陶瓷材料的優(yōu)勢與應(yīng)用

陶瓷材料極為重要，依靠高的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性，在眾多領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。并且，基于第一性原理方法的計(jì)算預(yù)測對(duì)于加快陶瓷材料的探索進(jìn)程、推動(dòng)其發(fā)展改進(jìn)有著不可忽視的重要價(jià)值，同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)去證實(shí)相關(guān)預(yù)測的材料特性也是關(guān)鍵所在。

傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)工藝短板

傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)工藝存在明顯局限，其加工時(shí)間偏長，而且因?yàn)閾]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(duì)材料篩選率起到了限制作用。

新型工藝及研發(fā)團(tuán)隊(duì)

為突破上述局限，由美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亞理工大學(xué)、加州大學(xué)鄭小雨教授和加州大學(xué)圣地亞哥分校駱建教授等組成的團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出了超快高溫?zé)Y(jié)（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(yīng)用展示

文章列舉了多個(gè) UHS 工藝過程的實(shí)例，展現(xiàn)出其在固態(tài)電解質(zhì)、多組分結(jié)構(gòu)以及高通量材料篩選等方面所具備的潛在用途以及應(yīng)用上取得的進(jìn)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(dǎo)的方式快速對(duì)生胚進(jìn)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(wù)于快速合成（固態(tài)反應(yīng)）以及反應(yīng)燒結(jié)，促使陶瓷粉末快速實(shí)現(xiàn)固化。

工藝可達(dá)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(dá) 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(jié)需求。

研究人員的燒結(jié)拓展應(yīng)用

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

復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)燒結(jié)實(shí)踐：除了常規(guī)的簡單原片結(jié)構(gòu)，研究人員利用先進(jìn)的 3D 打印技術(shù)制造出復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，然后對(duì)其實(shí)施快速高溫?zé)Y(jié)試驗(yàn)。值得一提的是，試驗(yàn)后呈現(xiàn)出良好的結(jié)果，原本的復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)形狀得以保持，這意味著該燒結(jié)方法在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷材料時(shí)具有可行性和穩(wěn)定性，為制造具有特殊性能和復(fù)雜形狀的陶瓷制品提供了可能。

超快高溫?zé)Y(jié)方法的重要價(jià)值

研究人員強(qiáng)調(diào)的這種超快高溫?zé)Y(jié)方法有著非凡意義，稱得上是超快燒結(jié)技術(shù)發(fā)展進(jìn)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(jìn)行燒結(jié)制備，極大地拓寬了陶瓷材料在各領(lǐng)域應(yīng)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(shí)現(xiàn)這一目的。這些額外的缺陷有可能會(huì)賦予陶瓷材料一些獨(dú)特的物理、化學(xué)等性能，比如可能會(huì)改變材料的導(dǎo)電性、硬度等，從而滿足更多特殊場景下對(duì)陶瓷材料性能的要求，推動(dòng)陶瓷材料在高科技等領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

 1  燒結(jié)方法與傳統(tǒng)燒結(jié)方法相比有哪些優(yōu)勢？

加工時(shí)間方面

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

成分控制方面

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

溫度方面

傳統(tǒng)燒結(jié)工藝可能很難達(dá)到足夠高的溫度來合成和燒結(jié)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(dá) 3000℃的溫度，這一高溫足以合成和燒結(jié)幾乎任何陶瓷材料，極大地拓寬了可燒結(jié)陶瓷材料的范圍。

結(jié)構(gòu)適應(yīng)性方面

傳統(tǒng)燒結(jié)方法在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料時(shí)可能會(huì)遇到困難。UHS 工藝不僅可以燒結(jié)單一成分的陶瓷，還能燒結(jié)兩種材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)，并且對(duì)燒結(jié)界面能進(jìn)行研究。同時(shí)，對(duì)于 3D 打印機(jī)制造的復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)，經(jīng)過 UHS 工藝燒結(jié)后還能保持原有的結(jié)構(gòu)形狀，這表明 UHS 工藝對(duì)不同結(jié)構(gòu)材料的適應(yīng)性更強(qiáng)。

 2  超快高溫?zé)Y(jié)（UHS）工藝的具體應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

能源領(lǐng)域

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

材料科學(xué)研究領(lǐng)域

• 制備高熵材料
  ：通過快速加熱和冷卻過程，在高溫下燒結(jié)兩相材料時(shí)部分抑制元素交叉擴(kuò)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(jié)時(shí)間的特點(diǎn)，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(xué)性質(zhì)，為材料科學(xué)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(lǐng)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(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷，如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷等，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)陶瓷的高密度燒結(jié)，提高材料的致密度、硬度和力學(xué)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(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷制造
  ：兼容 3D 打印的陶瓷前體，為制備具有復(fù)雜幾何形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)提供了可能，可制造出如用于航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜陶瓷部件、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的個(gè)性化陶瓷植入物等。

粉末冶金領(lǐng)域

雖然傳統(tǒng)上 UHS 工藝主要應(yīng)用于陶瓷領(lǐng)域，但在粉末冶金領(lǐng)域也有一定的應(yīng)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(fù)合材料等，通過控制燒結(jié)溫度、壓力和時(shí)間等參數(shù)，可以改變材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和性能，提高材料的致密性和硬度等

 3  與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，超快高溫?zé)Y(jié)（UHS）工藝的能耗如何？

加熱方式及效率

傳統(tǒng)燒結(jié)工藝：通常采用電阻加熱等方式，需要將整個(gè)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?zé)Y(jié)，是通過材料自身的焦耳效應(yīng)或利用炭加熱器的熱輻射和傳導(dǎo)對(duì)材料進(jìn)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(jié)時(shí)間

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

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

能量損失

傳統(tǒng)燒結(jié)工藝：由于加熱速度慢、燒結(jié)時(shí)間長，在整個(gè)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(shí)間內(nèi)的散失，同時(shí)一些 UHS 設(shè)備采用了高效的保溫材料和獨(dú)特的爐膛設(shè)計(jì)，進(jìn)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(jié)爐是一種多用途的新型快速超高溫?zé)Y(jié)設(shè)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(jié)溫度，可在數(shù)分鐘時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)粉體合成及陶瓷材料的燒結(jié)致密化。

相較于傳統(tǒng)燒結(jié)設(shè)備，其優(yōu)勢在于：可實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的快速合成和燒結(jié)，抑制低熔點(diǎn)組分的高溫?fù)]發(fā)，并制備復(fù)雜幾何形狀陶瓷等優(yōu)點(diǎn)。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(zhì)、氧化物燃料電池材料、催化劑等領(lǐng)域。

優(yōu)越性能

毫秒級(jí)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(zhǔn)溫度測量：±2℃

先進(jìn)碳質(zhì)加熱器：額定溫度 3000℃

技術(shù)參數(shù)：

 

焦耳熱燒結(jié)爐
產(chǎn)品型號(hào)	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(jì)數(shù)脈沖	連續(xù)	連續(xù)	--
發(fā)熱體材質(zhì)	碳紙、碳?xì)?、石墨加?/span>	碳紙、碳?xì)旨訜?、石墨夾具	碳紙、碳?xì)旨訜?/span>
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(diào)整）
控制方式	液晶觸摸屏自動(dòng)控制	液晶觸摸屏自動(dòng)控制/手動(dòng)控制	儀表自動(dòng)程序控溫/手動(dòng)調(diào)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(guān)）
工作時(shí)長	＜2000℃,不超過3min; 2000-3000℃,3～60S	保溫時(shí)間≤30min	保溫時(shí)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(fēng)冷	循環(huán)水冷	循環(huán)水冷
真空腔材質(zhì)	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(jí)泵4L以上可達(dá)到10Pa	前級(jí)泵4L以上可達(dá)到10Pa/ 分子泵110機(jī)組可達(dá)到1E10-3Pa	前級(jí)泵6L以上可達(dá)到10Pa/ 分子泵600機(jī)組可達(dá)到1E10-2Pa
氣體控制	一路進(jìn)氣/一路排氣	1路500SCCM，氮?dú)鈽?biāo)定	2路500SCCM，氮?dú)鈽?biāo)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