供稿人:張曉宇 李滌塵 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2020-09-22
陶瓷作為一類重要的材料，因其具有較高的熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性而得到廣泛的應(yīng)用。基于第一性原理方法的計算預(yù)測對加速材料探索進程和發(fā)展改進陶瓷材料具有重要價值。從實驗上證實這些預(yù)測的材料特性是至關(guān)重要的。然而，傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)工藝由于加工時間長，揮發(fā)性元素的損失導(dǎo)致的成分控制較差，限制了材料的篩選率。為了克服這些限制，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亞理工大學(xué)、加州大學(xué)鄭小雨教授和加州大學(xué)圣地亞哥分校駱建教授團隊等人開發(fā)了一種超快高溫?zé)Y(jié)(UHS)工藝，在惰性氣體環(huán)境下通過輻射加熱制備陶瓷材料。文章提供了幾個UHS過程的例子來展示其潛在的用途和應(yīng)用，包括在固態(tài)電解質(zhì)、多組分結(jié)構(gòu)和高通量材料篩選方面的進展。
圖1. 快速燒結(jié)工藝和陶瓷合成裝置圖
UHS工藝原理為將壓制的陶瓷前體粉末生胚夾在兩根碳條之間，碳條通過輻射和傳導(dǎo)迅速加熱生胚，能夠創(chuàng)造出均勻一致的高溫環(huán)境，用于快速合成（固態(tài)反應(yīng)）和反應(yīng)燒結(jié)，使陶瓷粉末迅速固化。在惰性氣氛中，這些碳加熱元件可以提供高達3000℃的溫度，這足以合成和燒結(jié)幾乎任何陶瓷材料。
圖2. UHS燒結(jié)技術(shù)實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)
除了可以對單一成分的陶瓷進行燒結(jié)，研究人員還燒結(jié)了兩種材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)，并對燒結(jié)界面進行了研究。此外，除了簡單的原片結(jié)構(gòu)，研究人員還用3D打印機制造了復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，并對其進行快速高溫?zé)Y(jié)試驗，燒結(jié)后的結(jié)果顯示可以保持原有的結(jié)構(gòu)形狀。
研究人員表示，這種方法有兩重意義：“超快高溫?zé)Y(jié)代表了超快燒結(jié)技術(shù)的一項突破，這不僅是因為它普遍適用于多種功能材料，還因為其通過保留或產(chǎn)生額外缺陷來創(chuàng)造非平衡塊狀材料方面擁有巨大潛力。”