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南京航空航天大学陈照峰教授课题组：聪明的电流，烧结的捷径

已有 1483 次阅读 2024-10-1 16:46 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Lu L, Liu T, Chen Z, et al. Top priority current path between SiC particles during ultra-high temperature flash sintering: Presence of PyC “bridges”. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(2): 255-262.

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220849

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/377068243_Top_priority_current_path_between_SiC_particles_during_ultra-high_temperature_flash_sintering_Presence_of_PyC_bridges

1、导读

闪烧（Flash Sintering, FS）是一种用于快速烧结碳化硅（SiC）陶瓷的新技术。这项工作通过利用超高温闪烧，在60秒内实现了SiC陶瓷的快速烧结。通过对酚醛树脂的碳化，在SiC颗粒之间构建了热解碳（PyC）“桥”，提供了大量的电流通道。闪烧结过程的孕育时间显著减少，并且陶瓷中心区域与边缘区域之间的烧结差异也得到了最小化，中心区域和边缘区域的平均粒径分别为12.31 μm和9.02 μm。结果表明，引入PyC“桥”后，SiC陶瓷的孔隙率降低至14.79%，维氏硬度达到了19.62 GPa。PyC“桥”逐渐从无定形涡流碳转变为定向石墨碳，这表明样品在闪烧结过程中所处的超高温环境成功建立。SiC的超高温闪烧结有望应用于SiC陶瓷基复合材料局部损伤修复中。

图1 闪烧装置及电流路径示意图

2、研究背景

碳化硅（SiC）陶瓷是一种结构和功能集成材料，具有耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀等优异性能，其合成温度约在500~2100℃。在不施加任何轴向压力和烧结助剂的情况下，由于SiC低的热扩散系数和存在的游离硅，导致其在超高温环境下很难致密化。传统的烧结方法通常需要长时间、高能耗来制备陶瓷，这阻碍了SiC陶瓷高通量生产的发展。

闪烧是利用电流经过素坯产生的焦耳热实现对陶瓷素坯进行快速加热。由于该方法不需要使用压力、特殊的气氛或模具，已经被应用于许多具有离子或电子导电性的氧化物陶瓷复合材料。SiC属于半导体存在较大的禁带宽度并且受制于陶瓷晶界处较高的肖特基势垒的影响，其半导甚至绝缘的电学特性不能满足闪烧的使用要求。因此，提高SiC坯体的导电性，降低闪烧过程中局部接触电阻过大造成的焦耳热损失，进一步探索闪烧过程中电流在坯体中的流动路径，对扩大闪烧在SiC陶瓷烧结中的应用具有重要的指导意义。

近日，南京航空航天大学陈照峰教授团队基于二元及多元复合材料中广泛存在的渗流现象，通过在SiC粉体间搭建均匀的热解碳（PyC）“桥”为电流提供优先电流通道，系统地研究了不同电阻率对SiC坯体闪烧后性能影响，揭示了闪烧过程中温度与SiC电阻率的映射关系，解决了闪烧SiC陶瓷因焦耳热散失导致的烧结不均匀问题，有望在未来应用于团队长期从事的碳化硅陶瓷基复合材料中受损基体的再生修复研究。

3、文章亮点

（1）快速局部烧结技术：通过使用超高温闪烧技术，能够在短短60秒内实现SiC陶瓷的快速烧结，这一技术大大缩短了传统烧结方法所需的时间且实现陶瓷的局部烧结。

（2） PyC “桥”的引入：通过将酚醛树脂碳化形成热解碳(PyC)“桥”，在SiC颗粒之间创建了大量的电流通道。这些PyC“桥”的存在减少了闪烧过程中的孵化时间，并且最小化了陶瓷中心区域与边缘区域之间的烧结差异，从而改善了整个样品的均匀性。

4、研究结果及结论

图2 (a)PyC、SiC粉和PyC-SiC在不同压力下的电导率；(b)电流密度、(c)电场、(d)功率密度随PyC含量的变化

基于二元复相材料体系中通用有效介质理论，低导电成分含量达到某一临界值时，体系的导电率由第二相决定，最终导致复合材料的导电性降低，室温下碳化硅粉体的电导率也正如猜想被显著提升（图2）。在引入2.5 wt%热解碳后，PyC2.5-SiC在碳化后的电导率为0.1026 S/cm，是PyC0-SiC的97倍。闪烧过程中记录的电流密度、电场强度以及功率密度也对应常见的孕育、发光和稳定阶段。

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图3 在80 V/mm，2 A下闪烧后PyC-SiC截面(a-d)中心和(a1-d1)边缘的SEM照片

缺乏导电PyC“桥”的SiC坯体由于颗粒之间的直接接触而具有高接触电阻，导致颗粒之间形成许多“热点”，内外表面烧结的不均匀性。PyC的存在避免了样品的局部电流集中和击穿现象，避免了在闪烧过程中因导电性的差异而产生的裂纹。也正因为如此多的电流路径使得闪烧过程中焦耳热分布更加均匀。

图4 (a) FS/PyC2.5-SiC闪烧后的XRD谱图；(b) PyC2.5-SiC和FS/PyC2.5-SiC的拉曼光谱；(c) 80 V/mm恒定初始电场试验的数据绘制为lnρ vs. 10000/T，其中T为试样温度，ρ为电阻率；(d-f) 闪烧前后PyC的TEM照片

同时，通过碳化硅的晶型转变以及热解碳逐渐有序性验证了黑体辐射模型的计算结果。SiC晶型转变温度大致在1600 ℃左右，石墨化转变温度高于2000 ℃。

导电SiC坯体的闪烧有望在未来应用于局部损伤SiC陶瓷基复合材料基体的瞬时致密化，为陶瓷基复合材料在航空航天领域的应用奠定基础。

5、作者及研究团队简介

第一作者，卢乐。南京航空航天大学在读博士生，主要从事陶瓷基复合材料损伤缺陷快速修复相关工作，目前在J. Adv. Ceram., Compos. Sci. Technol., Ceram. In，等期刊发表多篇文章，授权1项国家发明专利，获得江苏省硅酸盐学会科学技术二等奖。

通讯作者，陈照峰。博士、南京航空航天大学教授、博士生导师，长期从事真空绝热板、气凝胶和陶瓷基复合材料研究，发展陶瓷增材制造与化学气相沉积技术，积极推广在航空航天、核电、南极站、冷链和建筑等领域应用，教学科研成果丰硕。先后承担了国家自然科学基金重大研究计划重点项目、国家自然科学基金中核技术联合基金重点项目、科技部国际科技合作、国家重点研发深海专项、江苏省科技重点专项、江苏省科技成果重大转化等国家及省部项目，并承担了航天五院、西飞、中国原子能院等单位重大型号研制项目20余项，承担研制的轻质纳米泡沫绝热材料成功应用于我国祝融号火星车；承担研制的轻质纳米真空绝热板成功应用于我国问天实验舱低温实验深冷存储装置，实现了真空绝热板“首问太空”。目前已发表论文200余篇、授权专利100余项，出版专著译著5本，编写国标军标行标4项，获省部级以上科技进步奖6项。曾应邀在瑞士联邦理工大学、加拿大维多利亚大学、伦敦布鲁克大学和美国费朗霍夫研究所，以及重要国际学术会议上作特邀报告30余次，加强国际交流，推动我国绝热节能材料国际化。

通讯作者，杨丽霞。博士、南京航空航天大学副教授、硕士生导师，主要面向航空航天国家重大需求开展轻质隔热材料和热/环境障涂层研究，先后主持国家自然科学面上基金、国家自然科学青年基金、国防装备预研领域基金、航空基金、科技部外专项目等项目，作为南航负责人承担国家重点研发计划青年科学家项目子任务、江苏省重点研发产业前瞻课题和宁波市重大科技攻关项目，作为核心成员参与国家自然科学基金重大研究计划、国家自然科学基金联合基金重点项目、空军装备预先研究项目、江苏省省市联合基金等项目。获江苏省硅酸盐学会科学技术奖一等奖（1/5）和上海市发明展金奖，以第一作者/通讯作者在Acta Mater.、J.Am.Ceram.Soc.、Sens. Actuator B.等SCI发表论文38篇、中文核心期刊论文2篇，授权发明专利13项，出版隔热材料学术专著（副主编），出版《无机非金属材料学》（第3版）教材（主编），编写中国绝热节能材料协会团体标准（2/14）。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。