低温烧陶瓷，速度就是快！

材料牛注：陶瓷，每个人都不陌生。古老而传统，动辄上千度的烧结温度，费时耗力。最新研究表明，最高只需200度就能制成陶瓷啦，更重要的是用时之短，堪比做披萨！你能相信吗？这是天方夜谭，还是科技魔力？想要了解详情，请走进本文！

一种叫做冷烧结的新技术不但提高了不相容材料（例如陶瓷、塑料）与新型复合材料相结合的能力，而且很大程度上降低了工业制造成本。

陶瓷是人类已知最古老的材料，甚至可以追溯到数万年前。那时候几乎所有的制陶瓷方法，无论是窑烧还是炉烧，升到高温都需要消耗大量能量。

宾夕法尼亚州的教授Clive Randall和他的团队正在研究冷烧结工艺。他说：“在如今这个时代，我们必须考虑二氧化碳预算，能源预算，重新思考许多的制造工艺（包括陶瓷），这一切变得至关重要。”

“这不仅是个低温过程（烧结炉温度上限只有200摄氏度），而且我们可以在15分钟内就把一些材料致密化到理论密度的95%以上。值得一提的是，我们可以在低温下就烧结出陶瓷，而且比做一份披萨的用时还少。”

最近发表在Advanced Functional Materials上的一篇文章中，Randall和其合著者描述了使用CSP（冷烧结工艺）的陶瓷和热塑性聚合物复合材料的共烧结。

三种聚合物被选来补充三种陶瓷的性能（微波电介质、电解质和半导体），以用来突出应用材料的多样性。这些材料为介电性能设计、离子和电子电导率设计提供了新的可能性。在120摄氏度的条件下，这些复合材料仅需15到60分钟就可以烧成高密度状态。

据研究人员介绍，冷烧结有一个过程是用几滴水或酸溶液润湿陶瓷粉末。固体表面的颗粒分解，其中一部分融入水中在颗粒与颗粒界面形成液相。提高温度和施加压力会引起水流动，并导致固态颗粒在初始致密化过程中重新排列。

接下来是第二步，原子团和离子团远离粒子相连的地方，协助扩散，最大程度的减小表面自由能，使粒子紧密的结合在一起。关键之处是知道反应速率所需的水分、压力、热和时间的精确组合，这样材料才会结晶并高度致密化。

Randall说：“我认为冷烧结是不同挑战的连续体。在某些容易的系统，你不需要加压；但是在其他系统，你就需要加压。在某些系统，你需要用到纳米粒子，而在其他系统，你可能获得混合纳米粒子和更大的粒子。这一切真的完全取决于我们在谈论的系统和化学反应。”

这个团队已经开始构建一个技术库，主要是介绍在不同的材料系统使用CSP需要的精确参数，以及至今为止验证的50个工艺，包括陶瓷-陶瓷复合材料，陶瓷-纳米颗粒复合材料，陶瓷-金属复合材料，以及文中提到的陶瓷-聚合物复合材料。

其他已经开放探索的CSP领域包括建筑材料，例如陶瓷砖，保温材料，医学移植物以及很多类型的电子元件。

Randall总结说：“我希望可以从聚合物制造中学习，反思许许多多已经存在的制造工艺，然后让它们也能使用这个过程。”

原文链接：Cold sintering ceramics takes less time than a pizza。

文献链接：Cold Sintering Process of Composites: Bridging the Processing Temperature Gap of Ceramic and Polymer Materials。

本文由编辑部刘万春提供素材，张雨编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。