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200℃冷燒、10秒快燒，國外兩項燒結新技術(shù)
發(fā)布時(shí)間：
2022-04-15 14:42
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最近，美國大學(xué)研發(fā)出了2項陶瓷燒結工藝，引起了學(xué)界的重視。
其中，冷燒工藝可以讓陶瓷可以在200°C以下制成，而不需要1400-3000°C高溫，而且燒結時(shí)間只需幾分鐘。
另一項超高速高溫燒結方法，燒結溫度高達3000℃，燒結總時(shí)間不到10秒，比傳統的燒結爐方法快1000倍以上。
200℃冷燒工藝，成本僅為傳統燒結工藝1/7
美國賓夕法尼亞州立大學(xué)研發(fā)出一種叫做冷燒工藝(Cold Sintering Process)的新技術(shù)，最高只需200℃就能制成陶瓷，并且最短在15分鐘之內就能完成燒結，很大程度上降低了陶瓷制造成本。
最近，該項研究有了進(jìn)一步的研究成果。英國華威大學(xué)研究團隊將冷燒工藝與其他一系列陶瓷燒結技術(shù)進(jìn)行對比，全面分析了冷燒技術(shù)所帶來(lái)的經(jīng)濟和環(huán)境效益。
燒結在陶瓷制造中是不可或缺的一個(gè)環(huán)節，但這個(gè)環(huán)節耗能高，而且碳排放量大。而冷燒工藝解決了這個(gè)問(wèn)題，因為致密陶瓷可以在200°C以下，而非1400-3000°C的溫度范圍內，并只需幾分鐘，而非幾個(gè)小時(shí)內完成燒成這一環(huán)節。
據介紹，冷燒工藝結合使用了熱量、壓力和水，可顯著(zhù)減少能源消耗，遠低于傳統燒結法、激光燒結法、液相燒結法和快速燒結法等其他燒結工藝。
英國謝菲爾德大學(xué)教授首席研究員Ian Reaney解釋道：“冷燒工藝是一種顛覆性的新工藝，在這個(gè)工藝中，可以在低溫下用水作為離子的傳輸介質(zhì)來(lái)使陶瓷致密化。將濕陶瓷在約200MPa的壓力下壓入模具中，然后水分蒸發(fā)，水離子重結晶，使陶瓷致密化。”他指出，在該過(guò)程中會(huì )施加單軸壓力，整個(gè)過(guò)程大約需要10-20分鐘，具體時(shí)長(cháng)取決于壓制材料的類(lèi)型。
他們正努力將冷燒工藝從實(shí)驗室帶到工業(yè)領(lǐng)域。但是，由于冷燒工藝的實(shí)驗室規模較小，在實(shí)驗室有限的條件下一次通常只能生產(chǎn)5克陶瓷，這意味著(zhù)陶瓷制造商還會(huì )繼續選擇原來(lái)的高溫燒結工藝。研究小組認為，目前陶瓷制造商還沒(méi)有完全了解使用冷燒工藝可能帶來(lái)的經(jīng)濟和環(huán)境效益，尤其是它的啟動(dòng)成本遠低于其他工藝。
研究發(fā)現，在這三個(gè)案例中，冷燒工藝具有較低資金成本獲得最佳投資回報的優(yōu)勢，同時(shí)能節省大量能源，減少碳排放，是最為經(jīng)濟的燒結方式。
以鈦酸鋇陶瓷的燒結技術(shù)為例，每節省一噸碳所需要投入的成本，冷燒工藝是最低的——冷燒工藝需要10.63英鎊，傳統燒結工藝需要76.95 英鎊，微波燒結法需要132.59英鎊，液相燒結法需要142.81 英鎊，熱壓燒結法需要322.12 英鎊，快速燒結法需要340.55英鎊，放電等離子體燒結法則需要2273.84英鎊。
10秒快燒工藝，比傳統燒結快1000倍
最近，美國馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程系的胡良兵、莫一非，以及弗吉尼亞理工大學(xué)鄭小雨和加州大學(xué)圣迭戈分校駱建，合作重新改造成一種創(chuàng )新的陶瓷材料制造方法，這種陶瓷材料在固態(tài)電池、燃料電池、3D打印技術(shù)等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。相關(guān)論文發(fā)表在《Science》上，還被選為封面論文，登上《Science》網(wǎng)站滾動(dòng)頭條新聞。
在制造電池固態(tài)電解質(zhì)過(guò)程中，采用傳統的燒結工藝耗時(shí)漫長(cháng)，需要給爐子加熱數小時(shí)，之后燒制數小時(shí)，才能完成陶瓷材料的燒結。盡管開(kāi)發(fā)出了微波輔助燒結、放電等離子燒結、快速燒結等代替工藝，但受限于材料特殊或者價(jià)格昂貴。
該聯(lián)合研究團隊開(kāi)發(fā)了超高速高溫燒結新方法，它具有加熱速度快、冷卻速度快、溫度分布均勻、燒結溫度高達3000攝氏度等優(yōu)點(diǎn)。綜合起來(lái)，這些工藝所需的總處理時(shí)間不到10秒，比傳統的燒結爐方法快1000倍以上。
據胡良兵介紹，通過(guò)這項發(fā)明，首先將陶瓷前驅體粉末壓坯，之后夾在兩根碳條之間，通過(guò)碳條的輻射和傳導來(lái)迅速加熱陶瓷前驅體，創(chuàng )造了一個(gè)持續的高溫環(huán)境，迫使陶瓷粉末快速凝固。該工藝產(chǎn)生的溫度足夠高，基本上可以燒結任何陶瓷材料。這一專(zhuān)利工藝可以擴展到陶瓷以外的其他膜。
目前該技術(shù)由HighT-Tech LLC進(jìn)行商業(yè)化。莫一非表示，這種新方法還解決了計算和人工智能材料發(fā)現中的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題，以前所未有的速度加快了材料發(fā)現的新范式。
鄭小雨表示，熱解時(shí)間從幾十小時(shí)縮短到幾秒，在快速燒結后，還保留了精細的3D打印結構。
燒結
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