电场对陶瓷烧结的影响

2010年我们曾经报道了一些关于电场辅助烧结研究的文章,其中包括多篇来自北卡罗来纳州立大学的Hans Conrad教授的工作。利用交流或者直流的电场的作用,可以有效地降低去除陶瓷材料中的孔洞所需要的烧结温度,同时抑制晶粒的长大。而且电场的作用与加热速度和烧结温度都是不相关的。

目前科学家们提出了两种机制来解释电场对晶粒长大的抑制作用。一种是晶界能(晶粒生长的驱动力)由于电场同空间电荷的作用而得到降低;另外一种解释是在晶界的区域可能会产生焦耳热。

最近Hans Conrad教授又在Journal of The American Ceramic Society上发表了一篇通讯,试图证实第一种机制的可能性。

他们将钇稳定氧化锆(Yttria-stabilized zirconia,3Y-TZP)样品在电场作用下在800~1500°C进行烧结,然后利用扫描电镜观察不同样品中的晶粒尺寸。

通过在晶粒生长方程(将一定时间内晶粒的尺寸同激活能和驱动力相关联)中考虑电场的作用,他们计算得到一个空间电荷势的数值,而且该数值同预期以及实验得到的数值有比较好的吻合。

作者们最后总结道,对空间电荷势和晶界能的理论计算同实验结果有比较好的吻合,从而支持了由于晶界能同空间电荷的相互作用导致了对晶粒生长的抑制。

H. Conrad, J. Am. Ceram. Soc. ; DOI: 10.1111/j.1551-2916.2011.04823.x

该文章原文刊载于美国陶瓷学会的“现代陶瓷技术”博客。