普渡大學汪海燕團隊MRL：超快加熱對陶瓷納米顆粒燒結影響的原位研究

文獻鏈接：

Ultra-high heating rate effects on the sintering of ceramic nanoparticles: an in situ?TEM study, Materials Research Letters, 2021, 9, 373-381.?(https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1927878)

背景介紹

因為高溫陶瓷材料的高硬度特性，它們被廣泛地應用于各種功能器件。制備陶瓷材料的過程需要一種被稱之為“燒結”的熱處理方法。燒結通常需要在 1000°C 以上持續幾個小時，才能將疏松的粉末壓塊轉化為致密的材料。在燒結過程中，材料通過擴散沿著各種途徑運輸以消除顆粒之間的間隙，或者我們所說的孔隙。由于在此過程中孔隙被去除，材料將致密化并收縮尺度。同時，材料也可以沿著表面運輸并導致晶粒粗化。因為晶粒粗化通常會導致致密化過程的驅動力減少，并且通常會導致性能變差，所以晶粒粗化現象在陶瓷燒結過程中是通常需要被避免。

因此，陶瓷燒結的主要挑戰是通過優化加熱曲線來制備晶粒粗化程度最小的致密材料。實現這一目標的有效方法之一是提高加熱速率以最大限度地致密化并最大限度地減少晶粒粗化。近年來出現了許多新的燒結技術，包括 2010 年的閃燒技術和 2020 年的超快速高溫燒結。這些新的燒結技術通過將加熱速率從傳統的10-1000°C/min提高至10³-10⁴ °C/min來制備微小晶粒的致密陶瓷材料。這些新技術對超高加熱速率給陶瓷燒結過程帶來的影響的基礎研究非常重要。

成果簡介

最近，普渡大學汪海燕團隊發表在Materials Research Letters上的一項成果報道了高達 1200°C/s超高加熱速率對陶瓷納米顆粒的燒結性能影響。該研究通過原位透射電子顯微鏡來實時觀察在超高加熱速度下的顆粒的演變過程。這項研究觀察了超高加熱速率對不同的陶瓷系統的影響。為了量化這些變化，該研究記錄了在加熱過程之前，中期和結束后孔隙度的變化。實驗表明，超高加熱速率對于 3 mol.% 氧化釔穩定氧化鋯 (3YSZ) 納米顆粒的燒結特別有效。對于其他系統（例如：8 mol.% 氧化釔穩定氧化鋯 (8YSZ)）和氧化鋅 (ZnO)），超高加熱速率對孔隙的面積具有較小或不顯著的效果。本研究利用原位透射電鏡技術直接觀察每種氧化物中超高加熱速率對陶瓷燒結過程影響的對比，這些發現可以用于理解這些具有超高加熱速率的較新的燒結技術是如何實現致密的微觀結構并且維持微小晶粒尺度。

圖1 各種燒結技術的估計加熱速率。

圖2?(a) 原位?TEM 加熱的實驗裝置和超高加熱速率實驗期間??捕獲的快照。?(b) 3YSZ 和?8YSZ 原位實驗期間孔隙率百分比變化。

圖3?(a) 超高加熱速率 (1000°C/s) 和 (b) 慢加熱速率 (5°C/s) 的加熱曲線以及加熱過程中不同時間點的 ZnO 納米顆粒的相應快照。

*本文由MRL編輯部邀請，作者團隊供稿。