華人科學(xué)家登上Science封面：一分鐘完成燒結(jié)陶瓷

美國馬?蘭?學(xué)帕克分校的科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國加州?學(xué)發(fā)布最新研究成果，他們利用在惰性氣氛中輻射加熱，采用大數(shù)據(jù)計(jì)算方式，開發(fā)了一種超快高溫?zé)Y(jié)(UHS)工藝方法，10秒合成，最多需要1分鐘時(shí)間加熱，就可輕松完成燒結(jié)陶瓷過程，從而制備陶瓷材料，形成固態(tài)樣品。

據(jù)悉，該研究成果剛剛發(fā)表在知名科學(xué)期刊《Science》（科學(xué)）雜志封面上。

本論文通訊作者，馬里蘭大學(xué)杰出講席教授，材料創(chuàng)新中心的主任胡良兵（Liangbing Hu）教授通過郵件方式對(duì)鈦媒體App表示，這一新的研究成果，是將傳統(tǒng)工藝與大數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高功能材料快速篩選過程，加速陶瓷材料領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)程。

陶瓷是以天然粘土以及各種天然礦物為主要原料，經(jīng)過粉碎混煉、成型和燒制過程才得到的。由于其出色的外觀和化學(xué)穩(wěn)定性，陶瓷被廣泛應(yīng)用于各種場景中。

而在制造陶瓷的過程中，燒結(jié)工藝是最耗時(shí)間，也是最難的流程之一。

經(jīng)過成型之后的陶瓷制品，坯體表面仍具有“表面能”（注：“表面能”指的是創(chuàng)造物質(zhì)表面時(shí)，破壞分子間作用力所需消耗的能量）較高的粉粒。工人利用燒結(jié)方式，實(shí)際上是在降低“表面能”的方向變化，不斷進(jìn)行物質(zhì)遷移，晶界隨之移動(dòng)，氣孔逐步排除，產(chǎn)生收縮，使坯體成為具有一定強(qiáng)度的、致密的瓷體。工人需要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)，甚至是幾天時(shí)間，才可以煅燒出精美的陶瓷樣品。而且，燒結(jié)過程并不可控，最終成品良率并不高。

因此，現(xiàn)有燒結(jié)工藝具有很多局限性，例如，燒結(jié)時(shí)間長，燒結(jié)工藝復(fù)雜，燒結(jié)過程需要加壓 （SPS 燒結(jié)），燒結(jié)溫度低，燒結(jié)樣品結(jié)構(gòu)局限單一等，陶瓷成品低的主要原因是揮發(fā)性成分元素的降解，使得合成潛力受限。

而胡良兵團(tuán)隊(duì)的最新研究，旨在提供一種快速，高效，簡單，節(jié)能，普適性的燒結(jié)方法，提升合成潛力。

10秒陶瓷合成模擬顆粒加熱過程

經(jīng)過多次試驗(yàn)后，他們利用鹽或氧化物，壓制一形狀與藥片類似的顆粒，夾置在兩個(gè)焦耳加熱碳帶之間，形成加熱臺(tái)，將其放入煅爐內(nèi)，使得揮發(fā)性成分元素不降解，成型陶瓷樣品表面可均勻受熱。大約10秒鐘后，樣本表面就可達(dá)到三千攝氏度以上，滿足燒結(jié)溫度。他們還利用大數(shù)據(jù)計(jì)算方式，檢測緞爐燒制溫度，讓加熱臺(tái)在適宜時(shí)間放入煅爐。

利用這一新的燒結(jié)方法，科研人員最終得到了穩(wěn)定的陶瓷樣本，成品良率顯著提升。

胡良兵對(duì)鈦媒體App表示，這一快速燒結(jié)工藝的燒結(jié)時(shí)間是可調(diào)的，可根據(jù)燒結(jié)材料特性和所需結(jié)構(gòu)而定，一般在1秒到1分鐘之間，而傳統(tǒng)燒結(jié)工藝需要幾十個(gè)小時(shí)。

他強(qiáng)調(diào)，新的燒結(jié)方法和傳統(tǒng)燒結(jié)方法相比，會(huì)有很大不同。不僅僅在于電阻加熱和壓制顆粒的作用，更多的是在燒結(jié)陶瓷過程中，固相反應(yīng)和高溫煅燒同時(shí)進(jìn)行，加速陶瓷表面氣孔減少過程，提高合成潛力。

胡良兵認(rèn)為，該方法還能與3D打印技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的陶瓷材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，未來或能夠用于制造新型固態(tài)電解質(zhì)。

當(dāng)被問及該研究的局限性時(shí)，胡良兵教授對(duì)鈦媒體App表示，由于該研究所涉及的燒結(jié)覆蓋面積有一定限制，目前團(tuán)隊(duì)正在研究大面積燒結(jié)技術(shù)。但他認(rèn)為，總體而言，本論文中提及的快速燒結(jié)方法，有很好的普適性、高效性。燒結(jié)機(jī)理是值得分享和借鑒，這是至關(guān)重要的。

下一步，該團(tuán)隊(duì)將持續(xù)研究這一燒結(jié)機(jī)理，并未來有望于推廣到催化、固態(tài)電池等領(lǐng)域，用于解決現(xiàn)有金屬，玻璃，催化劑制備過程遇到的升降溫速率慢、元素易揮發(fā)，結(jié)構(gòu)不致密等難題。他們已經(jīng)成立了一家名為HighT-Tech LLC（高溫高科）公司，處理相關(guān)需求。