导读

近日，来自圣地亚哥州立大学（SDSU）与加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Runjian Jiang (蒋润剑) 与Eugene A. Olevsky团队，在粉末材料烧结领域提出了一种全新的电纳秒脉冲辅助烧结（Electric Nanosecond Pulsing, ENP）非平衡加工范式。这种超短高强电脉冲能够在远短于热扩散时间尺度内，将能量精准集中于粉末颗粒接触界面，从而诱导局域焦耳热、瞬态熔化及快速界面连接，而整体材料几乎不发生传统烧结中的体积升温与晶粒粗化。该工作突破了传统烧结依赖长时间热扩散的基本逻辑，为超快、低能耗、界面主导型先进材料制造建立了新的理论与技术框架。

图文解读

图1直观展示了ENP技术最核心的科学突破，即在极短时间内实现粉末颗粒之间的选择性界面连接，而精准抓住了在传统烧结中的整体致密化过程中难以保留的状态。研究团队对316L不锈钢粉末施加仅两个持续时间为1 μs的电脉冲后，原本松散接触的颗粒之间便形成了明显的冶金结合界面。值得注意的是，颗粒整体形貌几乎保持不变，并未出现传统烧结中常见的大尺度收缩和整体致密化现象。更进一步，在颗粒接触区域观察到了由局部瞬态熔化和快速凝固形成的纳米级细晶结构，说明ENP所产生的超强局域焦耳热能够精准激活颗粒界面，而不会显著影响颗粒内部区域。这种“界面结合”与“整体收缩”之间的解耦，有别于传统炉烧结以及SPS等工艺。在传统烧结中，界面连接往往必须伴随着长时间整体升温和晶粒粗化，而ENP则首次证明材料可以在微秒尺度下，仅通过界面瞬态激活实现颗粒间的快速连接。这意味着未来有望构筑兼具高强度与高孔隙率的层级结构材料，并为多孔金属、增材制造以及亚稳态材料设计提供全新的加工思路。

图1.经超快速ENP辅助烧结后，316L不锈钢粉末团聚体中粉末接触点的形貌。(A) 原始粉末中未出现重结晶熔体的粉末接触点；(B) 经一次 1 μs脉冲处理后，粉末接触点处的细晶；(C) 经两次连续 1 μs脉冲处理后，粉末接触点处的细晶。

论文中，作者利用“pressure-assisted sintering（压力辅助烧结）”与“furnace-free ultra-fast sintering（无炉超快烧结）”为示例，验证了ENP技术作为全新非平衡烧结范式的普适性与可扩展性。图2重点展示了ENP在金属粉末压力辅助烧结中的行为。研究人员对316L不锈钢粉末施加高强度纳秒脉冲与外部压力后发现，仅在总处理时间约100 μs的条件下，颗粒之间便形成了明显的烧结颈生长与局部致密化现象。实验结果显示，颗粒接触区域由于局域焦耳热与强电场耦合作用发生快速软化、局部熔化以及原子快速迁移，甚至表现出沿电流方向的各向异性烧结颈生长特征。这说明在ENP过程中，电场不仅仅作为热源存在，更可能主动参与界面输运与组织演化过程。与此同时，图3则进一步展示了ENP在陶瓷体系中的无炉超快烧结的能力。研究团队利用超薄Mo金属箔包覆氧化锆压坯，通过ENP脉冲实现了无需传统高温炉预热的一步式超快烧结。实验中，Mo箔首先在电脉冲作用下发生超快速焦耳加热，并进一步将热量与电场耦合传递至氧化锆内部，从而在超快时间内诱导局部致密化以及晶粒长大现象。显微组织结果显示，由于热扩散时间极短，样品内部形成了明显的空间非均匀性，其在表层区域已经发生明显烧结，而中心区域仍接近原始粉末状态。

图2.在电流密度约为 1×1010 A/m2且频率各异的条件下，经连续 1 μs脉冲进行压力辅助烧结后，球形 316L 不锈钢粉末的形貌。(A-D) 频率为 10 Hz 时的二十个连续 1 μs脉冲：(A) 整体视图；(B 和 C) 经此烧结工艺处理后，粉末软化及变形区域的放大视图；(D) 粉末接触区域通过局部熔化形成并生长烧结颈的细节视图；(E) 频率为 1 Hz 时的一千个连续 1 μs脉冲；(F-H) 频率为 100 kHz 时的十个连续 1 μs脉冲：(F) 整体视图；(G) 沿电流方向致密化粉末的放大视图；(H) 垂直于电流方向致密化粉末的放大视图。

图3.经无炉式 ENP 辅助超快速烧结后的 ZrO2样品微观结构。(A) 原始粉末；(B) 中心区域的烧结粉末；(C) 亚表面区域的烧结粉末。

图4揭示了ENP非平衡烧结背后的关键物理机制。通过连续烧结理论（continuum theory of sintering）和多尺度有限元模拟，研究人员直接展示了粉末颗粒接触区域中的极端电流聚集现象。在纳秒电脉冲作用下，颗粒接触点由于几何收缩效应产生强烈电流集中，其局部电流密度甚至可达到颗粒内部的两个数量级以上。这种超强电流聚集进一步导致极端局域焦耳热的产生。模拟结果表明，在几十纳秒内，颗粒接触界面的局部温度即可迅速超过材料熔点，而颗粒整体温度却几乎没有明显升高，从而形成一种独特的“时空解耦热响应”，即时间上加热速度快于热扩散，空间上界面温度远高于整体温度。与此同时，界面区域还伴随着显著的热应力集中以及可能的电迁移效应，这意味着ENP不仅仅是简单的热效应过程，而是一种电热力多场耦合驱动下的界面输运机制。该研究进一步提出，未来烧结过程的核心控制对象将不再是材料整体，而是颗粒界面本身。换言之，ENP正在将传统烧结从“整体平衡扩散主导”定义为“界面非平衡激活主导”的新型材料加工范式。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

图4.316L不锈钢ENP辅助烧结过程的微观电热力学模拟。(A) 示意图展示了由50 μm 316L颗粒构成的3×3阵列，在施加脉冲持续时间为100 ns的ENP作用下的情景；(B) 模拟结果展示了在100 ns脉冲时刻，粉末阵列内部的电流密度、温度、温度梯度及应力分布；(C) 粉末体积及边界温升在100 ns脉冲过程中的随时间演变。

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/etm/EN/10.2738/ENGTM.2026.0005