高熵陶瓷是一种具有一个或多个Wyckoff位点的无机化合物的固溶体, 其中多个主元素的原子比相等或接近相等^[1]。高熵氧化物陶瓷(MgCoNiCuZn)O (HEO)作为首个被发现的高熵陶瓷^[2], 不仅为发现新材料提供了新思路, 而且其本身及其衍生物也具有很好的性能, 在能量储存^[3⇓⇓-6]、热和环境保护^[7⇓-9]、催化^[10-11]等方面有很好的应用前景。

块状高熵陶瓷HEO的合成方法主要有传统烧结^[2]、放电等离子烧结^[12]和闪烧^[13]等。其中, 闪烧以其显著加速固相反应和诱导相变而备受关注^[14]。本课题组^[14]采用反应辅助闪烧成功地在室温下合成了HEO, 与传统烧结相比, 五元混合氧化物在几十秒内完全转变为单一的岩盐相。分析表明, 电场显著加快了相变速率, 验证了采用反应辅助闪烧技术合成熵稳定氧化物的可行性。随后, Yoon^[15]和Kumar^[16]等也得到了类似的结果。但是, 上述研究得到的高熵陶瓷相对密度较低, 难以研究其性能。为了探究闪烧合成HEO的性能, 本研究利用闪烧合成技术低温快速传质的特性, 合成了相对致密的高熵氧化物陶瓷(MgCoNiCuZn)O, 并与传统烧结试样的性能进行了对比。

1 实验方法

以NiO、CuO、ZnO、MgO、Co₃O₄五种纳米粉体为原料, 使用行星式球磨机将n(NiO) : n(CuO) : n(MgO) : n(ZnO) : n(Co₃O₄) = 3 : 3 : 3 : 3 : 1的纳米粉体在蒸馏水中混合24 h。得到的悬浮液在85 ℃的烘箱中烘干后置于研钵中研磨得到混合粉体。再将粉体在25 MPa的单轴压力以及290 MPa的冷等静压压力下压制成狗骨状生坯。在500 ℃空气中烧结2 h以去除黏结剂, 预处理坯体的密度在55%左右。使用直流电源(APS DCP1200-1, Adaptive Power System)在试样上施加电场, 当电流密度达到最大值后保持一段时间, 然后断开电源, 迅速取出样品, 让样品空冷。作为对比, 在管式炉(OTF-1200X, 合肥科晶)中以5 ℃/min的速率升温, 到达设定温度后保温2 h, 然后迅速取出得到传统烧结样品。闪烧和传统烧结的具体实验参数如表1所示。

使用X射线衍射仪(XRD, PANalytical Empyrean, Netherlands)分析样品标距段的晶体结构。利用阿基米德排水法测量样品的密度。采用黑体辐射(辐射因子0.98)估算得到闪烧第三阶段的平均温度。使用维氏硬度计测量样品标距段的硬度, 每个试样的测试次数为15次。采用德国Novocontrol公司生产的型号为Concept80的宽频介电阻抗谱仪测试样品的常温介电性能。

2 结果与讨论

图1(a)是不同电流密度下典型的闪烧曲线, 在临界电场的作用下, 电流密度与功率由缓慢增加变为激增, 当达到限定电流密度时, 电源转换为恒流模式。值得注意的是, 典型的闪烧曲线在第三阶段为较为平缓的一段曲线, 而当电流密度超过100 mA/mm²时, 在闪烧第三阶段还有一个功率波动的现象。结合图1(b), 当电流密度为100 mA/mm²时, 样品呈多相结构, 而当电流密度>100 mA/mm²时, 样品呈单相岩盐结构, 与之相对应的传统烧结试样C1-C4也均为单相盐岩结构(见图1(e))。由此推测, 形成单相的过程发生在闪烧的第三阶段。图1(c)是电流密度为300 mA/mm², 不同保温时间的功率密度曲线, 结合图1(d)相应的XRD图谱, 可以看到在闪烧第三阶段未经历功率波动的试样(0 s)为多相结构, 而在闪烧第三阶段经历了功率波动的试样为单相试样, 由此表明, 闪烧第三阶段功率波动是由相变引起的。通过闪烧保温阶段样品的照片来看(见图1(f)), 样品的正极一端首先开始变亮, 随着时间延长, 由正极逐渐延伸到负极, 直至标距段完全变亮, 表明相变是从正极一端开始的。

图 1. 不同条件下的闪烧曲线、闪烧样品和传统烧结样品的XRD图谱以及闪烧样品保温阶段的照片

Fig. 1. Flash sintering curves, XRD patterns of samples and pictures of flash sintered sample in the stable stage

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图2显示了闪烧和传统烧结试样的相对密度(绝对密度按6.137 g/cm³计算^[17])。随着电流密度增大, 闪烧试样的密度呈现增大的趋势。闪烧试样的致密度一般与温度场效应以及电场引起的非热效应有关^{[18⇓⇓-21]}。试样的温度受电流密度显著影响, 电流密度越大, 试样温度越高^[22]。为了研究温度场对试样致密度的影响, 采用黑体辐射模型估算闪烧试样的温度, 并在相应温度下制备了传统烧结试样(见表1)。从图2可以看出, 传统烧结试样的致密度随着温度升高而升高, 这说明温度场对试样致密度的影响明显^[18]。有研究者认为闪烧瞬间会使晶界处出现局部高温, 形成液相, 从而提高致密化速率^[23]。除此之外, Zhang^[24]和Ji^[25]等几乎同时提出闪烧瞬间极高的加热速率是造成快速致密化的根本原因, 并通过快速升温烧结实验进行了对比验证。然而, 闪烧试样的密度远高于传统烧结试样的密度, 例如电流密度为300 mA/mm²的闪烧试样, 相对密度为94%, 比传统烧结的相对密度高22.8%, 这难以从单一的温度场效应来解释, 因此电场引起的非热效应可能对试样致密度也会产生重要影响。Ren等^[26]认为临界电场下氧空位的产生和运动会在粉体颗粒间产生库仑力, 这有利于烧结前期的致密化过程, 同时致密化过程中伴随着金属阳离子的快速运动。Cologna等^[27]提出Frenkel缺陷在电场作用下发生雪崩是造成快速致密化的原因。总之, 闪烧试样具有更高致密度是温度场和电场耦合的结果。

图 2. 在300 ℃保温60 s, 不同电流密度下闪烧试样的密度, 以及在对应温度下传统烧结试样的密度

Fig. 2. Densities of samples flash sintered at different current densities at 300 ℃ with holding time of 60 s, and of samples conventionally sintered at the corresponding temperatures

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图3是闪烧试样和传统烧结试样典型的SEM照片。从试样的表面图片来看(见图3(a~d, f~i)), 传统烧结试样含有大量气孔, 密度较低, 而闪烧试样的气孔相对较少, 致密度较高, 并且随着电流密度增大, 孔洞的数量减少。此外, 从试样的断面图片来看(见图3(e, j)), 传统烧结试样(C2)中存在大量连通气孔, 与烧结中期的典型现象一致; 而闪烧试样(F2)中没有观察到连通气孔, 均为孤立封闭气孔, 与烧结后期的典型现象一致, 进一步证明闪烧试样具有更高的致密度。

图 3. 不同电流密度闪烧样品以及相应温度传统烧结样品微观结构对比

Fig. 3. Comparison of microstructures of flash sintered samples with different current densities and conventional sintered samples at corresponding temperatures

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图4是闪烧试样与相应传统烧结试样的硬度。从图4(a)中看出, 闪烧试样的硬度随着电流密度增加而增大。当电流密度为300 mA/mm²时, 闪烧试样的硬度约为(5.05±0.19) GPa, 而传统烧结试样的硬度仅为(1.10±0.18) GPa, 试样的硬度提高了400%。陶瓷材料的硬度主要与晶粒尺寸和密度有关。当晶粒尺寸>0.2 μm时, 晶粒尺寸对硬度的影响可忽略不计^[28]。进一步, 给出试样的硬度随气孔率的变化曲线, 见图4(b)。无论是闪烧试样还是传统烧结试样, 硬度都随气孔率的减小而增大, 且都在一条曲线上, 这说明试样硬度的提高主要归因于致密度的提高^[29-30]。此外, 闪烧试样的硬度值偏差明显大于传统烧结试样, 这可能与直流闪烧试样的微观结构不均匀有关, 这种微观结构的不均匀性在其它闪烧体系中也有报道^[31⇓-33]。

图 4. 闪烧试样和传统烧结试样的硬度(a)及其硬度随气孔率的变化曲线(b)

Fig. 4. Hardness (a) and plot of hardness as a function of porosity(b) of flash sintered and conventional sintered samples

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图5是闪烧试样与传统烧结试样的介电常数的实部、虚部以及介电损耗的数据。闪烧试样低于2 Hz, 介电常数在10³以上; 而传统烧结只有当频率为10^-2 Hz时, 最大介电常数才为10³。值得注意的是, 巨大的介电常数并非是所含有的二价阳离子氧化物的共同特征, 而是形成高熵氧化物的特征^[4]。这可能是源于晶界或者晶粒表面的电荷累积所引起的Maxwell-Wagner极化效应^[34]。在高频(大于10⁴ Hz)下, 传统烧结试样与闪烧试样的介电常数相近, 而在低频(2 Hz)下, 闪烧试样的介电常数比传统烧结试样高一个数量级。图5(c)是不同频率下的介电损耗, 可以看到当闪烧电流密度较大时(如F3), 与相应传统烧结试样的介电损耗相比较大; 但当闪烧电流密度较小时(如F1, F2), 闪烧试样具有更大介电常数的同时, 可以保持与传统烧结试样相近的介电损耗。在低频(<10³ Hz)下, 主要的介电机制为空间电荷极化, 极化程度越高, 介电常数越大^[35]。空间电荷极化是指内部电荷在电场下移动的过程中被这些缺陷捕获, 造成电荷的局部聚集, 使电荷分布不均, 从而引起的极化。在外加电场作用下, 闪烧试样中可能引入大量的缺陷^{[20,26,36-37]}, 从而导致在低频下闪烧试样的极化程度比传统烧结的极化程度大, 这可能是低频下闪烧试样的介电常数比传统烧结试样高的原因。

图 5. 不同电流密度下闪烧试样以及相应温度下传统烧结试样的介电常数的实部(a)与虚部(b)以及介电损耗(c)

Fig. 5. Real (a) and imaginary (b) parts of the dielectric constants, and tangent loss of flash sintered samples at different current densities and conventional sintered samples at the corresponding temperatures (c)

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3 结论

本工作通过闪烧法合成了相对致密的高熵氧化物陶瓷HEO, 并与传统烧结试样的性能进行了对比。在室温, 电场强度为50 V/cm, 电流密度为300 mA/mm²条件下闪烧, 物相转变的时间仅为10 s。闪烧试样最高相对密度为94%, 比传统烧结最高密度提高了22.8%, 这是温度场与电场耦合的结果。闪烧试样的最高硬度为5.05 GPa, 比传统烧结试样高3.95 GPa, 硬度提高归因于致密度增加。当频率<2 Hz时, 闪烧试样的介电常数比传统烧结高一个数量级, 这是由于电场作用下缺陷增多会导致在以空间电荷极化为主要机制的频率范围内闪烧试样的极化程度增大, 因此在低频范围内, 闪烧试样的介电常数远大于传统烧结试样。