導讀：陶瓷的燒結技術有26000多年曆史，但傳統的陶瓷燒結往往需要在高溫下幾個小時的加工時間，這極大地阻礙了高通量先進陶瓷材料的發展。雖然已經開發了一系列新型的燒結技術，然而各種方法都有很大的侷限性。胡良兵等人報道了一種通用的超快高溫燒結方法，使燒結時間縮短為10s，遠遠超過大多數常規燒結。相關論文被選為封面文章今天發表在頂級期刊《Science》。
陶瓷由於其高的熱、機械和化學穩定性，在電子、儲能和極端環境中得到了廣泛的應用。實際上，陶瓷的燒結技術可以追溯到26000多年前，但傳統的陶瓷燒結往往需要在高溫下幾個小時的加工時間，這極大地阻礙了高通量先進陶瓷材料的發展。例如，在陶瓷基固態電解質（SSE）的開發過程中，長時間的燒結加劇了Li或Na的劇烈揮發，嚴重阻礙了高能源效率和安全性的新型電池的發展。
其中，研究者們已經開發了諸如微波輔助燒結、火花等離子體燒結（SPS）和快速燒結等一系列新型的燒結技術。具體來講，微波輔助陶瓷燒結往往取決於材料或感應器的微波吸收性能；SPS技術要求在燒結的同時使用模具來壓縮陶瓷，這使得製備具有複雜三維結構的燒結陶瓷變得更加困難，此外，雖然可以使用特殊的工具來製造多個樣品，但SPS通常一次只生產一個樣品；最新發展的快速燒結、光子燒結和快速熱退火（RTA）方法的將加熱速度提高到103~104℃/min。然而，快速燒結通常需要使用昂貴的Pt電極，並且置於特定於材料中。雖然快速燒結可以應用於許多陶瓷，但其燒結條件強烈依賴於材料的電特性，極大地限制了材料的一般適用性及在材料性能未知時高通量處理的效果。通常情況下，光子燒結溫度太低，無法燒結陶瓷。RTA也已成功地用於燒結ZnO，但這種方法需要在特定的昂貴的設備中提供高達1200°C燒結溫度，才能達到燒結效果。
近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授和莫一非教授、弗吉尼亞大學鄭小雨教授以及加州大學聖地亞哥分校駱建教授報道了一種稱為超快高溫燒結（UHS）的陶瓷合成方法，其具有均勻的溫度分佈、高加熱速率（103~104℃/min）和冷卻速率（高達104℃/min），以及較高的燒結溫度（高達3000°C）。超高加熱速率和溫度使燒結時間縮短為10s，遠遠超過大多數常規燒結。相關論文以題為“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”於2020年5月1日發表在Science上並被選為封面文章。
論文鏈接
https://science.sciencemag.org/content/368/6490/521
為了進行這一過程，將陶瓷前驅體粉末直接夾在兩個焦耳加熱碳條之間，通過輻射和快速加熱，誘導形成均勻的高溫環境，從而用於陶瓷材料的快速合成和反應燒結。在惰性氣氛中，這些加熱元件可以提供高達3000°的溫度，足以合成和燒結幾乎任何陶瓷材料， 使得短的燒結時間也有助於防止多層結構界面的揮發和不良的擴散。同時UHS工藝還與陶瓷前驅體的3D打印兼容，除了在多層陶瓷化合物之間有明確的界面外，還能產生新的燒結結構。此外，UHS的快速實驗驗證與新材料的計算結果相結合，這有利於新的超越材料本身的發現。這種陶瓷燒結技術的發現也推動了包括薄膜SSE和電池內新的應用的發展前景。
圖1. 陶瓷快速燒結工藝及其裝置。（A）UHS合成工藝原理圖：在10s的高溫燒結，溫度高達3000°°C，將前驅體壓制後的綠色顆粒直接燒結成緻密的陶瓷成分；（B，C）UHS燒結裝置在室溫下，不施加電流，和在1500°C的圖像，其中緊密包裝的加熱帶周圍的壓制綠色球提供了一個均勻的溫度分佈，使陶瓷快速燒結。
圖2.陶瓷材料的快速燒結。（A）UHS中溫度分佈；（B，C）UHS燒結和常規爐燒結LLZTO截面SEM圖像；（D）利用UHS技術和常規爐，用0、10和20%過量Li的前驅體燒結的不同LLZTO樣品的Li損失量；（E）在10S內UHS工藝燒結的各種陶瓷圖片。
圖3.用於陶瓷篩選的快速燒結技術。 （A）通過計算預測和快速合成加速材料發現；（B）預測石榴石新成分的計算工作流程；（C）該表列出了不同穩定性的預測石榴石成分；（D）通過UHS技術和計算預測的石榴石材料的圖片；（E） 用UHS技術在10s內共燒結100個陶瓷樣品的原理圖；（F）UHS共燒的10個石榴石樣品裝置圖片；（G）在不同電流密度下循環的Li-Li對稱電池的電壓和電流分佈曲線。
圖4. UHS燒結技術所實現的結構。（A，B）共混LATP-LLZTO雙層SSE(A)和LLZTO-Li3PO4複合SSE(B)的原理圖和能量色散譜圖；（C）單一材料SiOC聚合物前驅體的照片；（D）用UHS法燒結SiOC樣品的照片，顯示了均勻的材料收縮和完整的結構；（E）四種不同重複單元的UHS燒結複合結構；（F） 多層3D打印的SiOC聚合物前驅體(摻雜Al和Co)和相應的UHS燒結結構；（G） UHS燒結和常規爐燒結SiOC樣品的元素映射；（H）由UHS和常規燒結的3D打印磁通密度傳感器裝置的壓阻與由磁力引起的應力的關係。
總而言之，快速燒結使陶瓷使前驅體薄膜可以快速加熱帶實現連續的超快高溫燒結（UHS），從而驅動具有可擴展和卷對卷燒結的發展。同時，在UHS技術中，薄且高溫的碳加熱器也具有很高的靈活性，可以完美的包裹結構，用於非常規形狀和器件的快速燒結。其潛在可以用於：（1）UHS由於其極高的溫度，可以很容易地擴展到廣泛的非氧化物高溫材料，如金屬、碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等；（2） UHS還可用於製造功能性的分級材料，其具有最小的交叉擴散；（3）超快燒結性質的UHS過程可能產生點缺陷、位錯和其他缺陷或亞穩相，從而得到想要的材料性質；（4）這種UHS方法允許可控和可調的溫度分佈，以實現控制燒結和微觀結構演化。（文：Caspar）
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