陶瓷材料的優(yōu)勢與應用

陶瓷材料極為重要，依靠高的熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性以及化學穩(wěn)定性，在眾多領域被廣泛運用。并且，基于第一性原理方法的計算預測對于加快陶瓷材料的探索進程、推動其發(fā)展改進有著不可忽視的重要價值，同時，通過實驗去證實相關預測的材料特性也是關鍵所在。

傳統(tǒng)陶瓷燒結工藝短板

傳統(tǒng)陶瓷燒結工藝存在明顯局限，其加工時間偏長，而且因為揮發(fā)性元素出現(xiàn)損失，致使成分控制水平不佳，這一系列問題對材料篩選率起到了限制作用。

新型工藝及研發(fā)團隊

為突破上述局限，由美國馬里蘭大學胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亞理工大學、加州大學鄭小雨教授和加州大學圣地亞哥分校駱建教授等組成的團隊，開發(fā)出了超快高溫燒結（UHS）工藝，該工藝是在惰性氣體環(huán)境下，借助輻射加熱的方式來制備陶瓷材料。

UHS 工藝應用展示

文章列舉了多個 UHS 工藝過程的實例，展現(xiàn)出其在固態(tài)電解質、多組分結構以及高通量材料篩選等方面所具備的潛在用途以及應用上取得的進展情況。

UHS 工藝原理

UHS 工藝是把壓制好的陶瓷前體粉末生胚放置在兩根碳條之間，利用碳條通過輻射和傳導的方式快速對生胚進行加熱，以此營造出均勻統(tǒng)一的高溫環(huán)境，該環(huán)境可服務于快速合成（固態(tài)反應）以及反應燒結，促使陶瓷粉末快速實現(xiàn)固化。

工藝可達到的溫度及適用范圍

在惰性氣氛里，這些碳加熱元件能夠提供高達 3000℃的溫度，憑借這樣的高溫條件，幾乎可以滿足任何陶瓷材料的合成與燒結需求。

研究人員的燒結拓展應用

復合結構燒結探索：在燒結應用拓展方面，研究人員的能力不局限于單一成分陶瓷燒結，他們還成功燒結了兩種材料復合的結構，并且十分注重對燒結界面的研究分析，這有助于深入了解不同材料結合處的特性與變化情況，為后續(xù)更多復合陶瓷材料的研發(fā)及應用奠定基礎。

復雜晶格結構燒結實踐：除了常規(guī)的簡單原片結構，研究人員利用先進的 3D 打印技術制造出復雜的晶格結構，然后對其實施快速高溫燒結試驗。值得一提的是，試驗后呈現(xiàn)出良好的結果，原本的復雜晶格結構形狀得以保持，這意味著該燒結方法在處理復雜結構陶瓷材料時具有可行性和穩(wěn)定性，為制造具有特殊性能和復雜形狀的陶瓷制品提供了可能。

超快高溫燒結方法的重要價值

研究人員強調的這種超快高溫燒結方法有著非凡意義，稱得上是超快燒結技術發(fā)展進程中的重要突破。

其一，它的適用性極為廣泛，能夠適用于多種功能材料，這就使得眾多不同功能需求的陶瓷材料都可以借助該方法來進行燒結制備，極大地拓寬了陶瓷材料在各領域應用的范圍。

其二，其在創(chuàng)造非平衡塊狀材料方面展現(xiàn)出巨大潛力，通過保留或者產(chǎn)生額外缺陷來實現(xiàn)這一目的。這些額外的缺陷有可能會賦予陶瓷材料一些獨特的物理、化學等性能，比如可能會改變材料的導電性、硬度等，從而滿足更多特殊場景下對陶瓷材料性能的要求，推動陶瓷材料在高科技等領域發(fā)揮更重要的作用。

 1  燒結方法與傳統(tǒng)燒結方法相比有哪些優(yōu)勢？

加工時間方面

傳統(tǒng)燒結工藝加工時間長。而超快高溫燒結（UHS）工藝通過輻射加熱，能夠快速合成（固態(tài)反應）和反應燒結，使陶瓷粉末迅速固化，大大縮短了加工時間，有效提高了生產(chǎn)效率。

成分控制方面

傳統(tǒng)燒結工藝由于揮發(fā)性元素的損失導致成分控制較差。UHS 工藝是在惰性氣體環(huán)境下進行的，這種環(huán)境可以減少揮發(fā)性元素的損失，使得對陶瓷材料成分的控制更加精準，有利于提高材料的質量和性能。

溫度方面

傳統(tǒng)燒結工藝可能很難達到足夠高的溫度來合成和燒結某些陶瓷材料。而 UHS 工藝中的碳加熱元件在惰性氣氛中可以提供高達 3000℃的溫度，這一高溫足以合成和燒結幾乎任何陶瓷材料，極大地拓寬了可燒結陶瓷材料的范圍。

結構適應性方面

傳統(tǒng)燒結方法在處理復雜結構材料時可能會遇到困難。UHS 工藝不僅可以燒結單一成分的陶瓷，還能燒結兩種材料復合的結構，并且對燒結界面能進行研究。同時，對于 3D 打印機制造的復雜晶格結構，經(jīng)過 UHS 工藝燒結后還能保持原有的結構形狀，這表明 UHS 工藝對不同結構材料的適應性更強。

 2  超快高溫燒結（UHS）工藝的具體應用領域有哪些？

能源領域

• 固態(tài)電池
  ：可用于燒結固態(tài)電解質和電極材料，如在石榴石型固態(tài)電解質（LLZTO）表面原位合成高熵負極材料，構建高穩(wěn)定性的正極 | 電解質界面，顯著降低界面電阻并提高化學穩(wěn)定性，為全固態(tài)鋰電池的商業(yè)化應用鋪平了道路。
• 其他能源存儲材料
  ：制備高性能的超級電容器電極材料、燃料電池電解質和電極等，有助于提高能源存儲和轉換效率，提升設備的性能和穩(wěn)定性。

材料科學研究領域

• 制備高熵材料
  ：通過快速加熱和冷卻過程，在高溫下燒結兩相材料時部分抑制元素交叉擴散，為合成高熵材料提供了新策略，可用于開發(fā)具有優(yōu)異性能的高熵合金、高熵陶瓷等材料。
• 探索非平衡態(tài)材料
  ：利用其高加熱速率和短燒結時間的特點，創(chuàng)造非平衡塊狀材料，保留或產(chǎn)生額外缺陷，研究材料在非平衡態(tài)下的物理和化學性質，為材料科學的理論研究和新材料的發(fā)現(xiàn)提供了新的途徑。

陶瓷工業(yè)領域

• 高性能陶瓷制備
  ：適用于多種高性能陶瓷材料的合成，包括結構陶瓷和功能陶瓷，如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷等，可在短時間內(nèi)實現(xiàn)陶瓷的高密度燒結，提高材料的致密度、硬度和力學性能，用于生產(chǎn)高溫環(huán)境下的爐膛襯里、熱交換器等陶瓷制品。
• 復雜結構陶瓷制造
  ：兼容 3D 打印的陶瓷前體，為制備具有復雜幾何形狀的陶瓷結構提供了可能，可制造出如用于航空航天領域的復雜陶瓷部件、生物醫(yī)學領域的個性化陶瓷植入物等。

粉末冶金領域

雖然傳統(tǒng)上 UHS 工藝主要應用于陶瓷領域，但在粉末冶金領域也有一定的應用潛力，如用于制備金屬材料、高純度金屬材料、納米材料和復合材料等，通過控制燒結溫度、壓力和時間等參數(shù)，可以改變材料的結晶結構和性能，提高材料的致密性和硬度等

 3  與傳統(tǒng)燒結工藝相比，超快高溫燒結（UHS）工藝的能耗如何？

加熱方式及效率

傳統(tǒng)燒結工藝：通常采用電阻加熱等方式，需要將整個爐體加熱至高溫，然后通過熱傳遞來加熱樣品，這種方式能量損失大，效率低。

UHS 工藝：如焦耳熱超快速高溫燒結，是通過材料自身的焦耳效應或利用炭加熱器的熱輻射和傳導對材料進行直接加熱，減少了熱量的傳輸過程，提高了能量的利用率。

燒結時間

傳統(tǒng)燒結工藝：平均完成一次燒結過程需要數(shù)十小時甚至更多，長時間的加熱過程導致能耗巨大。

UHS 工藝：能夠在極短的時間內(nèi)（如幾秒到十幾秒）完成燒結，大大縮短了加熱時間，從而減少了能量的消耗。例如，用 UHS 技術燒結二氧化硅玻璃，僅需約 10 秒，而傳統(tǒng)方法通常需要幾個小時的熱處理。

能量損失

傳統(tǒng)燒結工藝：由于加熱速度慢、燒結時間長，在整個過程中熱量散失較多，例如爐體的散熱、熱量在傳遞過程中的損失等。

UHS 工藝：快速的加熱和冷卻過程減少了熱量在長時間內(nèi)的散失，同時一些 UHS 設備采用了高效的保溫材料和獨特的爐膛設計，進一步減少了熱量的損失，提高了能量的利用效率。

天津中環(huán)電爐產(chǎn)品介紹

焦耳熱燒結爐是一種多用途的新型快速超高溫燒結設備。其工作原理是：利用通電碳材料的焦耳加熱形成高溫場，獲得超快升降溫速率和超高燒結溫度，可在數(shù)分鐘時間內(nèi)實現(xiàn)粉體合成及陶瓷材料的燒結致密化。

相較于傳統(tǒng)燒結設備，其優(yōu)勢在于：可實現(xiàn)陶瓷材料的快速合成和燒結，抑制低熔點組分的高溫揮發(fā)，并制備復雜幾何形狀陶瓷等優(yōu)點。廣泛適用于氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物以及金屬材料等高溫材料，如透明陶瓷、介電陶瓷、陶瓷電解質、氧化物燃料電池材料、催化劑等領域。

優(yōu)越性能

毫秒級脈沖加熱：20ms

超快升溫速率：10-500℃/s

寬溫域比色測溫： 600-3000℃

自定義程序控溫

精準溫度測量：±2℃

先進碳質加熱器：額定溫度 3000℃

技術參數(shù)：

 

焦耳熱燒結爐
產(chǎn)品型號	UHS-3000	UHS-3000P	UHS-2400G(規(guī)劃產(chǎn)品）
額定溫度	3000℃	3000℃	2400℃
快速升溫速率	10-500℃/S	10-500℃/S	10-500℃/S
脈沖模式最小寬度	20ms	20ms	--
計數(shù)脈沖	連續(xù)	連續(xù)	--
發(fā)熱體材質	碳紙、碳氈、石墨加熱	碳紙、碳氈加熱、石墨夾具	碳紙、碳氈加熱
發(fā)熱體尺寸	≤100×20×0.5mm	≤100×20×0.5mm	150×150mm （可根據(jù)溫度需求調整）
控制方式	液晶觸摸屏自動控制	液晶觸摸屏自動控制/手動控制	儀表自動程序控溫/手動調節(jié)(電流、電壓)控溫二合一
測溫方式	紅外測溫儀	紅外測溫儀	鎢錸熱電偶
測溫頻率	20ms	20ms	--
測量精度	±2℃(與紅外測溫儀配置有關）
工作時長	＜2000℃,不超過3min; 2000-3000℃,3～60S	保溫時間≤30min	保溫時間≤30min
適用樣品	片狀、塊狀、粉末	片狀、塊狀、粉末	片狀、塊狀、粉末
輸出電壓	0-40V	0-50V	0-45V
輸出電流	0-250A	0-400A	0-1000A
電壓功率	380V（三相），10KW	380V（三相），20KW(加熱部分）	380V（三相），45KW
冷卻方式	風冷	循環(huán)水冷	循環(huán)水冷
真空腔材質	304不銹鋼，防熱輻射視窗	304不銹鋼，防熱輻射視窗	304不銹鋼，防熱輻射視窗
真空度	前級泵4L以上可達到10Pa	前級泵4L以上可達到10Pa/ 分子泵110機組可達到1E10-3Pa	前級泵6L以上可達到10Pa/ 分子泵600機組可達到1E10-2Pa
氣體控制	一路進氣/一路排氣	1路500SCCM，氮氣標定	2路500SCCM，氮氣標定
外形尺寸 （深寬高）	680×1200×1100mm (含門把手含紅外支架）	600×700×1400mm	910×1350×1780mm