研究:电场使陶瓷生产速度更快，成本更低

北卡罗莱纳州立大学的研究人员发现，在较低的温度下，应用小电场可以更快地形成陶瓷产品，并提高陶瓷本身的强度。

争论的焦点是一个被称为烧结的过程，这是大多数陶瓷产品的制作方法。这一过程包括取细陶瓷粉末，将其压缩成最终产品所需的形状，并对其加热。在高温下，粉末材料的原子通过扩散粘合——这意味着不同粉末颗粒的原子四处移动，将细小的粉末颗粒粘合在一起。烧结消除了陶瓷产品中的孔隙，这大大增强了材料的强度。

“通过应用一个60赫兹交流电(AC),我们能够消除孔隙度在1250摄氏度——而不是1500摄氏度需要没有电场,”汉斯·康拉德博士说,名誉教授材料科学与工程研究的合著者之一。此外，研究人员能够将陶瓷的晶粒尺寸减少63%——生成的晶粒直径为134纳米(纳米)，而不是使用传统烧结方法生成的直径为360纳米的晶粒。晶粒越小，陶瓷越坚固，因为晶粒越大，裂缝越容易形成和扩展。

陶瓷是一系列产品的重要组成部分，包括绝缘体、火花塞、燃料电池、防弹衣、燃气轮机、核棒、高温球轴承、高温结构材料和隔热罩。

研究人员利用直流电(DC)产生的电场获得了类似但不那么重要的结果。在1400摄氏度的高温下，采用DC技术消除了孔隙，晶粒尺寸减小到直径217 nm，这两项技术都比目前的烧结技术有了显著的改进。交流电和直流电的电压为13.9伏/厘米。

康拉德说:“我们发现，使用小电场——电流仅为每厘米平方6 / 10到8 / 10安培——可以在晶粒尺寸更细的情况下提高烧结速度。”换句话说，陶瓷制造商可以通过使用廉价的电场更快、更便宜地制造他们的产品——同时也使他们的产品更坚固。

康拉德说:“你不用太多的能源，而且你把它放在需要的原子位置，而不是使用更多的能源在窑炉中产生更高的温度，这是效率较低的。”“如果你想制造一种坚固的陶瓷，你就想要消除孔隙，并尽可能地保持颗粒大小。你想要以最低的成本完成它——这意味着使用最小的能量，在最低的温度下以最快的速度完成它。使用电场可以实现所有这些目标。”

“通过应用小交流电场提高氧化锆(3Y-TZP)的烧结速率”一文中描述了这项研究，该研究将发表在即将出版的一期Scripta Materialia．该论文的主要作者是北卡罗来纳州立大学的高级研究员杨迪博士。这项研究源于杨和康拉德之前的工作，由美国陆军研究办公室资助。

康拉德和杨目前正在研究电场频率和强度的影响，并研究其他陶瓷材料。

材料科学与工程系是北卡州立大学工程学院的一部分。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

应用小交流电场提高氧化锆(3Y-TZP)的烧结速率

作者: Di Yang, Hans Conrad，北卡罗莱纳州立大学

发表:即将出版,2010年,Scripta Materialia

文摘:较小的初始电场E0= 13.9V/cm提高了氧化锆(3Y-TZP)粉末的烧结速率，60Hz的交流电场比直流电场的烧结速率更大。两场的增强均与SEM直接观察到的晶粒生长阻滞以及晶粒生长和塑性变形过程中发生的阻滞相一致。给出了影响观察到的行为的一些因素。