原文出自Materials and Solidification (材料与凝固)期刊

Cite this article:

Liu J, Chen L, Liu G, et al. The onset mechanism of flash sintering dense 8YSZ. Materials and Solidification, 2025, 1(2): 9580011. https://doi.org/10.26599/MAS.2025.9580011

文章DOI：10.26599/MAS.2025.9580011

1、导读

厘清场致缺陷和焦耳热效应在闪烧过程中的作用一直是闪烧领域的关键难题。本文以致密8YSZ陶瓷为模型研究闪烧引发机制。分析电导行为发现非线性电导与电场激活的氧空位扩散密切相关。原位观察闪烧过程发现电化学黑化从负极扩散至正极，进而闪烧被激发。本文提出了一种缺陷反应模型来解释闪烧引发：高电场作用促使8YSZ内部产生缺陷反应，使得8YSZ从纯离子导体转变为离子-电子混合导体，缺陷的缔合和运动促使试样中电流激增最终引发闪烧。

2、研究背景

烧结技术的革新对陶瓷领域的发展往往意味着新一轮技术革命。因此，探索以低温、快速为特点的新型烧结技术一直是陶瓷工作者不懈的追求。闪烧（Flash sintering）自2010年报道以来，便因其在远低于传统烧结所需炉温的温度下实现陶瓷材料的快速致密化而备受关注。典型的闪烧属于一种电场辅助无压烧结，将陶瓷试样悬挂于烧结炉内加热的同时再对其施加一个较高的临界电场，当炉温达到某一临界温度时闪烧就会激发，试样快速致密。

通常来说，判断闪烧的发生主要根据三大特征：快速致密化、非线性电导和发光。但值得注意的是，闪烧被引发后试样的快速致密化往往在瞬间完成（该过程一般小于1 s），这为研究高电场作用下的快速致密化机制带来了技术难题。随着研究的深入，研究人员发现快速致密化实质上并不是定义闪烧的唯一标准：致密陶瓷试样在临界电场和炉温的作用下也会发生闪烧，出现非线性电导和发光现象。这一发现意味着快速致密化和非线性电导之间不存在因果关系，其背后具有相同的物理机制。因此，将快速致密化和非线性电导的研究区分开，以致密试样为模型研究其非线性电导行为和发光现象为揭示闪烧引发机制提供了全新的思路。

本文以致密8YSZ陶瓷为模型研究闪烧引发机制。通过测试闪烧孕育阶段的电导发现其偏离了传统的离子电导行为，证明了非线性电导的出现与电场有关。本文还发现电化学黑化现象与闪烧的引发之间存在时间上的因果联系，提出了一种电场驱动的电化学反应模型来解释闪烧引发机制。这一模型为理解闪烧现象的物理本质提供了全新的视角和有力证据，有望解决长期以来的机制争论。

3、文章亮点

(1) 证明了高电场作用下的非线性电导行为与电场激发的氧空位扩散有关。

(2) 原位观测揭示了电化学黑化扩散与闪烧引发存在因果联系。

(3) 提出了一种缺陷反应模型来解释闪烧引发机制：高电场作用促使8YSZ内部产生缺陷反应，使得8YSZ从纯离子导体转变为离子-电子混合导体，最终导致试样中电流激增引发闪烧。

4、研究结果及结论

在恒定炉温的条件下，闪烧的引发与电场强度大小密切相关。本文对恒温不同电场强度下闪烧孕育阶段的电导行为进行了精确测量。如图1所示，在900℃下，给试样施加不同大小的电场。当电场较小时，通过试样的电流微弱且稳定，说明在低电场下的焦耳热效应可以忽略不计。当电场进一步增大至2.1 V/mm以上时，通过试样的电流逐步增大，电流提供的焦耳热会进一步提升试样电导率，这与陶瓷的负温度系数特性有关，此时8YSZ仍呈现典型的线性电导。但是，随着电场继续增大，非线性电导特征越来越显著，这说明非线性电导的出现主要与电场的作用有关，而非焦耳热效应主导。

图1 在900℃下，在0.7至6.3 V/mm的电场下测量的电流随时间变化

通过自主搭建的设备可以实时观测闪烧发生的全过程。从图2中可看到，在施加一个较大的电场后，试样经过一段孕育时间后开始在负极产生黑化现象并逐步开始向正极扩散，当黑化完全扩散至正极时试样出现电导激增和发光。这有力地证明电化学黑化扩散与闪烧的引发存在因果联系。此外，由于电流流经试样，闪烧过程中试样温度的分布与演化也是不容忽视的问题。如图2所示，本研究对试样温度的分布与演化也进行了原位观测。

图2 原位测温装置，黑化形成及扩展过程和试样温度测试

一般来说，当电流流经导体，焦耳热效应产生的温度主要呈均匀分布。而我们对原位测试的温度演化进行量化分析发现，稳态阶段的试样温度存在明显的梯度，即试样不同区域的温度并不相同，如图3a所示。进一步分析发现，试样温度呈现独特的非对称分布：最高温在正极与中间区域之间，负极的温度最低，最大温差近100℃。这种非常规的温度分布实质上是由于电场作用下试样内部发生了复杂的缺陷反应，缺陷在试样内部的形成、运动和缔合会额外消耗或提供焦耳热，从而导致试样整体的温度分布不均匀。

图3 闪烧过程中试样非对称的温度分布

为了验证我们的猜想，我们对试样黑化前后的微观结构进行了表征。如图4a所示，代表立方ZrO₂的Raman特征峰出现在600~650 cm^-1，这说明电化学黑化并未改变试样的晶体结构。但是应该注意到，黑化后试样的峰强度弱于未变黑区域，这表明试样的光吸收能力由于变黑而大大增强。而EPR结果进一步表明在高电场作用下高浓度的氧空位被注入样品。这些结果充分证实了闪烧黑化与电场致缺陷的形成与运动有关。

图4 试样黑化前后的化学结构和缺陷表征

综合上述结果，本研究提出了一种电场驱动的电化学反应模型来解释致密8YSZ闪烧过程的黑化、非对称温度分布以及闪烧引发机制。高电场作用导致试样不同区域发生不同的缺陷反应形成氧空位、空穴和电子。试样内部缺陷的运动和缔合导致黑化出现并扩散，使得8YSZ从离子电导变为离子-电子混合电导，最终在试样内部形成一条渗流路径致使电流激增引发闪烧。

图5 电化学黑化形成及扩展示意图

5、作者及研究团队简介

刘金铃（通讯作者），西南交通大学力学与航空航天学院教授、博士生导师。2013年毕业于美国中佛罗里达大学材料科学与工程专业，获哲学博士学位。长期从事场辅助材料制造技术、先进陶瓷及其复合材料、金属基纳米复合材料等方向的研究。主持和参与国家科技重大专项、国家自然科学基金和四川省科技计划等课题20余项。已发表学术论文100余篇，获得美国发明专利1项、中国发明专利10余项。担任Journal of Advanced Ceramics和Composite Interfaces等期刊编委。

E-mail: liujinling@swjtu.edu.cn

《材料与凝固（英文）》（Materials and Solidification）期刊简介

《材料与凝固（英文）》由清华大学出版社出版，西北工业大学凝固技术国家重点实验室提供学术支持，实验室李金山教授担任主编，王俊杰教授担任执行主编。期刊聚焦于凝固理论和凝固技术方面的前沿研究成果，发表金属、半导体、有机、无机和聚合物材料块状或薄膜凝固理论和凝固技术的前沿研究成果，包括但不限于，凝固加工相关的铸造、焊接和增材制造，还涉及电、超声、磁、微重力等多物理场中的非平衡凝固现象。

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