200℃冷烧、10秒快烧，国外两项烧结新技术

发布时间：

2022-04-15 14:42

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最近，美国大学研发出了2项陶瓷烧结工艺，引起了学界的重视。

其中，冷烧工艺可以让陶瓷可以在200°C以下制成，而不需要1400-3000°C高温，而且烧结时间只需几分钟。

另一项超高速高温烧结方法，烧结温度高达3000℃，烧结总时间不到10秒，比传统的烧结炉方法快1000倍以上。

200℃冷烧工艺，成本仅为传统烧结工艺1/7

美国宾夕法尼亚州立大学研发出一种叫做冷烧工艺(Cold Sintering Process)的新技术，最高只需200℃就能制成陶瓷，并且最短在15分钟之内就能完成烧结，很大程度上降低了陶瓷制造成本。

最近，该项研究有了进一步的研究成果。英国华威大学研究团队将冷烧工艺与其他一系列陶瓷烧结技术进行对比，全面分析了冷烧技术所带来的经济和环境效益。

烧结在陶瓷制造中是不可或缺的一个环节，但这个环节耗能高，而且碳排放量大。而冷烧工艺解决了这个问题，因为致密陶瓷可以在200°C以下，而非1400-3000°C的温度范围内，并只需几分钟，而非几个小时内完成烧成这一环节。

据介绍，冷烧工艺结合使用了热量、压力和水，可显著减少能源消耗，远低于传统烧结法、激光烧结法、液相烧结法和快速烧结法等其他烧结工艺。

英国谢菲尔德大学教授首席研究员Ian Reaney解释道：“冷烧工艺是一种颠覆性的新工艺，在这个工艺中，可以在低温下用水作为离子的传输介质来使陶瓷致密化。将湿陶瓷在约200MPa的压力下压入模具中，然后水分蒸发，水离子重结晶，使陶瓷致密化。”他指出，在该过程中会施加单轴压力，整个过程大约需要10-20分钟，具体时长取决于压制材料的类型。

他们正努力将冷烧工艺从实验室带到工业领域。但是，由于冷烧工艺的实验室规模较小，在实验室有限的条件下一次通常只能生产5克陶瓷，这意味着陶瓷制造商还会继续选择原来的高温烧结工艺。研究小组认为，目前陶瓷制造商还没有完全了解使用冷烧工艺可能带来的经济和环境效益，尤其是它的启动成本远低于其他工艺。

研究发现，在这三个案例中，冷烧工艺具有较低资金成本获得最佳投资回报的优势，同时能节省大量能源，减少碳排放，是最为经济的烧结方式。

以钛酸钡陶瓷的烧结技术为例，每节省一吨碳所需要投入的成本，冷烧工艺是最低的——冷烧工艺需要10.63英镑，传统烧结工艺需要76.95 英镑，微波烧结法需要132.59英镑，液相烧结法需要142.81 英镑，热压烧结法需要322.12 英镑，快速烧结法需要340.55英镑，放电等离子体烧结法则需要2273.84英镑。

10秒快烧工艺，比传统烧结快1000倍

最近，美国马里兰大学材料科学与工程系的胡良兵、莫一非，以及弗吉尼亚理工大学郑小雨和加州大学圣迭戈分校骆建，合作重新改造成一种创新的陶瓷材料制造方法，这种陶瓷材料在固态电池、燃料电池、3D打印技术等领域有着广阔的应用前景。相关论文发表在《Science》上，还被选为封面论文，登上《Science》网站滚动头条新闻。

在制造电池固态电解质过程中，采用传统的烧结工艺耗时漫长，需要给炉子加热数小时，之后烧制数小时，才能完成陶瓷材料的烧结。尽管开发出了微波辅助烧结、放电等离子烧结、快速烧结等代替工艺，但受限于材料特殊或者价格昂贵。

该联合研究团队开发了超高速高温烧结新方法，它具有加热速度快、冷却速度快、温度分布均匀、烧结温度高达3000摄氏度等优点。综合起来，这些工艺所需的总处理时间不到10秒，比传统的烧结炉方法快1000倍以上。

据胡良兵介绍，通过这项发明，首先将陶瓷前驱体粉末压坯，之后夹在两根碳条之间，通过碳条的辐射和传导来迅速加热陶瓷前驱体，创造了一个持续的高温环境，迫使陶瓷粉末快速凝固。该工艺产生的温度足够高，基本上可以烧结任何陶瓷材料。这一专利工艺可以扩展到陶瓷以外的其他膜。

目前该技术由HighT-Tech LLC进行商业化。莫一非表示，这种新方法还解决了计算和人工智能材料发现中的关键瓶颈问题，以前所未有的速度加快了材料发现的新范式。

郑小雨表示，热解时间从几十小时缩短到几秒，在快速烧结后，还保留了精细的3D打印结构。

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