶格结构[5,13]和晶粒尺寸[14]）以及外在因素（如温度、气氛和压力[3,7,15,16]）的影响。许多陶瓷都通过闪烧法制备，包括研究广泛的氧化钇稳定氧化锆（3YSZ和8YSZ）[1,2,[17], [18], [19], [20], [21]]、TiO₂[4,7,11,22,23]、SrTiO₃[5,[24], [25], [26], [27]]、ZnO[8,[28], [29], [30], [31]]、CeO₂[32], [33], [34]]等。除了闪烧时间短和烧结温度低之外，另一个有趣的观察结果是闪烧陶瓷的缺陷密度显著较高，这使其在低温和中等温度下具有更好的塑性变形能力和较高的断裂韧性[3,4,8,11,17,30,43,44]。例如，在900°C的炉温和60 V/cm的电场下，合成了一种闪烧TiO₂，其电流密度为1.5 A/cm²。闪烧TiO₂中存在高密度的层错和位错，这些缺陷有助于其在室温和400°C下的塑性变形[11]。氧化铝（Al₂O₃）以其优异的化学和热稳定性、高机械强度以及红外透明性而闻名，使其成为各种工程应用的理想材料，包括高温结构部件、微电子领域的绝缘部件和红外窗口[[45], [46], [47]]。然而，烧结Al₂O₃通常需要极高的温度、压力和较长的烧结周期才能获得高密度、高质量的样品。最近的研究表明，通过直流闪烧（DC FS）在1,400°C和1,200 V/cm的电场及0.6 A/cm2的电流密度下，可以成功致密化纯Al₂O₃[3]。由于Al₂O₃的高度绝缘性，即使在高炉温度下也需要高场强和高温。此外，与其他闪烧氧化物相比，闪烧Al₂O₃中的缺陷（如位错和层错）较少[3,35,46]。考虑到TiO₂易于闪烧，我们假设使用TiO₂作为第二相掺杂剂可以降低Al₂O₃的闪烧温度和所需电场。尽管已有关于使用单轴热压[48,49]、热等静压[[50], [51], [52], [53], [54]]和火花等离子烧结[[55], [56], [57], [58], [59], [60]]处理Al₂O₃-TiO₂复合材料的研究，但关于Al₂O₃-TiO₂复合材料闪烧的研究仍不充分。

在这项工作中，我们探索了Al₂O₃-TiO₂二元复合材料的闪烧，旨在降低其烧结温度和所需电场。我们根据TiO₂的摩尔分数以及施加的电场和温度，开发了Al₂O₃-TiO₂的闪烧图。使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）详细分析了闪烧复合材料的微观结构演变，并通过微压痕分析探讨了其机械性能。基于这些分析，提出了几种Al₂O₃-TiO₂复合材料中第二相辅助闪烧的机制。

样本制备

样品制备

将α-Al₂O₃粉末（美国Research Nanomaterials公司，纯度99.9%，粒径135 nm）和金红石TiO₂粉末（Inframat公司，纯度99.9%，粒径50 nm）混合，分别制备了摩尔比为34摩尔% Al₂O₃-66摩尔% TiO₂和20摩尔% Al₂O₃-80摩尔% TiO₂的两种复合材料。首先将粉末混合物在120°C下加热1小时以去除吸收的水分，然后使用LabRAM II声波混合器进行均匀处理

结果

图1显示了在1,000 V/cm电场作用下Al₂O₃-80摩尔% TiO₂（简称AT80）复合材料的标准直流闪烧（DC-FS）过程。根据炉温设定，温度随时间线性升高，如黑色曲线所示。然而，热电偶测得的样品温度变化显示出初始的快速上升和随后的缓慢上升。在AT80闪烧过程中，电流出现了显著增加

电场、温度和成分对陶瓷闪烧的影响

陶瓷材料通常具有离子键或共价键，这限制了自由载流子的密度和迁移率，从而导致电导率较低。然而，随着温度的升高，由于自由载流子密度的增加，陶瓷的电导率得到改善。只有当陶瓷的电导率达到临界水平时，才会发生闪烧，此时电流会显著增加

结论

在本研究中，我们对Al₂O₃-TiO₂二元体系进行了闪烧研究，并制定了不同二元组成的电场与温度关系图。结果表明，添加TiO₂（其闪烧起始温度低于Al₂O₃）可以有效促进Al₂O₃在相对较低的温度下（从1,340°C降至970°C）实现闪烧。此外，闪烧过程的启动

CRediT作者贡献声明

周世宇：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、概念化。沈超：撰写——审阅与编辑、验证、研究。大卫·埃斯特雷拉：撰写——审阅与编辑、验证、研究。阿尔弗雷多·桑胡安：撰写——审阅与编辑、验证、研究。李欢：撰写——审阅与编辑、验证、研究。张一凡：撰写——审阅与编辑、验证、研究。刘畅：研究，