振荡压力烧结技术对氧化铝陶瓷晶粒生长的影响机制研究

本研究针对传统烧结技术制备氧化铝陶瓷晶界稳定性不足的问题，通过对比热压(HP)、热振荡压力(HOP)和动态烧结锻造(DSF)三种技术，首次揭示了振荡压力通过降低晶界能抑制晶粒生长的机制。研究发现DSF样品晶粒生长速率最低，其晶界能较HP样品显著降低，为高性能陶瓷制备提供了新思路。

　　

在陶瓷材料领域，氧化铝(Al₂O₃)陶瓷因其优异的机械性能和化学稳定性被广泛应用，但传统烧结技术制备的材料常面临晶界稳定性不足的瓶颈。热压(HP)等常规方法难以有效调控晶界特性，导致材料力学性能提升受限。近年来，热振荡压力(HOP)和动态烧结锻造(DSF)等新型烧结技术崭露头角，其通过施加动态应力可促进颗粒重排和晶界滑移，但关于这些技术对晶粒生长的影响机制尚不明确。

郑州航空工业管理学院的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，系统比较了HP、HOP和DSF三种技术制备的氧化铝陶瓷晶粒生长行为。通过在不同温度下对样品进行退火处理，结合动力学模型分析，发现DSF样品表现出最低的晶粒生长速率常数，而三种样品的激活能相近。这一现象首次被证实与晶界能降低直接相关，DSF技术使晶界能降幅最大，从而显著抑制晶粒生长。该研究不仅揭示了振荡压力强化晶界的物理机制，更为设计高性能陶瓷材料提供了理论依据。

关键技术方法包括：采用商业α-Al₂O₃粉末(AKP-30)为原料，分别通过HP(静态压力110 MPa)、HOP(100±10 MPa @ 5 Hz)和DSF技术制备样品；在1300^oC烧结1小时后，于1600^oC进行不同时长退火；利用扫描电镜(SEM)观察微观结构，通过动力学模型计算激活能和晶界能参数。

【Experimental procedure】
研究使用平均粒径0.3 μm的α-Al₂O₃粉末，通过三种烧结技术制备样品：HP在恒定110 MPa压力下烧结；HOP施加100±10 MPa、5 Hz振荡压力；DSF采用动态锻造工艺。所有样品在1300^oC处理1小时后，进行1600^oC梯度退火实验。

【Results and discussion】
SEM显示所有样品均形成致密无孔隙结构，未见异常晶粒生长。动力学分析表明，晶粒生长速率常数排序为HP>HOP>DSF，而激活能三者相近。理论模型证实DSF样品晶界能降幅最大，这与透射电镜观察到的晶界强化现象相符，解释了其优异的机械性能。

【Conclusions】
该研究首次阐明振荡压力通过降低晶界能抑制晶粒生长的物理机制。DSF技术能最大程度稳定晶界结构，这一发现为开发高强度陶瓷材料提供了新方向。研究建立的晶粒生长动力学模型，为优化烧结工艺参数提供了定量评价工具，对推动先进陶瓷材料的工程应用具有重要指导意义。