秒速3D打印陶瓷超快高温烧结工艺

供稿人:张晓宇 李涤尘
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

陶瓷作为一类重要的材料，因其具有较高的热稳定性、机械稳定性和化学稳定性而得到广泛的应用。基于第一性原理方法的计算预测对加速材料探索进程和发展改进陶瓷材料具有重要价值。从实验上证实这些预测的材料特性是至关重要的。然而，传统的陶瓷烧结工艺由于加工时间长，挥发性元素的损失导致的成分控制较差，限制了材料的筛选率。为了克服这些限制，美国马里兰大学胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亚理工大学、加州大学郑小雨教授和加州大学圣地亚哥分校骆建教授团队等人开发了一种超快高温烧结(UHS)工艺，在惰性气体环境下通过辐射加热制备陶瓷材料。文章提供了几个UHS过程的例子来展示其潜在的用途和应用，包括在固态电解质、多组分结构和高通量材料筛选方面的进展。

图1. 快速烧结工艺和陶瓷合成装置图

UHS工艺原理为将压制的陶瓷前体粉末生胚夹在两根碳条之间，碳条通过辐射和传导迅速加热生胚，能够创造出均匀一致的高温环境，用于快速合成（固态反应）和反应烧结，使陶瓷粉末迅速固化。在惰性气氛中，这些碳加热元件可以提供高达3000℃的温度，这足以合成和烧结几乎任何陶瓷材料。

除了可以对单一成分的陶瓷进行烧结，研究人员还烧结了两种材料复合的结构，并对烧结界面进行了研究。此外，除了简单的原片结构，研究人员还用3D打印机制造了复杂的晶格结构，并对其进行快速高温烧结试验，烧结后的结果显示可以保持原有的结构形状。

研究人员表示，这种方法有两重意义：“超快高温烧结代表了超快烧结技术的一项突破，这不仅是因为它普遍适用于多种功能材料，还因为其通过保留或产生额外缺陷来创造非平衡块状材料方面拥有巨大潜力。”

参考文献：
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