陶瓷10秒鐘就能超高速燒結？美國最新發明來了

　　最近，美國大學研發出了2項陶瓷燒結工藝，引起了學界的重視。

　　其中，冷燒工藝可以讓陶瓷可以在200°C以下制成，而不需要1400-3000°C高溫，而且燒結時間只需幾分鐘。

　　另一項超高速高溫燒結方法，燒結溫度高達3000℃，瓷磚燒結總時間不到10秒，比傳統的燒結爐方法快1000倍以上。

　　200℃冷燒工藝　　成本僅為傳統燒結工藝1/7

　　陶城君曾報道過，美國研發出一種叫做冷燒工藝(ColdSinteringProcess)的新技術，最高只需200℃就能制成陶瓷，并且最短在15分鐘之內就能完成燒結，很大程度上降低了陶瓷制造成本。

　　最近，該項研究有了進一步的研究成果。英國華威大學研究團隊將冷燒工藝與其他一系列陶瓷燒結技術進行對比，全面分析了冷燒技術所帶來的經濟和環境效益。

　　燒結在陶瓷制造中是不可或缺的一個環節，但這個環節耗能高，而且碳排放量大。而冷燒工藝解決了這個問題，因為致密陶瓷可以在200°C以下，而非1400-3000°C的溫度范圍內，并只需幾分鐘，而非幾個小時內完成燒成這一環節。

　　據介紹，冷燒工藝結合使用了熱量、壓力和水，可顯著減少能源消耗，遠低于傳統燒結法、激光燒結法、液相燒結法和快速燒結法等其他燒結工藝。

　　英國謝菲爾德大學教授首席研究員IanReaney解釋道：“冷燒工藝是一種顛覆性的新工藝，在這個工藝中，可以在低溫下用水作為離子的傳輸介質來使陶瓷致密化。將濕陶瓷在約200MPa的壓力下壓入模具中，然后水分蒸發，水離子重結晶，使陶瓷致密化。”他指出，在該過程中會施加單軸壓力，整個過程大約需要10-20分鐘，具體時長取決于壓制材料的類型。

　　他們正努力將冷燒工藝從實驗室帶到工業領域。但是，由于冷燒工藝的實驗室規模較小，在實驗室有限的條件下一次通常只能生產5克陶瓷，這意味著陶瓷制造商還會繼續選擇原來的高溫燒結工藝。研究小組認為，目前陶瓷制造商還沒有完全了解使用冷燒工藝可能帶來的經濟和環境效益，尤其是它的啟動成本遠低于其他工藝。

　　研究發現，在這三個案例中，冷燒工藝具有較低資金成本獲得最佳投資回報的優勢，同時能節省大量能源，減少碳排放，是最為經濟的燒結方式。

　　以鈦酸鋇陶瓷的燒結技術為例，每節省一噸碳所需要投入的成本，冷燒工藝是最低的——冷燒工藝需要10.63英鎊，傳統燒結工藝需要76.95英鎊，微波燒結法需要132.59英鎊，液相燒結法需要142.81英鎊，熱壓燒結法需要322.12英鎊，快速燒結法需要340.55英鎊，放電等離子體燒結法則需要2273.84英鎊。

　　10秒快燒工藝　　比傳統燒結快1000倍

　　最近，美國馬里蘭大學材料科學與工程系的胡良兵、莫一非，以及弗吉尼亞理工大學鄭小雨和加州大學圣迭戈分校駱建，合作重新改造成一種創新的陶瓷材料制造方法，這種陶瓷材料在固態電池、燃料電池、3D打印技術等領域有著廣闊的應用前景。相關論文發表在《Science》上，還被選為封面論文，登上《Science》網站滾動頭條新聞。

　　在制造電池固態電解質過程中，采用傳統的燒結工藝耗時漫長，需要給爐子加熱數小時，之后燒制數小時，才能完成陶瓷材料的燒結。盡管開發出了微波輔助燒結、放電等離子燒結、快速燒結等代替工藝，但受限于材料特殊或者價格昂貴。

　　該聯合研究團隊開發了超高速高溫燒結新方法，它具有加熱速度快、冷卻速度快、溫度分布均勻、燒結溫度高達3000攝氏度等優點。綜合起來，這些工藝所需的總處理時間不到10秒，比傳統的燒結爐方法快1000倍以上。

　　據胡良兵介紹，通過這項發明，首先將陶瓷前驅體粉末壓坯，之后夾在兩根碳條之間，通過碳條的輻射和傳導來迅速加熱陶瓷前驅體，創造了一個持續的高溫環境，迫使陶瓷粉末快速凝固。該工藝產生的溫度足夠高，基本上可以燒結任何陶瓷材料。這一專利工藝可以擴展到陶瓷以外的其他膜。

　　目前該技術由HighT-TechLLC進行商業化。莫一非表示，這種新方法還解決了計算和人工智能材料發現中的關鍵瓶頸問題，以前所未有的速度加快了材料發現的新范式。

　　鄭小雨表示，熱解時間從幾十小時縮短到幾秒，在快速燒結后，還保留了精細的3D打印結構。

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