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200℃冷燒、10秒快燒，國(guó)外兩項(xiàng)燒結(jié)新技術(shù)
發(fā)布時(shí)間：
2022-04-15 14:42
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最近，美國(guó)大學(xué)研發(fā)出了2項(xiàng)陶瓷燒結(jié)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(jié)時(shí)間只需幾分鐘。
另一項(xiàng)超高速高溫?zé)Y(jié)方法，燒結(jié)溫度高達(dá)3000℃，燒結(jié)總時(shí)間不到10秒，比傳統(tǒng)的燒結(jié)爐方法快1000倍以上。
200℃冷燒工藝，成本僅為傳統(tǒng)燒結(jié)工藝1/7
美國(guó)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(nèi)就能完成燒結(jié)，很大程度上降低了陶瓷制造成本。
最近，該項(xiàng)研究有了進(jìn)一步的研究成果。英國(guó)華威大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將冷燒工藝與其他一系列陶瓷燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，全面分析了冷燒技術(shù)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
燒結(jié)在陶瓷制造中是不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，但這個(gè)環(huán)節(jié)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?yàn)橹旅芴沾煽梢栽?00°C以下，而非1400-3000°C的溫度范圍內(nèi)，并只需幾分鐘，而非幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成燒成這一環(huán)節(jié)。
據(jù)介紹，冷燒工藝結(jié)合使用了熱量、壓力和水，可顯著減少能源消耗，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燒結(jié)法、激光燒結(jié)法、液相燒結(jié)法和快速燒結(jié)法等其他燒結(jié)工藝。
英國(guó)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(jié)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(zhǎng)取決于壓制材料的類型。
他們正努力將冷燒工藝從實(shí)驗(yàn)室?guī)У焦I(yè)領(lǐng)域。但是，由于冷燒工藝的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模較小，在實(shí)驗(yàn)室有限的條件下一次通常只能生產(chǎn)5克陶瓷，這意味著陶瓷制造商還會(huì)繼續(xù)選擇原來(lái)的高溫?zé)Y(jié)工藝。研究小組認(rèn)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(jì)和環(huán)境效益，尤其是它的啟動(dòng)成本遠(yuǎn)低于其他工藝。
研究發(fā)現(xiàn)，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(bào)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能節(jié)省大量能源，減少碳排放，是最為經(jīng)濟(jì)的燒結(jié)方式。
以鈦酸鋇陶瓷的燒結(jié)技術(shù)為例，每節(jié)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(tǒng)燒結(jié)工藝需要76.95 英鎊，微波燒結(jié)法需要132.59英鎊，液相燒結(jié)法需要142.81 英鎊，熱壓燒結(jié)法需要322.12 英鎊，快速燒結(jié)法需要340.55英鎊，放電等離子體燒結(jié)法則需要2273.84英鎊。
10秒快燒工藝，比傳統(tǒng)燒結(jié)快1000倍
最近，美國(guó)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)域有著廣闊的應(yīng)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(tǒng)的燒結(jié)工藝耗時(shí)漫長(zhǎng)，需要給爐子加熱數(shù)小時(shí)，之后燒制數(shù)小時(shí)，才能完成陶瓷材料的燒結(jié)。盡管開發(fā)出了微波輔助燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、快速燒結(jié)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了超高速高溫?zé)Y(jié)新方法，它具有加熱速度快、冷卻速度快、溫度分布均勻、燒結(jié)溫度高達(dá)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(tǒng)的燒結(jié)爐方法快1000倍以上。
據(jù)胡良兵介紹，通過(guò)這項(xiàng)發(fā)明，首先將陶瓷前驅(qū)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(dǎo)來(lái)迅速加熱陶瓷前驅(qū)體，創(chuàng)造了一個(gè)持續(xù)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(jié)任何陶瓷材料。這一專利工藝可以擴(kuò)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(jì)算和人工智能材料發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(jié)后，還保留了精細(xì)的3D打印結(jié)構(gòu)。
燒結(jié)
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