华人科学家登上Science封面：一分钟完成烧结陶瓷
钛媒体5月1日消息 ， 美国马⾥兰⼤学帕克分校的科研团队联合美国加州⼤学发布最新研究成果 ， 他们利用在惰性气氛中辐射加热 ， 采用大数据计算方式 ， 开发了一种超快高温烧结(UHS)工艺方法 ， 10秒合成 ， 最多需要1分钟时间加热 ， 就可轻松完成烧结陶瓷过程 ， 从而制备陶瓷材料 ， 形成固态样品 。据悉 ， 该研究成果刚刚发表在知名科学期刊《Science》（科学）杂志封面上 。本论文通讯作者 ， 马里兰大学杰出讲席教授 ， 材料创新中心的主任胡良兵（Liangbing Hu）教授通过邮件方式对钛媒体App表示 ， 这一新的研究成果 ， 是将传统工艺与大数据计算结果相结合 ， 实现了高功能材料快速筛选过程 ， 加速陶瓷材料领域发展进程 。
马里兰大学的胡良兵教授（受访者提供）陶瓷是以天然粘土以及各种天然矿物为主要原料 ， 经过粉碎混炼、成型和烧制过程才得到的 。 由于其出色的外观和化学稳定性 ， 陶瓷被广泛应用于各种场景中 。而在制造陶瓷的过程中 ， 烧结工艺是最耗时间 ， 也是最难的流程之一 。经过成型之后的陶瓷制品 ， 坯体表面仍具有“表面能”（注：“表面能”指的是创造物质表面时 ， 破坏分子间作用力所需消耗的能量）较高的粉粒 。 工人利用烧结方式 ， 实际上是在降低“表面能”的方向变化 ， 不断进行物质迁移 ， 晶界随之移动 ， 气孔逐步排除 ， 产生收缩 ， 使坯体成为具有一定强度的、致密的瓷体 。 工人需要花费几个小时 ， 甚至是几天时间 ， 才可以煅烧出精美的陶瓷样品 。 而且 ， 烧结过程并不可控 ， 最终成品良率并不高 。因此 ， 现有烧结工艺具有很多局限性 ， 例如 ， 烧结时间长 ， 烧结工艺复杂 ， 烧结过程需要加压 （SPS 烧结） ， 烧结温度低 ， 烧结样品结构局限单一等 ， 陶瓷成品低的主要原因是挥发性成分元素的降解 ， 使得合成潜力受限 。而胡良兵团队的最新研究 ， 旨在提供一种快速 ， 高效 ， 简单 ， 节能 ， 普适性的烧结方法 ， 提升合成潜力 。
10秒陶瓷合成模拟颗粒加热过程经过多次试验后 ， 他们利用盐或氧化物 ， 压制一形状与药片类似的颗粒 ， 夹置在两个焦耳加热碳带之间 ， 形成加热台 ， 将其放入煅炉内 ， 使得挥发性成分元素不降解 ， 成型陶瓷样品表面可均匀受热 。 大约10秒钟后 ， 样本表面就可达到三千摄氏度以上 ， 满足烧结温度 。 他们还利用大数据计算方式 ， 检测缎炉烧制温度 ， 让加热台在适宜时间放入煅炉 。利用这一新的烧结方法 ， 科研人员最终得到了稳定的陶瓷样本 ， 成品良率显著提升 。胡良兵对钛媒体App表示 ， 这一快速烧结工艺的烧结时间是可调的 ， 可根据烧结材料特性和所需结构而定 ， 一般在1秒到1分钟之间 ， 而传统烧结工艺需要几十个小时 。他强调 ， 新的烧结方法和传统烧结方法相比 ， 会有很大不同 。 不仅仅在于电阻加热和压制颗粒的作用 ， 更多的是在烧结陶瓷过程中 ， 固相反应和高温煅烧同时进行 ， 加速陶瓷表面气孔减少过程 ， 提高合成潜力 。
胡良兵认为 ， 该方法还能与3D打印技术相结合 ， 实现复杂的陶瓷材料结构设计 ， 未来或能够用于制造新型固态电解质 。当被问及该研究的局限性时 ， 胡良兵教授对钛媒体App表示 ， 由于该研究所涉及的烧结覆盖面积有一定限制 ， 目前团队正在研究大面积烧结技术 。 但他认为 ， 总体而言 ， 本论文中提及的快速烧结方法 ， 有很好的普适性、高效性 。 烧结机理是值得分享和借鉴 ， 这是至关重要的 。下一步 ， 该团队将持续研究这一烧结机理 ， 并未来有望于推广到催化、固态电池等领域 ， 用于解决现有金属 ， 玻璃 ， 催化剂制备过程遇到的升降温速率慢、元素易挥发 ， 结构不致密等难题 。 他们已经成立了一家名为HighT-Tech LLC（高温高科）公司 ， 处理相关需求 。 （本文首发钛媒体App ， 作者 | 林志佳 ， 编辑 | 赵宇航）
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