Flash-Sintern von keramischen Materialien

Beim Flash-Sintern können keramische Materialien innerhalb von Sekunden bei Anlegen eines elektrischen Feldes und erhöhter Temperatur zu hoher Dichte sintern. Dieser Prozess, der bei niedrigeren Ofentemperaturen und in kürzeren Zeiten als sowohl das konventionelle keramische Sintern als auch feldunterstützte Methoden wie das Funkenplasma-Sintern stattfindet, hat das Potenzial, den Energieverbrauch für die Dichtebildung keramischer Materialien radikal zu reduzieren. In diesem Papier wird die experimentelle Arbeit zu Flash-Sintermethoden, die bisher durchgeführt wurden, überprüft und die Eigenschaften der gewonnenen Materialien mit denen, die durch konventionelles Sintern hergestellt werden, verglichen. Der Flash-Sinterprozess wird für Oxide von Zirconium, Yttrium, Aluminium, Zinn, Zink und Titan beschrieben; Silizium und Borcarbid, Zirconiumdiborid, Materialien für feste Oxid-Brennstoffanwendungen, ferroelektrische Materialien und Verbundmaterialien. Obwohl experimentelle Beobachtungen an einer breiten Palette von Materialien gemacht wurden, bleibt das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, die für den Beginn und die späteren Phasen des Flash-Sintern verantwortlich sind, nach wie vor schwer fassbar. Elemente der vorgeschlagenen Theorien zur Erklärung des beobachteten Verhaltens umfassen extensive Joule-Erwärmung im gesamten Material, die zu einem thermischen Lauf ins Unkontrollierbare führt, gestoppt durch die Strombegrenzung in der Stromversorgung, und die Bildung von Defektlawinen, die die Probenleitfähigkeit schnell und dramatisch erhöhen. Zweifellos wird der Flash-Sinterprozess von der elektrischen Feldstärke, der Ofentemperatur und der Stromdichtegrenze beeinflusst, aber auch von mikrostrukturellen Merkmalen wie der Anwesenheit von Zweitphasenpartikeln oder Dotierstoffen und der Partikelgröße im Ausgangsmaterial. Während weitere experimentelle Arbeiten und Modellierungen erforderlich sind, um ein vollständiges Verständnis zu erreichen, das in der Lage ist, den Erfolg des Flash-Sinterprozesses in verschiedenen Materialien vorherzusagen, birgt die Technik dennoch großes Potenzial für eine außergewöhnliche Kontrolle des keramischen Sinternprozesses.