感应超快烧结(IUS)：实现难熔材料无接触快速致密化的创新技术

《Scripta Materialia》：Induction ultrafast sintering

本刊推荐：为解决传统烧结方法能耗高、耗时长的问题，研究人员开展了感应超快烧结(IUS)技术研究。该技术通过直接感应(d-IUS)和间接感应(s-IUS)两种无接触模式，实现了高达~75至>450 °C/s的超高速升温速率和超过2500°C的极高温度，可在120秒内将钼(Mo)高密度致密化，并在30秒内使3 mol%氧化钇稳定氧化锆(3YSZ)达到~97%的相对密度。此项研究为高通量材料发现和难熔材料的高能效制备提供了一条通用途径。

　　

烧结，这一可以追溯到至少26000年前的材料制备关键工艺，至今仍在陶瓷和金属，特别是难熔材料的固结中广泛应用。然而，传统的无压烧结通常需要在高温下煅烧数小时，这对于材料制备而言能耗高，对于材料发现来说则耗时过长。为了突破这一瓶颈，科学家们一直在探索更快速的烧结方法。2010年，Raj及其同事展示了电场如何在所谓的“闪烧(FS)”中于数秒内引发陶瓷的超快烧结。随后的机理研究指出，“闪烧”始于热失控，而超高速的升温速率（约10² K/s）是实现快速致密化的关键。2020年，Wang等人提出了超快高温烧结(UHS)，通过将样品夹在作为焦耳加热器的石墨毡之间，实现了一种通用的超快烧结方法。尽管FS和UHS已成功烧结了一系列难熔材料，但它们都属于接触式功率传输模式，存在诸如FS需要电极、UHS可能存在碳污染以及不必要的电化学还原等局限性。因此，开发一种非接触式的、更通用的超快烧结技术，对于推动材料科学的发展具有重要意义。

在此背景下，一篇发表在《Scripta Materialia》上的研究提出并验证了一种名为感应超快烧结(IUS)的新技术。这项技术通过两种非接触模式实现快速致密化：直接IUS(d-IUS)，即通过样品与电磁场的直接耦合进行加热；以及 susceptor IUS(s-IUS)，即通过感应加热的金属坩埚（案例）间接加热样品。该技术能够轻松实现~75至>450 °C/s的超高升温速率和超过2500°C的温度。研究证明，无论是d-IUS还是s-IUS，都能在120秒内将钼(Mo)高密度致密化，图像分析显示孔隙率仅为~1–3%。同样，通过s-IUS，3 mol%氧化钇稳定氧化锆(3YSZ)在30秒内达到了~97%的相对密度。研究还进一步展示了两种难烧结材料的超快反应烧结：使用d-IUS烧结的难熔成分复杂合金-碳化物(RCCA–CCC)复合材料NbMoTaW–(Nb_0.37Mo_0.11Ta_0.39W_0.13)₂C，以及使用s-IUS烧结的成分复杂硅化物(CCS) (Mo_1/3Nb_1/3Zr_1/3)Si₂。这项IUS技术平台为高通量材料发现和难熔材料块体的高能效制备提供了一条通用途径。

为开展此项研究，研究人员采用了几个关键的技术方法。他们设计并搭建了一套定制化的IUS装置，核心是一个10千瓦的感应加热系统，工作频率为50–150 kHz，可在超高纯度氩气气氛下操作。该装置的关键在于其热区结构，由氧化钇稳定氧化锆(YSZ)毡和布构成，以承受>10² °C/s的快速热冲击。温度测量使用双色光学高温计完成。研究使用了多种材料粉末，包括钼(Mo)、3YSZ以及通过高能球磨(HEBM)制备的RCCA–CCC和CCS复合粉末，将其压制成生坯片进行烧结。实验主要分为两种模式：d-IUS是将生坯片直接置于线圈中心的热区内；s-IUS则是将生坯片放入加工的钼(Mo)坩埚（作为感应器）中，再将坩埚置于热区。通过控制施加的功率和时间来实现超高速升温和目标等温烧结。

IUS装置的实现与表征

研究人员设计并组装了定制化的IUS装置。该装置的核心是一个10千瓦的感应加热系统，与一个气氛可控的真空室相连，并通过一个四匝绝缘铜线圈将射频(RF)场引入室内。热区由YSZ绝缘材料构建，以承受超高速升温带来的热冲击。温度通过安装在真空室顶部的双色光学高温计进行测量。该装置能够轻松将钼样品加热至约2600°C，其实际使用上限目前受限于YSZ绝缘材料的最高连续使用温度（约2200°C），但在短时间内进行超过2500°C的超快烧结是可行的。

直接IUS(d-IUS)模式下的超快加热与烧结

在d-IUS模式下，通过将3千瓦的固定功率施加到直径约12毫米的钼生坯片上4秒钟，记录到的温度约为1932°C，对应的平均升温速率高达~483 °C/s，证明了通过样品与施加的RF场直接耦合可以轻松实现超快加热。计算表明，在131 kHz频率下，致密钼的趋肤深度随温度升高从室温下的约0.3毫米增加到2400°C时的约1.2毫米。这意味着在d-IUS过程中，涡流主要诱导加热样品外围的一个环形体积，热量随后通过热传导传递到样品内部。将钼生坯在2000°C的目标温度下进行120秒的d-IUS烧结，获得了可重复的快速升温曲线，平均升温速率约为460 °C/s。烧结后样品尺寸收缩，名义相对密度从约66%提高到92.8 ± 1.1%。扫描电镜(SEM)图像显示内部为致密的烧结微观结构，图像分析测得的孔隙率小于1%，但在边缘/表面观察到了多孔带（约100微米厚，孔隙率约3%）。

间接IUS(s-IUS)模式下的烧结

s-IUS模式通过感应加热的金属坩埚（感应器）间接加热样品。本研究采用钼坩埚以避免UHS和放电等离子烧结(SPS)中可能报告的碳污染问题。使用2.5至4千瓦的功率，可以达到约67至~175 °C/s的升温速率。与d-IUS相比，s-IUS由于增加了感应器的热质量，需要更高的施加功率才能达到相当的升温速率。研究中对钼进行了s-IUS烧结（2000°C，120秒，升温速率约100 °C/s），获得了与d-IUS相似的名义相对密度（约93.7%）和微观结构，内部孔隙率小于1%，边缘/表面孔隙率约为2.4%。此外，还成功地对3YSZ陶瓷进行了s-IUS烧结，在约1570°C下保温30秒（升温速率约75 °C/s），使其达到了约97%的相对密度。

超快反应烧结的拓展应用

为了进一步展示IUS的广泛适用性，研究选择了两种难烧结的难熔成分复杂材料进行超快反应烧结。其一是难熔成分复杂合金-碳化物(RCCA–CCC)复合材料NbMoTaW + ~15 vol% (Nb_0.37Mo_0.11Ta_0.39W_0.13)₂C，通过d-IUS在约2000°C下烧结120秒，实现了约94%的名义相对密度。X射线衍射(XRD)分析表明，经过高能球磨(HEBM)和d-IUS后，形成了均匀分布的细晶P3?m1 M₂C亚碳化物相，SEM图像证实了其在金属RCCA基体中的均匀分布，内部孔隙率约为4%（即相对密度约96%）。其二是难熔成分复杂硅化物(CCS) (Mo_1/3Nb_1/3Zr_1/3)Si₂，通过s-IUS在1550°C下反应烧结120秒，实现了约92%的名义相对密度。

综上所述，本研究成功演示了感应超快烧结(IUS)技术，它通过直接感应加热(d-IUS)和间接感应器加热(s-IUS)两种非接触模式，将传统感应烧结推进到了超快领域。该技术实现了70至>450 °C/s的超高升温速率和超过2500°C的极高温度，能够快速致密化代表性的难熔金属、陶瓷和复合材料。研究通过对比d-IUS和s-IUS烧结钼(Mo)的效果，并进一步验证了其在高温陶瓷(3YSZ)以及两种难烧结材料（RCCA–CCC复合材料和CCS硅化物）上的可行性，充分证明了IUS是一种通用、简便且与材料无关的超快、高能效材料制备和高通量发现方法。

这项研究的重要意义在于，IUS技术有效规避了传统闪烧(FS)和超快高温烧结(UHS)等接触式方法存在的电极需求、碳污染和电化学副作用等问题。其非接触式加热、超高速升温和极高温度能力，为难以烧结的先进材料，特别是成分复杂的难熔材料，提供了一种极具前景的制备方案。同时，IUS平台为进行基础机理研究提供了可行的对比平台，使得研究人员能够类比（但不完全相同于）FS和UHS，分别研究场耦合与场解耦模式下的烧结机理，这对于深入理解超快烧结现象背后的科学原理具有重要价值。这项工作为材料科学，特别是极端条件下材料制备技术的发展开辟了新的方向。