综述：焦耳热在先进材料合成中的应用：变革性作用、机制及多领域应用

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Joule Heating in syntheses of advanced materials: transformative role, mechanism, and multidomain utilizations

　　陆秋香|张新燕|曹琦|彭波|葛泽峰|袁向洲|张慧燕
中国江苏省东南大学能源与环境学院，教育部能源热转换与控制重点实验室，江苏省功能性聚合物可持续发展重点实验室，南京210096

**摘要**
在材料科学向高效、低能耗和高性能发展的背景下，基于焦耳定律的焦耳加热技术凭借其超快加热（高达10^6 K/s）、低能耗和较少热损伤的核心优势，突破了传统加热方法的瓶颈。本文系统梳理了焦耳加热技术的基本机制，包括电流传导和电阻加热的底层机制、热传导定律和温度场分布以及多场耦合效应，还有直接和间接加热方法、不同材料形式的电热特性、电极设计等系统配置和工艺关键要素。同时，全面回顾了焦耳加热技术在金属与合金、陶瓷与复合材料、碳基材料以及能源和催化领域的应用成果。该综述总结了该技术在金属与合金、陶瓷与复合材料、碳基材料、能源和催化材料等领域的应用情况，描述了其在超快烧结、非平衡相调制、原位纳米结构形成等方面的变革性作用，并探讨了与微波协同作用和3D打印结合等新兴复合技术路径。同时，也指出了温度均匀性控制、电场-材料作用机制深化、系统稳定性等现有挑战，并展望了智能、多能量场融合的未来发展方向。焦耳加热技术不仅为材料制备提供了高效和绿色的新范式，还对电子、能源、航空航天等领域的技术升级具有战略意义，为实现全球可持续发展目标提供了关键技术支持。

**引言**
焦耳加热（JH）起源于19世纪40年代詹姆斯·普雷斯科特·焦耳对电热转换的开创性研究，其定量关系为Q=I^2Rt，这一基础方程确立了电阻热生成的理论框架[1]。21世纪，随着高功率脉冲电源、精密电子技术和前驱体工程的协同进步，JH技术发生了范式转变，从传统的电阻加热技术发展成为能够实现毫秒级超快加热（10^3-10^6 K/s）和精确操控多物理场的高级制造工具[2]。近年来，焦耳加热技术被广泛应用于先进材料的合成与加工，包括金属与合金的超快烧结、陶瓷的闪速烧结、碳基材料（如石墨烯和碳纳米管）的制备与修复、储能电极和催化材料的制造，以及工业固体废物的回收与增值[3-13]。由于其独特的体积加热模式、超高加热速率和高能量效率，焦耳加热已成为非平衡材料合成、缺陷工程、快速致密化和可持续制造的变革性平台。

在全球能源限制和环境压力加剧的背景下，传统的高温加工技术（如炉内烧结）存在固有局限：能量效率低于40%、碳排放量大以及热梯度引起的材料缺陷[3]。焦耳加热通过其独特的体积加热特性，实现了高能量利用率、超高温环境（>3000 K）和在受控实验条件下的最小热损失[3]。这些特性使得高价值材料合成和工业固体废物增值成为可能，同时在纳米结构工程、亚稳相稳定、界面调制和可持续低碳制造方面展现出巨大潜力。

在材料科学中，焦耳加热推动了从平衡态到非平衡态合成范式的转变。首先，它实现了高比表面积、富含缺陷和亚稳态材料的可重复、高通量制备，将加工时间缩短了1-2个数量级，能耗降低了60%以上[4]；其次，其内在的电热耦合为界面电子态、原位元素迁移和定向晶粒生长提供了新的调控维度[5]。因此，阐明焦耳加热引起的电热化学耦合机制对于推动材料制造向绿色、智能和极端条件适应方向发展至关重要。

过去十年，国际上的JH研究呈指数级增长，取得了多项关键突破（图1）。2010年，科罗拉多大学Rishi Raj团队关于氧化锆陶瓷闪速烧结的研究标志着一个里程碑，实现了几秒钟内的完全致密化，而传统方法需要数小时[6]。此后，研究范围扩展到了离子导电陶瓷、电子导电陶瓷、半导体和复合材料。值得注意的创新包括莱斯大学的闪速焦耳加热（FJH）技术，该技术能在微秒内将多种碳原料（包括生物质和工业碳废物）转化为层状石墨烯，生产成本降低了80%以上[7, 8]；胡等人的超高温烧结（UHS）方法利用碳基JH元件建立了陶瓷、金属和高熵合金纳米粒子的通用合成平台[9]。这些进展实现了原子级缺陷工程和精确的相变控制[10]。当前的国际前沿研究集中在多场耦合策略上，将JH与激光、微波或机械场结合，以优化更广泛参数范围内的材料结构[11]。

国内JH研究虽然起步较晚，但在基础机制和实际应用方面也取得了快速进展。清华大学、武汉工业大学和中国科学院的研究团队阐明了关键的闪速烧结机制，提出了基于电场驱动的缺陷迁移模型，为工艺优化提供了理论指导[12]。应用研究取得了重要原创成果：JH合成的Li7La3Zr2O12固体电解质表现出1.2×10^-3 S·cm^-1的离子导电性，JH制备的ZrB2-SiC复合材料达到了680 MPa的弯曲强度[13]。特别是在工业固体废物回收方面，焦耳加热展示了卓越潜力，例如将钢渣转化为高活性吸附剂，利用率达到100%，能耗降低了62%，其中一些技术已进入试点阶段[13]。

尽管取得了这些显著进展，但仍存在一些阻碍JH广泛工业应用的挑战：（1）复杂形状材料内部电流和温度分布不均，影响性能一致性；（2）多组分系统中电热化学耦合机制理解有限；（3）极端JH条件下电极降解；（4）缺乏JH过程的标准化可持续性指标[14]。本文第2节系统总结了焦耳加热的基本机制，包括电流传导、电阻加热、热传递行为和微观结构演变机制；第3节讨论了系统配置和工艺设计，重点介绍了不同材料形式的电热特性和电极/界面工程；第4节全面回顾了焦耳加热在金属与合金、陶瓷与复合材料、碳基材料、储能系统和催化材料中的多领域应用；第5节聚焦于新兴混合技术，包括微波/等离子体/激光辅助焦耳加热以及与3D打印和人工智能辅助控制系统的集成；第6节讨论了焦耳加热技术向智能、可持续和高效率先进制造发展的当前挑战、未来机遇和工业前景。

**当前内容片段**
**电流传导和电阻加热原理**
当电流通过导电介质时，载流子在施加的电场作用下定向运动，同时与晶格原子、缺陷和声子发生散射。这种散射过程将电能转化为热能，构成了电阻加热的微观机制[15]。在宏观层面上，焦耳加热遵循经典关系式Q=I^2Rt，描述了随时间产生的总热量。

**块体材料**
块体材料在焦耳加热过程中表现出的电热特性主要受电阻率和热导率的共同影响[12]。由于电流直接通过材料，根据焦耳定律，焦耳加热过程中产生的热量受到最大电压和电流的限制[41]。当材料的电阻率较低时，需要更大的输入功率才能达到所需的反应温度。

**焦耳加热在多种材料系统中的应用**
焦耳加热已广泛应用于金属、陶瓷、碳基材料和能源相关功能系统。这些应用不应被视为孤立案例，而应统一在电热耦合、电场辅助传输和非平衡动力学的框架下理解。以下按主导机制重新组织了代表性结果，并附有关键示例作为证据。

**微波、等离子体和激光协同作用**
微波、等离子体和激光协同加热策略将外部能量场与电阻加热结合，实现快速、高效和可控的热处理[104]。微波-Joule耦合实现快速体积加热和陶瓷致密化；等离子体-Joule协同作用通过表面激发和热扩散激活并强化金属表面；激光-Joule集成实现局部结构化，改善界面性能。

**结论**
焦耳加热为先进材料合成提供了一个变革性的电热平台，实现了超快、高效的处理，并能够超越传统热力学限制，获得非平衡相和定制的微观结构。其在致密化、结构控制和性能提升方面的优势凸显了其广泛的技术相关性。尽管仍存在一些挑战……

**作者贡献声明**
陆秋香：撰写——综述与编辑、初稿撰写；
张新燕：撰写——初稿；
曹琦：可视化、概念化；
彭波：撰写——初稿；
葛泽峰：形式分析；
袁向洲：验证、形式分析；
张慧燕：资金获取、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金（编号52425607）、国家自然科学基金（编号52406222、52476187）、江苏省自然科学基金（编号BK20240010、BK20241314）的支持。