超快高温烧结陶瓷最新Science：在几秒钟内合成和烧结大块陶瓷的通用方法

木文韬 5年前 (2020-05-01) 14881浏览

【引言】

陶瓷因其高的热稳定性、机械稳定性和化学稳定性而广泛应用于电子、储能和极端环境。传统的陶瓷烧结往往需要数小时的加工时间，这可能成为高通量发现先进陶瓷材料的障碍。在陶瓷固态电解质（SSEs）的开发过程中，由于Li和Na在烧结过程中的剧烈挥发性，烧结时间过长尤其成问题，而这对于具有提高的能源效率和安全性的新型电池至关重要。大力发展创新烧结技术，如微波辅助烧结、火花等离子烧结（SPS）、快速烧结等。近年来发展起来的快速烧结、光子烧结和快速热退火（RTA）方法，其升温速率约为10³ ~ 10⁴℃/min。然而，快速烧结通常需要昂贵的Pt电极，而且是特定材料。虽然快速烧结可以应用于许多陶瓷，但闪速烧结条件很大程度上取决于材料的电特性，这限制了该方法的普遍适用性，也限制了它在材料特性未知的情况下用于高通量加工的实用性。光子烧结温度通常太低，不能烧结陶瓷。RTA已成功用于氧化锌烧结，但该方法在昂贵的商业设备上只能提供高达1200℃的烧结温度。

【成果简介】

今日，在美国马里兰大学胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亚理工大学、加州大学郑小雨教授和加州大学圣地亚哥分校骆建教授团队等人（共同通讯作者）带领下，报告了一种称为超快高温烧结（UHS）的陶瓷合成方法，该方法具有温度分布均匀、高升温（~10³ ~ 10⁴℃/min）、高冷却速率（高达10⁴℃/min）和高烧结温度（高达3000℃）的特点。超高速的加热速度和温度使烧结时间达到了10秒左右，远远超过了大多数传统炉的烧结速度。进行的过程中，直接将压制的陶瓷前体粉末生坯夹在两个加热焦耳的碳条之间，这些碳条通过辐射和传导迅速加热，形成均匀的高温环境，用于快速合成（固态反应）和反应烧结。在惰性气氛中，这些碳加热元件可以提供高达3000℃的温度，这足以合成和烧结几乎任何陶瓷材料。较短的烧结时间也有助于防止多层结构界面上的挥发性蒸发和不理想的相互扩散。此外，该技术可扩展的，因为加工过程与材料的内在特性脱钩（与快速烧结不同），因此可以进行一般的快速陶瓷合成和烧结。UHS工艺还可与陶瓷前体的3D打印兼容，除了在多层陶瓷化合物之间形成良好的界面外，还可产生新颖的烧结后结构。相关成果以题为“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”发表在了Science。