华人科学家登上Science封面：一分钟完成烧结陶瓷

亦笑我苦心无主

《Science》May 1 封面图（来源：官方）
钛媒体 5 月 1 日消息，美国马兰学帕克分校的科研团队联合美国加州学发布最新研究成果，他们利用在惰性气氛中辐射加热，采用大数据计算方式，开发了一种超快高温烧结 ( UHS ) 工艺方法，10 秒合成，最多需要 1 分钟时间加热，就可轻松完成烧结陶瓷过程，从而制备陶瓷材料，形成固态样品。
据悉，该研究成果刚刚发表在知名科学期刊《Science》（科学）杂志封面上。
本论文通讯作者，马里兰大学杰出讲席教授，材料创新中心的主任胡良兵（Liangbing Hu）教授通过邮件方式对钛媒体 App 表示，这一新的研究成果，是将传统工艺与大数据计算结果相结合，实现了高功能材料快速筛选过程，加速陶瓷材料领域发展进程。


马里兰大学的胡良兵教授（受访者提供）
陶瓷是以天然粘土以及各种天然矿物为主要原料，经过粉碎混炼、成型和烧制过程才得到的。由于其出色的外观和化学稳定性，陶瓷被广泛应用于各种场景中。
而在制造陶瓷的过程中，烧结工艺是最耗时间，也是最难的流程之一。
经过成型之后的陶瓷制品，坯体表面仍具有 " 表面能 "（注：" 表面能 " 指的是创造物质表面时，破坏分子间作用力所需消耗的能量）较高的粉粒。工人利用烧结方式，实际上是在降低 " 表面能 " 的方向变化，不断进行物质迁移，晶界随之移动，气孔逐步排除，产生收缩，使坯体成为具有一定强度的、致密的瓷体。工人需要花费几个小时，甚至是几天时间，才可以煅烧出精美的陶瓷样品。而且，烧结过程并不可控，最终成品良率并不高。
因此，现有烧结工艺具有很多局限性，例如，烧结时间长，烧结工艺复杂，烧结过程需要加压 （SPS 烧结），烧结温度低，烧结样品结构局限单一等，陶瓷成品低的主要原因是挥发性成分元素的降解，使得合成潜力受限。
而胡良兵团队的最新研究，旨在提供一种快速，高效，简单，节能，普适性的烧结方法，提升合成潜力。


10 秒陶瓷合成模拟颗粒加热过程
经过多次试验后，他们利用盐或氧化物，压制一形状与药片类似的颗粒，夹置在两个焦耳加热碳带之间，形成加热台，将其放入煅炉内，使得挥发性成分元素不降解，成型陶瓷样品表面可均匀受热。大约 10 秒钟后，样本表面就可达到三千摄氏度以上，满足烧结温度。他们还利用大数据计算方式，检测缎炉烧制温度，让加热台在适宜时间放入煅炉。
利用这一新的烧结方法，科研人员最终得到了稳定的陶瓷样本，成品良率显著提升。
胡良兵对钛媒体 App 表示，这一快速烧结工艺的烧结时间是可调的，可根据烧结材料特性和所需结构而定，一般在 1 秒到 1 分钟之间，而传统烧结工艺需要几十个小时。
他强调，新的烧结方法和传统烧结方法相比，会有很大不同。不仅仅在于电阻加热和压制颗粒的作用，更多的是在烧结陶瓷过程中，固相反应和高温煅烧同时进行，加速陶瓷表面气孔减少过程，提高合成潜力。


胡良兵认为，该方法还能与 3D 打印技术相结合，实现复杂的陶瓷材料结构设计，未来或能够用于制造新型固态电解质。
当被问及该研究的局限性时，胡良兵教授对钛媒体 App 表示，由于该研究所涉及的烧结覆盖面积有一定限制，目前团队正在研究大面积烧结技术。但他认为，总体而言，本论文中提及的快速烧结方法，有很好的普适性、高效性。烧结机理是值得分享和借鉴，这是至关重要的。
下一步，该团队将持续研究这一烧结机理，并未来有望于推广到催化、固态电池等领域，用于解决现有金属，玻璃，催化剂制备过程遇到的升降温速率慢、元素易挥发，结构不致密等难题。他们已经成立了一家名为 HighT-Tech LLC（高温高科）公司，处理相关需求。（本文首发钛媒体 App，作者 | 林志佳，编辑 | 赵宇航）
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