闪烧是近几年新发展起来的一种烧结方法,在一定温度下对样品施加一个电场,当电场强度达到某个临界值时,出现功率激增、电导突变以及快速致密化等特殊现象。闪烧具有烧结温度低、快速致密化等优点,从根本上解决了传统烧结方法扩散速度慢、烧结温度高、时间长的问题,受到国内外研究者的高度重视。然而,由于闪烧过程的瞬时性(一般在几秒钟)问题,闪烧发生的机理以及缺陷的产生和快速迁移等科学本质尚不明了。系统的研究闪烧过程中的缺陷演变过程对应深入理解闪烧机理具有重要意义。本文以3 mol%氧化钇稳定的氧化锆(3YSZ)陶瓷为研究对象。研究起始炉温、电场强度、电流密度和稳定时间等闪烧工艺参数调控对3YSZ缺陷浓度、微观结构以及电性能等方面的影响,并结合理论模型计算、显微结构分析揭示闪烧过程中氧空位等缺陷的形成与演变规律及其对电性能的影响。主要研究内容分为以下四个部分:第一,研究电流密度和炉温对闪烧稳定阶段3YSZ电导率的影响,比较有无电场时的电导率差异,定量计算外加电场产生的额外氧空位,探究不同闪烧工艺对额外氧空位的影响及其演变规律,阐明额外氧空位对3YSZ导电性和导电机理的影响;第二,探究氧分压对闪烧孕育阶段、缺陷演变规律及导电性的影响;第三,利用阻抗分析研究闪烧3YSZ不同区域电性能差异,定量计算不同区域的氧空位浓度并讨论其变化规律,阐明氧空位浓度对晶粒电阻、晶界电性能影响的科学本质;第四,通过扫描电镜和透射电镜分析不同区域的位错、层错数量与演变规律,阐明氧空位对闪烧过程中高维缺陷产生的作用机理。主要结论包括以下四个方面:(1)调控外加电场的电流密度可以改变闪烧稳定阶段3YSZ的电导率、功率耗散和样品实际温度,三者随电流密度的变化成正相关。外加电场产生的额外氧空位使稳定阶段3YSZ的电导率高于无电场作用时的电导率。额外氧空位计算结果表明,参与导电的有效氧空位浓度随电流密度先增大后减小,高电流密度使氧空位聚集形核成为高维缺陷,随电流密度增大,对氧空位的约束能力增加使导电率下降。不同炉温闪烧时同样存在上述趋势,但炉温在600℃及以下时,电导率和有效氧空位无明显规律,推断可能低温氧空位产生少,受误差影响较大。(2)无氧环境下的闪烧的孕育时间、稳定阶段功率和电阻均小于有氧条件的。700℃炉温下,氧分压为0.05-0.1的孕育时间比纯氧环境下大,在低氧条件下氧空位和负电载流子结合形成中性氧空位空间电荷层,消耗氧空位,使导电率降低,导致孕育时间大幅增加;当氧分压超过0.25,孕育时间随着氧分压的增大,从225 s延长到250 s,氧分压的提高抑制电化学反应中氧空位的生成,导致孕育时间延长。(3)阻抗结果表明闪烧3YSZ不同区域的电性能差异巨大。根据双肖特基势垒模型定量计算不同区域的氧空位浓度,结果表明阳极和中间区域的氧空位浓度比阴极和无电场区域的高约4倍。阴极区域存在大量中性氧空位,降低了阴极区域的电导率,增加了晶界层厚度。电场强度的提高促进了中性氧空位的形成,提高了晶界阻抗;电流密度的提高会加速载流子迁移,提高晶界电导率;延长稳定阶段时间可以提高材料致密度,从而降低材料电阻。(4)SEM和TEM结果表明,阴极区域存在大量高维缺陷(孪晶及孔隙);电流密度是高维缺陷形成的关键因素,当电流密度高于某一临界值时才能使氧空位点缺陷聚集形成孔隙;增大电场强度可以使孔径尺寸变大、数量增多;相比之下,稳态时间对孔隙的形成和形貌没有明显的影响。