低溫燒陶瓷，速度就是快！

材料牛注：陶瓷，每個人都不陌生。古老而傳統，動輒上千度的燒結溫度，費時耗力。最新研究表明，最高只需200度就能制成陶瓷啦，更重要的是用時之短，堪比做披薩！你能相信嗎？這是天方夜譚，還是科技魔力？想要了解詳情，請走進本文！

一種叫做冷燒結的新技術不但提高了不相容材料（例如陶瓷、塑料）與新型復合材料相結合的能力，而且很大程度上降低了工業制造成本。

陶瓷是人類已知最古老的材料，甚至可以追溯到數萬年前。那時候幾乎所有的制陶瓷方法，無論是窯燒還是爐燒，升到高溫都需要消耗大量能量。

賓夕法尼亞州的教授Clive Randall和他的團隊正在研究冷燒結工藝。他說：“在如今這個時代，我們必須考慮二氧化碳預算，能源預算，重新思考許多的制造工藝（包括陶瓷），這一切變得至關重要。”

“這不僅是個低溫過程（燒結爐溫度上限只有200攝氏度），而且我們可以在15分鐘內就把一些材料致密化到理論密度的95%以上。值得一提的是，我們可以在低溫下就燒結出陶瓷，而且比做一份披薩的用時還少。”

最近發表在Advanced Functional Materials上的一篇文章中，Randall和其合著者描述了使用CSP（冷燒結工藝）的陶瓷和熱塑性聚合物復合材料的共燒結。

三種聚合物被選來補充三種陶瓷的性能（微波電介質、電解質和半導體），以用來突出應用材料的多樣性。這些材料為介電性能設計、離子和電子電導率設計提供了新的可能性。在120攝氏度的條件下，這些復合材料僅需15到60分鐘就可以燒成高密度狀態。

據研究人員介紹，冷燒結有一個過程是用幾滴水或酸溶液潤濕陶瓷粉末。固體表面的顆粒分解，其中一部分融入水中在顆粒與顆粒界面形成液相。提高溫度和施加壓力會引起水流動，并導致固態顆粒在初始致密化過程中重新排列。

接下來是第二步，原子團和離子團遠離粒子相連的地方，協助擴散，最大程度的減小表面自由能，使粒子緊密的結合在一起。關鍵之處是知道反應速率所需的水分、壓力、熱和時間的精確組合，這樣材料才會結晶并高度致密化。

Randall說：“我認為冷燒結是不同挑戰的連續體。在某些容易的系統，你不需要加壓；但是在其他系統，你就需要加壓。在某些系統，你需要用到納米粒子，而在其他系統，你可能獲得混合納米粒子和更大的粒子。這一切真的完全取決于我們在談論的系統和化學反應。”

這個團隊已經開始構建一個技術庫，主要是介紹在不同的材料系統使用CSP需要的精確參數，以及至今為止驗證的50個工藝，包括陶瓷-陶瓷復合材料，陶瓷-納米顆粒復合材料，陶瓷-金屬復合材料，以及文中提到的陶瓷-聚合物復合材料。

其他已經開放探索的CSP領域包括建筑材料，例如陶瓷磚，保溫材料，醫學移植物以及很多類型的電子元件。

Randall總結說：“我希望可以從聚合物制造中學習，反思許許多多已經存在的制造工藝，然后讓它們也能使用這個過程。”

原文鏈接：Cold sintering ceramics takes less time than a pizza。

文獻鏈接：Cold Sintering Process of Composites: Bridging the Processing Temperature Gap of Ceramic and Polymer Materials。

本文由編輯部劉萬春提供素材，張雨編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。