科学网—西南交通大学刘金铃团队：反应辅助策略实现Al 2 O 3-YAG共晶陶瓷的低温快速合成-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-4-9 11:01
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Yao S, Xu X, Chen L, et al. Low-temperature formation of eutectic structures by reactive flash sintering of Al 2 O 3 –Y 2 O 3 composites. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221268
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221268
ResearchGate ： Low-temperature formation of eutectic structures by reactive flash sintering of Al 2 O 3 –Y 2 O 3 composites.
基金支持：
本工作获得了国家自然科学基金（ 52272074 ）、四川省科技计划（ 2021JDJQ0019 ）和凝固技术国家重点实验室（ SKLSP202104 ）的资助。
一、 导读
反应闪烧因在低温下快速一步实现多组分粉体的化学反应与烧结而备受瞩目，但反应与闪烧之间的相互作用却鲜有研究。本文以 Al 2 O 3 -Y 2 O 3 和 Al 2 O 3 -Y 3 Al 5 O 12 （ YAG ）为模型研究固相反应（ Al 2 O 3 + Y 2 O 3 → YAG ）对闪烧的影响。结果表明，在恒定 1000 V/cm 电场下， Al 2 O 3 -Y 2 O 3 的闪烧临界炉温相较于 Al 2 O 3 -YAG 低了 350℃ ，这证明固相反应可以大幅降低闪烧炉温。此外，藉助反应辅助策略在远低于共晶温度（ 1820℃ ）的炉温（ 850℃ ）下合成了性能优异的 Al 2 O 3 -YAG 共晶陶瓷，为高性能共晶陶瓷的低温、快速制备开辟了新途径。
二、 研究背景
针对存在反应的多组分陶瓷材料体系，其制备过程一般需要通过高温先将多组分粉体煅烧成目标材料的坯体，随后再进行高温烧结，相对来说工艺复杂且耗时长。反应闪烧（ Reactive flash sintering ， RFS ）因能够在电场作用下 低温快速（数秒 ~ 数十秒）同步 实现多组分粉体的化学反应与烧结而引起了陶瓷工作者的广泛关注。当前，反应闪烧领域的学者普遍认为电场会极大促进反应——电场作用下的反应速率远超传统热驱动反应速率。然而，反应闪烧的研究多集中于新材料合成和闪烧参数优化。事实上，几乎没有研究关注反应与闪烧之间的相互作用，而这对理解反应闪烧机制以及拓展闪烧应用至关重要。基于此，本文以 Al 2 O 3 -Y 2 O 3 和 Al 2 O 3 -YAG 为模型，首次揭示了固态反应（ Al 2 O 3 + Y 2 O 3 → YAG ）对引发闪烧的促进作用，并对反应闪烧过程中试样的物相演化、微结构特征进行了系统分析。
三、文章亮点
(1) 固相反应大幅降低闪烧临界温度： 在相同电场强度下， Al 2 O 3 -Y 2 O 3 的闪烧临界温度（ 850℃ ）远低于 Al 2 O 3 -YAG （ 1200℃ ）以及相应的单相陶瓷，证实了固相反应对闪烧临界温度的降低作用，提出了一种反应辅助低温制备多相陶瓷材料的方法。
(2) 低温合成 Al 2 O 3 -YAG 共晶陶瓷： 反应辅助策略大幅降低了 Al 2 O 3 -YAG 共晶陶瓷的制备温度。通过反应闪烧在远低于共晶温度（ 1820℃ ）的炉温（ 850℃ ）下合成了性能优异的 Al 2 O 3 -YAG 共晶陶瓷，为高性能共晶陶瓷的低温、快速制备开辟了新途径。
四、研究结果及结论
图 1 对恒定电场下不同陶瓷坯体的闪烧行为进行了系统研究。 Al 2 O 3 -Y 2 O 3 的闪烧临界炉温（ 850℃ ）不仅低于单相 Al 2 O 3 （ >1700℃ ）和 Y 2 O 3 （ 900℃ ）。最重要的是，其闪烧临界炉温远低于不存在反应的 Al 2 O 3 -YAG ，这充分说明固相反应的存在可以促进闪烧的启动。
图 1 恒定 1000 V/cm 电场下不同陶瓷坯体的闪烧行为，其中 AY-1 ， AY-2 和 AY-3 代表不同类型的 Al 2 O 3 -YAG 生坯
图 2 是低温反应闪烧过程中不同阶段试样的物相演化。结合图 1 可以看到， Al 2 O 3 + Y 2 O 3 → YAG 在闪烧孕育阶段便被启动，并且在闪烧阶段（点 4 ）迅速完成（完全生成 YAG ）。相较之下，传统热驱动完成这一反应需要在 1350℃ 下长时间保温。通过该结果可知： 1) 电场极大地加速了反应速率； 2) 短时剧烈的反应必然会影响到闪烧引发。我们认为反应对闪烧的影响主要体现在两个方面：一方面，固相反应是一个放热的过程，释放的热量可能会引起试样局部电导率提高；另一方面，电场驱动反应的过程中会产生大量的缺陷，从而进一步提升试样电导率。这种反应导致的试样整体电导率提升是闪烧炉温大幅降低的关键。
图 2 图 1c 中反应闪烧不同阶段试样的物相演化
图 3 是在 850℃-1000 V/cm-20 mA/mm 2 的条件下反应闪烧 30 s 试样的微观结构。 Al 2 O 3 -Y 2 O 3 生坯不仅在低温短时间内被烧结成致密的 Al 2 O 3 -YAG 块体，试样中还存在一条宏观衬度显著的“通道”，“通道”内呈现经典的象形文字 Al 2 O 3 -YAG 共晶结构，如图 3 所示。一般来说，共晶陶瓷的制备需要高温热源（如高能激光）将前驱体加热至共晶温度以上熔融（ Al 2 O 3 -YAG 共晶温度为 1820℃ ），随后熔体冷却形核生成共晶结构。但在本研究中，在反应和电场的共同作用下，精细且致密的共晶结构只需 850℃ 的炉温即可生成。因为电流作用使得试样的温度高于炉温，但目前还缺乏精确可靠的温度测量工具 / 方式来评估试样实际温度，所以这种共晶结构是电场作用下的“固态”共晶转变还是局部熔体冷却仍处于争议中，但当前的结果表明反应闪烧无疑是一种高效、低能耗的共晶制备工艺。
图 3 反应闪烧试样不同区域的共晶结构，黑色相为 Al 2 O 3 ，灰色相为 YAG
共晶陶瓷的力学性能与其独特的象形文字结构密切相关，界面结合紧密的精细共晶片层会赋予其优异的综合力学性能。图 4 采用压痕法对反应闪烧共晶的力学性能进行了评估。虽然反应闪烧共晶的生成温度低，但其硬度和韧性已经媲美于同种类型的凝固共晶。此外，在我们另一项研究中发现，闪烧共晶的片层厚度随着时间的延长会逐渐细化至接近纳米尺度，这会进一步提高其硬度，甚至突破已有报道的最高值。总之，通过反应闪烧在远低于共晶温度的炉温下合成了性能优异的 Al 2 O 3 -YAG 共晶陶瓷，这为高性能共晶陶瓷的低温、快速制备开辟了新途径。
图 4 反应闪烧共晶的压痕形貌，裂纹扩展路径以及与同种凝固共晶陶瓷的性能对比
五、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
姚曙（第一作者）， 西南交通大学材料科学与工程学院博士研究生，主要从事新型电场辅助烧结技术和高性能陶瓷材料的场辅助制造等方向的研究，已发表学术论文 10 余篇。
E-mail: shuyao@my.swjtu.edu.cn
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Yao S, Chen L, Liu D, et al. The onset mechanism of flash sintering in Al 2 O 3 –8YSZ composites. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(10): 9221166. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221166
2 ） 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
3 ） 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
《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。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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