Reversible flash-bonding of zirconia and nickel alloys

Ultrafast synthesis and densification of ZrO2 doped KNN ceramics by reactive flash sintering

“…Apparently, under a constant electric field, the increased conductivity is helpful to quickly reach the power dissipation for flash, thereby leading to the reduction of flash temperature. Additionally, the enhanced conductivity may lead to the change of predominant conduction behavior of the sample from ionic to electronic, which is a key aspect enabling the occurrence of the flash sintering 10,56,57 …”

“…Additionally, the enhanced conductivity may lead to the change of predominant conduction behavior of the sample from ionic to electronic, which is a key aspect enabling the occurrence of the flash sintering. 10,56,57 Due to the similar radius and comparable chemical properties of the Zr 4+ to those of Nb 5+ , the doped Zr 4+ could diffuse into the KNN lattice and occupy the Nb site, resulting in the formation of defects. The defect reaction can be described using the following equation:…”

Research Progress on the Flash Sintering Mechanism of Oxide Ceramics and Its Application

“…在恒温闪烧氧化钇稳定氧化锆陶瓷的孕育阶段， 试样两端加载有恒压直流电场，通过试样的电流随 着加载时间延长在缓慢增加，如图2所示。Gao等 [13] 对3mol%氧化钇稳定氧化锆陶瓷(3YSZ)在闪烧孕 育阶段的电压-电流曲线进行了精确测试，研究发现： 当加载电场较小时，在加载瞬间(约0.5 s，试样温 度变化可忽略不计)测得的电压与电流呈典型的线 性关系；当加载电场超过临界值后，测得的电压与 电流偏离线性关系，呈现出明显的非线性特征。即 使考虑焦耳热对试样温度和电导的影响， 3YSZ试样 在高于临界电场条件下测得的电导率也明显偏大。 这说明在闪烧过程中出现的非线性电导现象与加载 的临界电场密切相关。 我们认为在临界电场作用下， 通过内部缺陷反应产生了额外的氧空位 [13][14][15] ，随着 孕育时间的延长，内部缺陷反应注入的氧空位数目 增多，试样的电导率不断升高，从而使3YSZ试样在 闪烧过程中出现非线性电导的特征。加载的电场和 试样的初始温度越高，越有利于产生额外氧空位， 样品的电导率增加得越快。 氧化钇稳定氧化锆陶瓷样品在加载临界电场后 会发生明显的电化学黑化现象(见图3a)，这间接 证明了临界电场作用会提高氧空位浓度。图3b所示 的电子顺磁共振波谱仪(EPR)的测试结果也证明 闪烧后3YSZ样品靠近正极端的氧空位浓度相比闪 烧前有大幅提高。改变闪烧时的氧分压，闪烧的孕 育过程也会随之发生变化。高氧分压条件下，需要 更高的温度和更长的孕育时间来引发闪烧，这说明 氧空位浓度与闪烧孕育过程密切相关 [8] 。由于原位 研究闪烧样品的点缺陷存在巨大的技术挑战，相关 实验验证还有待进一步探索。 在氧化钇稳定氧化锆陶瓷的闪烧孕育阶段，可 以观察到靠近负极端先发生电化学黑化。随着孕育 时间的延长，黑化区域会不断向正极扩展，当黑化 区域到达正极端后，闪烧就会被引发 [16] 。我们认为 闪烧的引发过程与氧化锆样品的电导行为密切相关。 在孕育阶段，虽然氧空位浓度大幅增加，但是试样 a b 仍以离子电导为主。在临界电场的作用下，电子可 以从负极进入氧空位，并形成色心，导致氧化锆试 样靠近负极端先发生黑化(见图3a)。随着加载时间 延长，被氧空位捕获的电子数目越来越多，电子又 借助氧空位由负极逐渐向正极运动，当电子借助色 心到达正极后，将在瞬间形成电子电导，使得通过 试样的电流迅速升高，直至达到限定电流的大小， 从而引发闪烧。Yadav和Raj [17] 报导的电导激活能测 试结果表明，闪烧阶段的电导激活能小于氧离子的 扩散激活能； Jo和Raj [18] 通过电化学阻抗谱测试也证 实了这种由离子电导向电子电导转变的闪烧引发机 制。 Cologna 等 [19] 认为闪烧的引发过程可能与 Frenkel 缺陷的雪崩相关。在临界电场作用下，氧化锆陶 瓷试样达到 Debye 温度后， 会产生大量的 Frenkel 缺 陷，当缺陷积聚到一定程度，就会发生缺陷雪崩， 使得电流迅速增加，引发闪烧。焦耳热失控也被认 为可能是引发闪烧的原因 [20][21][22] ，当积聚的焦耳热超 过样品因对流、辐射和热传导损失的热量时，就会 造成试样温度快速上升， 从而导致试样电导率增加， 通过试样的电流也快速增大。…”

“…基于闪烧过程中由临界电场所激发的低温快速 传质，本团队发明了同种陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属，甚 至异种陶瓷/陶瓷之间快速连接的闪焊技术。利用闪 焊技术， 我们实现了3YSZ陶瓷和镍基高温合金之间 的连接 [14] ，在800 o C下，通过施加临界电场，可以 在合适的限制电流密度下瞬间实现界面的强结合， 结合强度达到133 MPa。闪焊由内部缺陷反应生成 氧空位和金属镍扩散填充氧空位聚集形成的孔洞与 裂纹两个相互竞争的过程来控制，只有在合适的条 件下，孔洞和裂纹形成的速率低于金属镍的填充速 率才能获得良好的结合强度。由于氧空位在电场作 用下由正极向负极运动，当反向加载电场时，会使 连接好的3YSZ陶瓷与镍基高温合金快速脱开，因此 闪焊过程主要依赖于临界电场作用下氧化锆陶瓷中 出现的内部缺陷反应。 我们还在3YSZ陶瓷与钛合金 的闪焊连接中进一步验证了上述机理 [34] 。 如图6所示，3YSZ陶瓷与3YSZ陶瓷之间也可以 通过闪焊技术连接在一起 [35][36] [37] ， 以及3YSZ与氧化铝陶瓷 [38] 。 图6 两个3YSZ陶瓷块与夹在其中间的3YSZ陶瓷薄板闪焊 成一个整体构件的照片 Fig. 6 Picture of an integrated component flash joined from two 3YSZ blocks and a 3YSZ thin plate…”

Promoting microstructural homogeneity during flash sintering of ceramics through thermal management

“…In addition to reducing energy consumption, FS enables other enhancements to glass and ceramic manufacturing. 11 The flash event can be used to facilitate the synthesis of complex oxides, 12 formation of ceramic-ceramic 13 and metal-ceramic 14,15 joints, and viscous 16 and plastic 17 deformations. The flash event has also allowed the consolidation of microstructures 18 and phases 19 that cannot be achieved via conventional heating.…”