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

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Liu D, Shao G, Tai X, et al. Field assisted sintering: Overview of thermo–electro–mechanical coupling effects. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221276

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221276

ResearchGate：Field assisted sintering：Overview of thermo-electro-mechanical coupling effects

基金支持：本项目获国家自然科学基金（52272074, 52322207, 52472064, 52400208, 52077118）、四川省科技计划（2021JDJQ0019）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515030136）、江西省重点研发计划（20243BBG71028）、陕西省自然科学基金（2024JC-YBMS-349）以及韩国教育部基金（RS-2024-00444460）的资助。

一、导读

在材料科学与工程领域，烧结技术始终是决定材料性能的关键“临门一脚”。然而，传统高温烧结长期面临“高能耗、粗晶粒、性能瓶颈”三大难题，严重制约着高性能材料的发展。本文系统综述了以振荡热压烧结、冷烧结、高压/超高压烧结、放电等离子烧结、超快高温烧结和闪烧为代表的新一代场辅助烧结技术。这些技术通过巧妙的协同温度、压力、电场等多物理场，不仅颠覆了传统烧结的“慢工出细活”模式，更在极短时间内、远低于常规的温度下，实现了材料的快速致密化与微观结构的精准调控，为制备超细晶、纳米晶、多功能复合等高性能材料开辟了新路径。本文将带您深入探索这场由多场耦合驱动的烧结技术革命。

二、研究背景

传统的陶瓷及粉末冶金材料烧结，主要依赖长时间的高温处理来驱动原子扩散，从而实现致密化。然而，这种方法能耗巨大，且长时间的高温容易引发晶粒异常长大，恶化材料力学性能。尤其对于碳化物、硼化物等强共价键材料，其极低的自扩散系数使得常规烧结难以致密。

为了攻克这些难题，研究人员将目光投向了引入外部物理场（如力场、电场）与热场协同作用。这种“多场耦合”的思路，旨在从原子尺度到宏观尺度，为物质传输提供新的驱动力和快速通道，从而打破传统热扩散的局限。从早期的热压，到本世纪以来快速发展的闪烧、冷烧结、超快高温烧结等，场辅助烧结技术正以前所未有的速度和效率，重塑材料制备技术的发展格局。

三、文章亮点

1. 全景式技术图谱：六种前沿技术首次同台亮相

本文首次将振荡热压烧结、冷烧结、高压/超高压烧结、放电等离子烧结、超快高温烧结和闪烧六种前沿技术置于“场辅助烧结”的统一框架下进行系统梳理。从设备原理到工艺演化，从力场辅助到电场主导，为读者呈现了一幅从传统烧结到现代智能烧结的完整技术发展路线图。

2. 深度机制解析：揭秘“极端性能”背后的物理根源

文章不止于技术介绍，更深入剖析了各技术背后的核心科学问题。例如，在振荡热压烧结中，动态压力如何通过诱导塑性变形、引入高密度位错，使氧化锆陶瓷强度创纪录地达到1.8 GPa？冷烧结如何借助“溶解-沉淀”机制，在300 ℃以下实现超低温致密化？闪烧又是如何通过焦耳热、缺陷雪崩与介电击穿的多重协同，将烧结时间压缩至秒级？这些从“工艺-结构-性能”关联入手的深度解析，为理解材料的极端性能提供了深刻的物理基础。

3. 从实验室到工业化的桥梁：指明绿色智能制造新方向

文章在总结各技术独特优势的同时，专门探讨了当前面临的共性挑战—如多场耦合机理的定量描述、微观结构的跨尺度调控。更重要的是，它结合机器学习和智能化制造的前景，指出了场辅助烧结技术从实验室走向工业应用的具体路径，为下一代高性能材料的绿色、高效、智能制造提供了极具价值的方向性指导。

四、研究结果及结论

场辅助烧结技术，作为通过协同调控力、热、电等多物理场的先进烧结工艺，正成为下一代绿色、精准、智能材料制造的核心方向。其技术有效性已在陶瓷、金属、复合材料等多个体系中得到广泛验证：振荡热压烧结使氧化锆强度突破1.8 GPa；冷烧结让材料与聚合物实现室温附近共烧；超快高温烧结将数小时工艺压缩至数秒。尽管各技术机制各异，其共性在于通过外场引入超越热扩散的物质传输路径，实现对晶界、位错等微观缺陷的“主动”调控。

面向未来，场辅助烧结技术将聚焦三大演进方向：一是机理精准化，通过多尺度模拟与先进表征，建立定量的“场-结构-性能”关联模型；二是结构定制化，利用多场耦合的独特调控能力，实现对晶粒尺寸、晶界结构、晶粒取向的原子级设计与优化；三是制造智能化与规模化，借助机器学习与自动化控制，降低设备成本，推动技术从实验室走向工业应用。

基于以上特征，可根据应用目标进行精准技术选择：追求极致性能，宜采用高压或动压辅助技术；追求极致能效与高生产率，应优先选择电场主导技术；处理特殊材料或结构，冷烧结、超高压烧结、放电等离子烧结等各展所长。这些技术的融合与演进，正为高性能材料的绿色、高效、智能化制造开辟全新路径。

五、作者及研究团队简介

刘佃光（第一作者），西南交通大学副教授。主要从事大功率器件用陶瓷基板以及陶瓷场辅助烧结新技术的研究工作。主持国家自然科学基金1项，主研重点项目1项，主研面上项目2项。在先进陶瓷、欧陶、美陶、国际陶瓷等期刊发表论文80余篇，引用1600余次，H指数27。担任《粉末冶金材料科学与工程》期刊编委。

邵刚（通讯作者），郑州大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国家重点研发计划首席科学家；获中国青少年科技创新奖、中国硅酸盐学会青年科技奖、中原青年拔尖人才、河南省高校科技创新人才以及郑州大学青年拔尖人才；兼任中国硅酸盐学会特种陶瓷分会青年工作委员会副秘书长、中国机械工程学会工程陶瓷分会理事、中国硅酸盐学会测试分会理事、中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事、美国陶瓷学会会员以及Journal of Advanced Ceramics、International Journal of Applied Ceramic Technology等期刊编委。主要研究领域：聚合物先驱体陶瓷、高温极端环境传感器以及场辅助陶瓷制备技术等。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金（3项）、中国航发产学研项目以及河南省优秀青年基金等项目10余项。在J. Adv. Ceram.等期刊上发表SCI论文200余篇，ESI高被引论文7篇，获RSC全球top1%高被引中国学者；获高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）二等奖、中国发明专利银奖、中国建材联合会科学技术一等奖、河南省科技进步二等奖、河南省自然科学二等奖等奖励。

Sang-Chae Jeon（通讯作者），韩国昌原国立大学（CWNU）材料科学与工程学院的教授。2014 年在韩国科学技术院（KAIST）获得材料科学与工程博士学位。之后，在韩国原子能研究院（KAERI）担任高级研究员，2019 年加入昌原国立大学。主要从事烧结相关的研究，包括致密化和晶粒生长，并通过先进的烧结技术（冷烧结等）改善块体陶瓷的物理性能。

郭靖（通讯作者），西安交通大学，教授，博导，国家级青年人才，小米青年学者。2009、2015年毕业于西安交通大学获微电子学士学位和电子科学与技术博士学位。2013-2014、2015-2018在美国宾夕法尼亚州立大学进行访学和博士后研究，2019年入职西安交通大学。担任Journal of the American Ceramic Society等期刊编委，主要研究包括冷烧结、电介质陶瓷、低温共烧陶瓷、陶瓷基复合材料。

季伟（通讯作者），武汉理工大学新材料研究所副所长，材料复合新技术全国重点实验室研究员，博士生导师。2017年于武汉理工大学获博士学位。2015-2016年在牛津大学完成部分博士论文工作。主要从事高性能特种陶瓷先进制备技术和使役性能研究，在Nat. Commun. 等期刊发表论文80余篇，授权发明专利18项，获省部级科技一等奖2项，并获美国陶瓷学会Ross Coffin Purdy Award（2019）、Global Ambassador（2025）等5项国际学术奖励。

熊焰（通讯作者），湖北工业大学教授。2009年毕业于武汉理工大学获博士学位。2008-2011年在瑞典斯德哥尔摩大学访问博士生及博士后。入选湖北省“楚天学者”人才计划；主要从事结构-功能一体化先进陶瓷领域相关研究。发表论文60余篇，授权发明专利20余项。现任中国机械工程学会工程陶瓷委员会理事，湖北省硅酸学会理事等。

左飞（通讯作者），广东工业大学副教授，法国国家科研中心博士，美国宾夕法尼亚州立大学博士后，入选广东省“珠江人才计划”；主持国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等各类项目10余项；发表论文50余篇，授权专利10余件；现任中国硅酸盐学会测试技术分会理事、特种陶瓷分会青工委委员，广东省材料研究学会青委会委员等。主要研究方向：烧结理论与过程仿真，绿色高温制造与测控技术。

王希林（通讯作者），清华大学深圳国际研究生院海洋工程研究院党总支副书记，电气工程专业副教授。主要从事电工陶瓷、电力类脑智能研究。近 5 年，共发表 SCI/EI 检索论文 60 篇，授权发明专利20 项，主编/参编国家和能源行业标准 32项，近 5 年获省部级科技奖励 7 项。 担任中国电工技术学会电工产品环境适应性分委会副秘书长，全国电工电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会气候环境试验分技术委员会委员等学术职务。主持国家自然科学基金等纵向课题 10 项，主持国家电网、南方电网科技开发项目 20项。

苏兴华（通讯作者），长安大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。主要从事非平衡态下陶瓷材料的制备及其物性研究工作，发表学术论文70余篇，获得中国发明专利5项。研究工作获得国家自然科学基金，教育部博士点基金，陕西省自然科学基金，陕西省重点研发计划项目等10余项科研基金项目的资助。担任Journal of Advanced Ceramics编委，《无机材料学报》青年编委等。

刘金铃（通讯作者），西南交通大学教授、博士生导师。美国中佛罗里达大学材料科学与工程系博士。主要从事金属基复合材料、电场辅助制造技术和振荡热压烧结技术的研究。主持国家自然科学基金面上项目、青年基金，四川省科技计划等10余项课题。入选人社部留学人员回国创业启动支持计划（重点类）、四川省高层次青年人才计划、四川省学术与技术带头人后备人选。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》期刊编委。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Yao S, Xu X, Chen L, et al. Low-temperature formation of eutectic structures by reactive flash sintering of Al₂O₃–Y₂O₃ composites. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221268

2）Kim S-H, Momjian S, Hong S-M, et al. Combining multiple strategies for fast densification and superior mechanical properties in 8YSZ with cold sintering pre-treatment. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221278

3）Yao S, Wang C, Wen Z, et al. Effect of current path on plasma assisted sintering (PAS) of 3YSZ ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(1): 9221204. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221204

4）Liu Z, He Z, Li Z, et al. Large-diameter ceramic room-temperature flash sintering technology based on new carbon electrodes. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(6): 9221094. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221094

5）Li Y, Zhang M, Chen J, et al. Ceramic-based electromagnetic interference shielding materials: Mechanisms, optimization strategies, and pathways to next-generation applications. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(12): 9221194. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221194

6）Kang S, Zhao X, Wang Q, et al. Ultrahigh voltage-gradient ZnO-based varistor ceramics via hybrid cold sintering process/spark plasma sintering and post-annealing process. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(5): 9221065. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221065

7）Li X, Liu W, Li L, et al. Energy efficient sintering of high-performance ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(11): 9221186. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221186

8）Yao S, Chen L, Liu D, et al. The onset mechanism of flash sintering in Al₂O₃–8YSZ composites. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(10): 9221166. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221166

9）Li M, Li W, Wang Y, et al. Entropy-driven microwave absorption enhancement in hexagonal (Ba_1/3Sr_1/3Ca_1/3)FeO₃ perovskite. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(4): 9221059. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221059

10）Ma C, Liu K, Shao P, et al. Structural evolution and high-temperature sensing performance of polymer-derived SiAlBCN ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(4): 478-485. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220870

11）Huang F, Wang H, Fang C, et al. Improved damage tolerance and oxidation resistance of (Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2Nb_0.2Ta_0.2)B₂–SiC by introducing chopped carbon fibers. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(1): 101-112. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220844

12）Li X, Li L, Si M, et al. Cold sintered BaTiO₃–poly(ether imide) nanocomposites with superior comprehensive performances. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(9): 1453-1460. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220949

13）Ding J, Guo J, Yan R, et al. Cold sintering process: A green route to fabricate thermoelectrics. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(11): 1697-1712. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220965

14）Xiong Y, Luo L, Cheng Y, et al. Defects in the grain interiors of 3 mol% yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal ceramics with 0.25 wt% alumina. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(4): 469-477. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220869

15）Su X, Li W, Chen D, et al. Rapid fabrication of oxygen-deficient zirconia by flash sintering treatment. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(11): 1881-1890. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220976

16）Zhao X, Yang Y, Cheng L, et al. Cold sintering process for fabrication of a superhydrophobic ZnO–polytetrafluoroethylene (PTFE) ceramic composite. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(9): 1758-1766. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220784

17）He H, Shao G, Zhao R, et al. Oscillatory pressure-assisted sinter forging for preparation of high-performance SiC whisker reinforced Al₂O₃ composites. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(2): 321-328. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220685

18）Xue X, Li X, Fu C, et al. Sintering characteristics, phase transitions, and microwave dielectric properties of low-firing [(Na_0.5Bi_0.5)xBi_1−x](W_xV_1−x)O₄ solid solution ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(6): 1178-1188. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220747

19）Li Y, Chi Q, Yan Z, et al. Flash sintering of high-purity alumina at room temperature. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(12): 2382-2388. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220816

20）Zhao X, Yan N, Li Y, et al. Dielectric barrier discharge-based defect engineering method to assist flash sintering. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(5): 1046-1057. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220737

21）Tan L, Su X, Yang J, et al. Facile synthesis of high-entropy zirconate nanopowders and their sintering behaviors. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(3): 498-509. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220699

22）ZHU Y, ZHOU H, HUANG R, et al. Gas-discharge induced flash sintering of YSZ ceramics at room temperature. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(4): 603-614. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0561-3

23）HE H, ZHAO R, TIAN H, et al. Sintering behavior of alumina whisker reinforced zirconia ceramics in hot oscillatory pressing. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(6): 893-900. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0583-5

24）WU A, YAN Z, WANG X, et al. A versatile defect engineering strategy for room-temperature flash sintering. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(7): 1172-1178. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0591-5

25）DONG Y, REN K, WANG Q, et al. Interaction of multicomponent disilicate (Yb_0.2Y_0.2Lu_0.2Sc_0.2Gd_0.2)₂Si₂O₇ with molten calcia-magnesia-aluminosilicate. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(1): 66-74. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0517-7

26）YUAN K, HAN D, LIANG J, et al. Microwave induced in-situ formation of SiC nanowires on SiCNO ceramic aerogels with excellent electromagnetic wave absorption performance. Journal of Advanced Ceramics, 2021, 10(5): 1140-1151. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0510-1

27）NIE G, LI Y, SHENG P, et al. Microstructure refinement-homogenization and flexural strength improvement of Al₂O₃ ceramics fabricated by DLP-stereolithography integrated with chemical precipitation coating process. Journal of Advanced Ceramics, 2021, 10(4): 790-808. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0473-2

28）DU H, ZHANG Q, ZHAO B, et al. Novel hierarchical structure of MoS₂/TiO₂/Ti₃C₂Tx composites for dramatically enhanced electromagnetic absorbing properties. Journal of Advanced Ceramics, 2021, 10(5): 1042-1051. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0487-9

29）SHAO G, JIANG J, JIANG M, et al. Polymer-derived SiBCN ceramic pressure sensor with excellent sensing performance. Journal of Advanced Ceramics, 2020, 9(3): 374-379. https://doi.org/10.1007/s40145-020-0377-6

30）CHEN Y, FAN B, SHAO G, et al. Preparation of large size ZTA ceramics with eccentric circle shape by microwave sintering. Journal of Advanced Ceramics, 2016, 5(4): 291-297. https://doi.org/10.1007/s40145-016-0202-4

31）JEON S-C, YOON B-K, KIM K-H, et al. Effects of core/shell volumetric ratio on the dielectric-temperature behavior of BaTiO₃. Journal of Advanced Ceramics, 2014, 3(1): 76-82. https://doi.org/10.1007/s40145-014-0096-y

《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，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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