秒速3D打印陶瓷超快高溫燒結工藝

供稿人:張曉宇 李滌塵
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

陶瓷作為一類重要的材料，因其具有較高的熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性而得到廣泛的應用。基于第一性原理方法的計算預測對加速材料探索進程和發(fā)展改進陶瓷材料具有重要價值。從實驗上證實這些預測的材料特性是至關重要的。然而，傳統(tǒng)的陶瓷燒結工藝由于加工時間長，揮發(fā)性元素的損失導致的成分控制較差，限制了材料的篩選率。為了克服這些限制，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團隊等人開發(fā)了一種超快高溫燒結(UHS)工藝，在惰性氣體環(huán)境下通過輻射加熱制備陶瓷材料。文章提供了幾個UHS過程的例子來展示其潛在的用途和應用，包括在固態(tài)電解質、多組分結構和高通量材料篩選方面的進展。

圖1. 快速燒結工藝和陶瓷合成裝置圖

UHS工藝原理為將壓制的陶瓷前體粉末生胚夾在兩根碳條之間，碳條通過輻射和傳導迅速加熱生胚，能夠創(chuàng)造出均勻一致的高溫環(huán)境，用于快速合成（固態(tài)反應）和反應燒結，使陶瓷粉末迅速固化。在惰性氣氛中，這些碳加熱元件可以提供高達3000℃的溫度，這足以合成和燒結幾乎任何陶瓷材料。

除了可以對單一成分的陶瓷進行燒結，研究人員還燒結了兩種材料復合的結構，并對燒結界面進行了研究。此外，除了簡單的原片結構，研究人員還用3D打印機制造了復雜的晶格結構，并對其進行快速高溫燒結試驗，燒結后的結果顯示可以保持原有的結構形狀。

研究人員表示，這種方法有兩重意義：“超快高溫燒結代表了超快燒結技術的一項突破，這不僅是因為它普遍適用于多種功能材料，還因為其通過保留或產生額外缺陷來創(chuàng)造非平衡塊狀材料方面擁有巨大潛力。”

參考文獻：
Chengwei Wang, Weiwei Ping, Qiang Bai, etc．A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds．《Science》 , 01 May 2020, Vol. 368, Issue 6490, pp. 521-526
https://science.sciencemag.org/content/368/6490/521
https://mp.weixin.qq.com/s/HfAWzfQEqZzLi1TzpiUf7A