史上最快！10秒钟问鼎Science封面，木头大王胡良兵再出神作，两万年前老技术换新颜！
小纳米
2020-05-04
第一作者：Chengwei Wang, Weiwei Ping, Qiang Bai, Huachen Cui, Ryan Hensleigh
通讯作者：Liangbing Hu, Yifei Mo, Xiaoyu (Rayne) Zheng, Jian Luo
通讯单位：马里兰大学, 弗吉尼亚理工大学,加州大学圣地亚哥分校
研究要点：
1. 发展了一种普适性的超快速高温陶瓷烧结工艺。
2. 为新型陶瓷材料的高通量合成、筛选和发现提供了全新的平台。
老技术的新希望
陶瓷具有优异的热稳定性、化学稳定性和力学稳定性，早在26000年前，陶瓷烧结技术就被发明并加以利用。进入现代社会以来，陶瓷材料更是在电子元器件，能源存储以及极端环境等领域广泛应用。
如何加速发现更多更优异的陶瓷材料，是当前陶瓷材料领域的重要问题。基于第一性原理的计算，不必一个一个实验，就能预测材料属性，为加速陶瓷材料的发现和改良提供了良好的平台。
问题在于：常规的陶瓷烧结技术往往需要在高温下进行，加工时间长达数小时，而且挥发性元素也会部分损失，这些局限性使得高通量陶瓷材料的高通量筛选变得极为困难。譬如，在陶瓷基固态电解质的烧结过程中，Li和Na的剧烈挥发烧结，对于锂电池的能效和安全性带来了不少隐患。
于是，科学家和工程师开发了一系列新型的陶瓷烧结技术，包括微波辅助烧结，火花等离子烧结和快速烧结等等。其中：
1）微波辅助烧结技术：取决于材料的微波吸收特性或基底。
2）火花等离子烧结技术（SPS）：要求在烧结时使用模具压缩陶瓷，这使得烧结具有复杂三维（3D）结构的样品较为困难。此外，SPS技术一次通常只能生产一个样品，虽然已经有特殊工具可用于多个样品的同时制备。
3）快速烧结，光子烧结和快速热退火技术具有〜103至104°C / min的超快加热速率。然而，快速烧结技术通常需要昂贵的Pt电极并且是材料特定的。尽管快速烧结可以应用于许多陶瓷，但是快速烧结条件在很大程度上取决于材料的电特性，从而限制了该方法的普适性以及在材料性质未知时用于高通量加工的实用性。光子烧结技术温度通常太低而无法烧结陶瓷。快速热退火技术可成功用于ZnO烧结，但是需要通过昂贵的设备提供高达1200°C的烧结温度。
为了克服这些限制，马里兰大学胡良兵，Yifei Mo以及弗吉尼亚理工大学Xiaoyu (Rayne) Zheng、加州大学圣地亚哥分校Jian Luo等人开发了一种普适性的超快速高温陶瓷烧结工艺（UHS），可以超快速合成各种陶瓷，同时减少挥发性元素的损失，为陶瓷材料的高通量合成、筛选、发现提供了全新的平台！该技术基于惰性气氛下辐射加热的原理，过电阻加热薄碳条实现快速升温和降温。研究人员将压制的陶瓷前体粉末生坯夹在两个碳条之间，碳条通过辐射和传导迅速加热，形成均匀的高温环境，实现陶瓷材料的快速烧结。该技术具有均匀的温度分布，高加热速率（〜103至104°C / min）和高降温速率（最高104°C / min）以及高烧结温度（最高3000°C）等优点。超高的加热速率和加加热温度使烧结时间缩短到了约10 s，远远超过了大多数传统熔炉。一方面，高达3000℃的高温，足以合成和烧结几乎任何陶瓷材料。另一方面，短的烧结时间避免了不必要的挥发。由于该工艺不取决于材料的固有特性，因此适用于绝大多数常规陶瓷材料的快速合成和烧结。配合理论计算对新材料的预测，UHS可以进行快速的实验验证，实现跨越广泛成分的材料发现。1）将低熔点材料引入陶瓷，在较低的烧结温度下获得致密结构。通过在LLZTO石榴石中添加Li3PO4来烧结陶瓷复合材料SSE。其中Li3PO4可以在1200°C左右熔化，通过超快液相烧结与LLZTO颗粒焊接以形成致密的复合颗粒。与传统方法相比，这种方法具有更少的副反应。2）烧结具有复杂几何形状的陶瓷结构。一把来说，常规的SPS技术与3D打印的结构是不兼容的。然而，UHS技术成功地烧结了具有均匀收缩和良好结构的聚合物衍生陶瓷（碳氧化硅，SiOC）。此外，还可以通过堆叠结构以形成更复杂的3D晶格设计。由于交叉扩散，这些结构的共烧结极具挑战性。为了探究UHS在这种复杂设计中的功能，研究人员以3D打印的多材料蜂窝结构为例进行演示。其中掺Al的SiOC（用于压阻响应）和掺Co的SiOC（用于磁响应）形成磁通量传感器（图S31）。UHS烧结可保持结构的完美，掺杂物扩散达到最少。最终，3D打印的磁通量传感器设备将磁场有效地转换为电压信号。相反，传统的烧结方法在不同材料之间存在大量扩散，导致压阻感测的灵敏度较差。3）快速烧结使陶瓷可伸缩，卷对卷烧结成为可能。因为前体薄膜可以快速穿过加热条以实现连续的UHS，而高温薄碳加热器也非常灵活，因此可以保形地包裹结构，以快速烧结非常规形状和器件4）其他可能。第一，由于极高的温度，UHS可以很容易地扩展到广泛的非氧化物高温材料，包括金属，碳化物，硼化物，氮化物和硅化物。第二，UHS还可以用于制造多级次功能材料，并使相互扩散减小到最少。第三，UHS过程的超快速非平衡性质可能会产生具有特殊的点缺陷，位错，其他缺陷或亚稳态相，从而产生理想的性能。最后，这种UHS方法具有可控和可调节的温度曲线，能够控制烧结和微观结构的演变。总之，这项研究为开发了一种前所未有的超快速陶瓷烧结技术，有望推动新型陶瓷材料的跨越式发展，并为能源、电子器件和环境等领域带来新的发展。Chengwei Wang et al. A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds. Science 2020, 368, 521-526.https://science.sciencemag.org/content/368/6490/521
