超快高溫燒結陶瓷最新Science：在幾秒鐘內合成和燒結大塊陶瓷的通用方法

木文韜 3年前 (2020-05-01) 13257瀏覽

【引言】

陶瓷因其高的熱穩定性、機械穩定性和化學穩定性而廣泛應用于電子、儲能和極端環境。傳統的陶瓷燒結往往需要數小時的加工時間，這可能成為高通量發現先進陶瓷材料的障礙。在陶瓷固態電解質（SSEs）的開發過程中，由于Li和Na在燒結過程中的劇烈揮發性，燒結時間過長尤其成問題，而這對于具有提高的能源效率和安全性的新型電池至關重要。大力發展創新燒結技術，如微波輔助燒結、火花等離子燒結（SPS）、快速燒結等。近年來發展起來的快速燒結、光子燒結和快速熱退火（RTA）方法，其升溫速率約為10³?~ 10⁴℃/min。然而，快速燒結通常需要昂貴的Pt電極，而且是特定材料。雖然快速燒結可以應用于許多陶瓷，但閃速燒結條件很大程度上取決于材料的電特性，這限制了該方法的普遍適用性，也限制了它在材料特性未知的情況下用于高通量加工的實用性。光子燒結溫度通常太低，不能燒結陶瓷。RTA已成功用于氧化鋅燒結，但該方法在昂貴的商業設備上只能提供高達1200℃的燒結溫度。

【成果簡介】

今日，在美國馬里蘭大學胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亞理工大學、加州大學鄭小雨教授和加州大學圣地亞哥分校駱建教授團隊等人（共同通訊作者）帶領下，報告了一種稱為超快高溫燒結（UHS）的陶瓷合成方法，該方法具有溫度分布均勻、高升溫（~10³?~ 10⁴℃/min）、高冷卻速率（高達10⁴℃/min）和高燒結溫度（高達3000℃）的特點。超高速的加熱速度和溫度使燒結時間達到了10秒左右，遠遠超過了大多數傳統爐的燒結速度。進行的過程中，直接將壓制的陶瓷前體粉末生坯夾在兩個加熱焦耳的碳條之間，這些碳條通過輻射和傳導迅速加熱，形成均勻的高溫環境，用于快速合成（固態反應）和反應燒結。在惰性氣氛中，這些碳加熱元件可以提供高達3000℃的溫度，這足以合成和燒結幾乎任何陶瓷材料。較短的燒結時間也有助于防止多層結構界面上的揮發性蒸發和不理想的相互擴散。此外，該技術可擴展的，因為加工過程與材料的內在特性脫鉤（與快速燒結不同），因此可以進行一般的快速陶瓷合成和燒結。UHS工藝還可與陶瓷前體的3D打印兼容，除了在多層陶瓷化合物之間形成良好的界面外，還可產生新穎的燒結后結構。相關成果以題為“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”發表在了Science。