第一作者：Chengwei Wang, Weiwei Ping, Qiang Bai, Huachen Cui, Ryan Hensleigh
通訊作者：Liangbing Hu, Yifei Mo, Xiaoyu (Rayne) Zheng, Jian Luo
通訊單位：馬里蘭大學, 弗吉尼亞理工大學,加州大學圣地亞哥分校
研究要點：
1. 發(fā)展了一種普適性的超快速高溫陶瓷燒結(jié)工藝。
2. 為新型陶瓷材料的高通量合成、篩選和發(fā)現(xiàn)提供了全新的平臺。
老技術的新希望
陶瓷具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和力學穩(wěn)定性，早在26000年前，陶瓷燒結(jié)技術就被發(fā)明并加以利用。進入現(xiàn)代社會以來，陶瓷材料更是在電子元器件，能源存儲以及極端環(huán)境等領域廣泛應用。
如何加速發(fā)現(xiàn)更多更優(yōu)異的陶瓷材料，是當前陶瓷材料領域的重要問題。基于第一性原理的計算，不必一個一個實驗，就能預測材料屬性，為加速陶瓷材料的發(fā)現(xiàn)和改良提供了良好的平臺。
問題在于：常規(guī)的陶瓷燒結(jié)技術往往需要在高溫下進行，加工時間長達數(shù)小時，而且揮發(fā)性元素也會部分損失，這些局限性使得高通量陶瓷材料的高通量篩選變得極為困難。譬如，在陶瓷基固態(tài)電解質(zhì)的燒結(jié)過程中，Li和Na的劇烈揮發(fā)燒結(jié)，對于鋰電池的能效和安全性帶來了不少隱患。
于是，科學家和工程師開發(fā)了一系列新型的陶瓷燒結(jié)技術，包括微波輔助燒結(jié)，火花等離子燒結(jié)和快速燒結(jié)等等。其中：
1）微波輔助燒結(jié)技術：取決于材料的微波吸收特性或基底。
2）火花等離子燒結(jié)技術（SPS）：要求在燒結(jié)時使用模具壓縮陶瓷，這使得燒結(jié)具有復雜三維（3D）結(jié)構(gòu)的樣品較為困難。此外，SPS技術一次通常只能生產(chǎn)一個樣品，雖然已經(jīng)有特殊工具可用于多個樣品的同時制備。
3）快速燒結(jié)，光子燒結(jié)和快速熱退火技術具有?103至104°C / min的超快加熱速率。然而，快速燒結(jié)技術通常需要昂貴的Pt電極并且是材料特定的。盡管快速燒結(jié)可以應用于許多陶瓷，但是快速燒結(jié)條件在很大程度上取決于材料的電特性，從而限制了該方法的普適性以及在材料性質(zhì)未知時用于高通量加工的實用性。光子燒結(jié)技術溫度通常太低而無法燒結(jié)陶瓷。快速熱退火技術可成功用于ZnO燒結(jié)，但是需要通過昂貴的設備提供高達1200°C的燒結(jié)溫度。
為了克服這些限制，馬里蘭大學胡良兵，Yifei Mo以及弗吉尼亞理工大學Xiaoyu (Rayne) Zheng、加州大學圣地亞哥分校Jian Luo等人開發(fā)了一種普適性的超快速高溫陶瓷燒結(jié)工藝（UHS），可以超快速合成各種陶瓷，同時減少揮發(fā)性元素的損失，為陶瓷材料的高通量合成、篩選、發(fā)現(xiàn)提供了全新的平臺！該技術基于惰性氣氛下輻射加熱的原理，過電阻加熱薄碳條實現(xiàn)快速升溫和降溫。研究人員將壓制的陶瓷前體粉末生坯夾在兩個碳條之間，碳條通過輻射和傳導迅速加熱，形成均勻的高溫環(huán)境，實現(xiàn)陶瓷材料的快速燒結(jié)。該技術具有均勻的溫度分布，高加熱速率（?103至104°C / min）和高降溫速率（最高104°C / min）以及高燒結(jié)溫度（最高3000°C）等優(yōu)點。超高的加熱速率和加加熱溫度使燒結(jié)時間縮短到了約10 s，遠遠超過了大多數(shù)傳統(tǒng)熔爐。一方面，高達3000℃的高溫，足以合成和燒結(jié)幾乎任何陶瓷材料。另一方面，短的燒結(jié)時間避免了不必要的揮發(fā)。由于該工藝不取決于材料的固有特性，因此適用于絕大多數(shù)常規(guī)陶瓷材料的快速合成和燒結(jié)。配合理論計算對新材料的預測，UHS可以進行快速的實驗驗證，實現(xiàn)跨越廣泛成分的材料發(fā)現(xiàn)。1）將低熔點材料引入陶瓷，在較低的燒結(jié)溫度下獲得致密結(jié)構(gòu)。通過在LLZTO石榴石中添加Li3PO4來燒結(jié)陶瓷復合材料SSE。其中Li3PO4可以在1200°C左右熔化，通過超快液相燒結(jié)與LLZTO顆粒焊接以形成致密的復合顆粒。與傳統(tǒng)方法相比，這種方法具有更少的副反應。2）燒結(jié)具有復雜幾何形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)。一把來說，常規(guī)的SPS技術與3D打印的結(jié)構(gòu)是不兼容的。然而，UHS技術成功地燒結(jié)了具有均勻收縮和良好結(jié)構(gòu)的聚合物衍生陶瓷（碳氧化硅，SiOC）。此外，還可以通過堆疊結(jié)構(gòu)以形成更復雜的3D晶格設計。由于交叉擴散，這些結(jié)構(gòu)的共燒結(jié)極具挑戰(zhàn)性。為了探究UHS在這種復雜設計中的功能，研究人員以3D打印的多材料蜂窩結(jié)構(gòu)為例進行演示。其中摻Al的SiOC（用于壓阻響應）和摻Co的SiOC（用于磁響應）形成磁通量傳感器（圖S31）。UHS燒結(jié)可保持結(jié)構(gòu)的完美，摻雜物擴散達到最少。最終，3D打印的磁通量傳感器設備將磁場有效地轉(zhuǎn)換為電壓信號。相反，傳統(tǒng)的燒結(jié)方法在不同材料之間存在大量擴散，導致壓阻感測的靈敏度較差。3）快速燒結(jié)使陶瓷可伸縮，卷對卷燒結(jié)成為可能。因為前體薄膜可以快速穿過加熱條以實現(xiàn)連續(xù)的UHS，而高溫薄碳加熱器也非常靈活，因此可以保形地包裹結(jié)構(gòu)，以快速燒結(jié)非常規(guī)形狀和器件4）其他可能。第一，由于極高的溫度，UHS可以很容易地擴展到廣泛的非氧化物高溫材料，包括金屬，碳化物，硼化物，氮化物和硅化物。第二，UHS還可以用于制造多級次功能材料，并使相互擴散減小到最少。第三，UHS過程的超快速非平衡性質(zhì)可能會產(chǎn)生具有特殊的點缺陷，位錯，其他缺陷或亞穩(wěn)態(tài)相，從而產(chǎn)生理想的性能。最后，這種UHS方法具有可控和可調(diào)節(jié)的溫度曲線，能夠控制燒結(jié)和微觀結(jié)構(gòu)的演變。總之，這項研究為開發(fā)了一種前所未有的超快速陶瓷燒結(jié)技術，有望推動新型陶瓷材料的跨越式發(fā)展，并為能源、電子器件和環(huán)境等領域帶來新的發(fā)展。Chengwei Wang et al. A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds. Science 2020, 368, 521-526.https://science.sciencemag.org/content/368/6490/521
