薄膜-衬底系统和多层陶瓷已大范围的应用于多层陶瓷电容器、固体氧化物燃料电池、热障涂层等领域。由于失配应力，在这些陶瓷层中通常会观察到裂纹和裂纹状缺陷。失配应力的一个普遍且重要的原因与多层的受限烧结过程有关，其中不同层发生差异致密化。减少约束烧结中内应力的传统方法是最小化单个致密化率的差异，这通常通过调整各层的化学或物理特性来实现，例如调整每层的生坯粒径或在每一层中添加一些玻璃。然而，这一些方法很难用于许多情况，在这一些状况下，材料的原始成分和微观结构的变化会导致性能下降。
来自上海交通大学的学者通过将一组自由烧结、弯曲蠕变和约束烧结实验与理论分析相结合，比较了传统烧结 (CS)、场辅助烧结技术 (FAST) 和 FS 过程中层状陶瓷的界面拉伸应力。受限 FS 中的界面拉伸应力明显低于 CS 和 FAST，只能用 FS 期间材料的极低单轴粘度来解释。温度、密度和微观结构对单轴粘度降低的可能影响已经过仔细评估，表明电场本身是极低粘度的重要的条件。还讨论了在不同电场水平下单轴粘度降低的可能机制。与之相类似的文章以“Reduced interfacial stresses in laminated ceramics during flash sintering enabled by an extremely low uniaxial viscosity”标题发表在Acta Materialia。
图 1. 用于所有三种测试的装置示意图 (a)，包括自由烧结 (b-b3)、弯曲蠕变测试 (c-c3) 和约束烧结 (d-d3)。实验照片拍摄于三种烧结过程的开始[(b)、(c)和(d)]以及最高温度[(b1-3)、(c1-3)和(d1-3)]流程
图 2. YSZ/PVA-0.5 单层 FS 期间的代表性 (a) 场强和电流密度 (b) 功率密度、试样温度和应变。试样温度由方程式计算。YSZ/PVA-0.5 单层样品在 CS、FAST 和 FS 不同工艺过程中的 (c) 电流密度和应变比较。(d) YSZ/PVA-0.5 和 YSZ/PVA-3 单层的 RD 在三个烧结过程中随试样温度的变化，其中试样温度取为 CS 和 FS 的炉温和根据等式(7)计算的对于 FS所测量的电导率数据。
图 4. 每种烧结类型的 YSZ/PVA-3 和 YSZ/PVA-0.5 的单轴粘度图。显示了几个 RD 值，以便更好地了解样品在各种烧结工艺下的致密化。
图 6. YSZ/PVA-0.5 样品在 (a) 开始和 (b) 1000 ℃ 炉温下自由 FS 过程的功率峰值 (90 W) 和 (c) 处的模拟温度分布在烧结过程中，在不同的增加功率值下，温度线沿（b）中的白色虚线分布；(d) FS期间热像仪测量的相同材料的表面温度；(e) FEA 建模温度的比较，根据 Eq. (7) 计算的平均温度。(f) 不同烧结方法的单轴粘度，其中从三种方法估计的 FS 不一样的温度用于计算。
图 7. (a-f) 采用不一样工艺烧结的 YSZ/PVA-0.5 样品中心部分的核心和边缘区域的横截面 SEM 图像，以及 (g) 它们的平均晶粒尺寸。
图 8. 在 (a) 1100 ℃、(b) 1275 ℃ 和 (c) 1300 ℃ 下，测得的单轴粘度值与 Raj [44] 的经验模型的比较。(d) 两个样品在 CS 和 FAST期间的 RD 变化以及一个样品在 FS 期间的变化，其中 FS 样品已在 1300 ℃ 下与CS 预烧结。(e) FS 试样的单轴粘度与试样温度的对数。FS线与CS线和FAST线在A、B、C、D四点相交，其对应的单轴粘度对数如(e)所示，用于比较
图10. (a) YSZ/PVA-0.5试样在FS弯曲蠕变实验过程中的示意图和(b)其对应的FS后拉伸面中心边缘的SEM图像
本研究评估了电场对由于受限烧结而在双层 3YSZ 界面处产生的界面拉伸应力水平的影响。与 CS 相比，研究了小 (5 V/cm) 和大 (100 V/cm) 电场下的烧结，以研究电场大小的影响，并与两种流行的烧结技术相关联电场的存在，即低场 FAST 和高场 FS。主要结论是：1) FS 中约束烧结过程中产生的最大界面应力远低于 CS 和 FAST。通过系统地结合自由烧结、弯曲蠕变和约束烧结实验，分离了应变率差异和试样粘度特性对界面应力降低的贡献。2) 在约束 FS 期间，应变速率差异的增加会增加界面应力，被材料单轴粘度Ep 的更大降低（高达 ~2.56 个数量级）过度补偿，最终以降低最大界面应力。温度、密度和微观结构对Ep 的可能影响已经过仔细评估，表明电场本身是极低粘度的根本原因。3) Ep 的降低本质上是材料在电场下塑性变形力加快的结果。在 ~0.55 的低 RD 下，Ep 的降低与电场呈线 V/cm 的研究值。这表明体缺陷机制对低 RDs 下 FS 中 Ep 的大幅度减少做出了主要贡献，而 GB 相关机制在某些致密化临界点（约占总致密化的 95%）变得有效并导致突然FAST 中 Ep 的下降。（文：SSC）