Science：仅需几秒，超快烧结块体陶瓷的通用方法

兔兔

2020-05-01

基于第一性原理方法的计算预测是加速材料发现和改进陶瓷的重要工具。用实验来证实这些预测的材料特性是必要的。然而，材料的筛选速率受到传统陶瓷烧结工艺加工时间长，挥发性元素的损失对成分控制较差的限制。为克服这些限制，美国马里兰大学胡良兵和莫一非、加州大学圣地亚哥分校骆建及弗吉尼亚理工大学郑小雨等人开发了一种超快高温烧结（UHS）工艺，用于在惰性气氛下进行辐射加热来制造陶瓷材料。

本文要点：

1）研究人员将陶瓷前驱体粉末压制成的陶瓷片直接夹在两条焦耳加热的碳条之间，通过辐射和传导对陶瓷片进行快速加热，形成统一的高温环境，进行快速合成（固态反应）和反应烧结。在惰性气氛中，这些碳加热元件可提供高达~3000 °C的温度，几乎足以合成和烧结任何陶瓷材料。

2）超快高温烧结（UHS）工艺具有温度分布均匀，高加热（~10³~10⁴ °C/min）和冷却速率（高达10⁴ °C/min），以及高烧结温度（高达3000 °C）等优势。超高的加热速度和温度使烧结时间在10秒左右就能完成，远远超过了大多数传统炉子的烧结速度。较短的烧结时间也有助于防止挥发性蒸发和多层结构界面的不良相互扩散。超快、远离平衡的UHS过程可能会产生点缺陷、位错和其他缺陷或亚稳态相的非平衡浓度的材料，从而获得理想的性能。

3）此外，该技术是通用的，因为其加工过程与材料的固有特性是分离的（不像闪速烧结），因此可以进行常规和快速的陶瓷合成和烧结。UHS工艺还与陶瓷前驱体的3D打印兼容，除了多层陶瓷化合物之间明确定义的界面外，还可以产生新颖的后烧结结构。

4）UHS的速度使得通过实验快速验证计算预测的材料特性成为可能，这有助于促进具有高性能新材料的发现。UHS方法还允许可控和可调的温度曲线，从而能够控制烧结和微观结构的演变。因此，UHS是合成多组分物质以筛选各种应用优异性能的理想方法，包括开发新的固态电解质。

Chengwei Wang, et al. A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds. Science 2020, 368 (6490), 521-526.

DOI: 10.1126/science.aaz7681.

https://science.sciencemag.org/content/368/6490/521