《Science》封面文章：3D打印陶瓷燒結(jié)只需10秒鐘，速度提升1000倍

南極熊導(dǎo)讀：陶瓷3D打印越來(lái)越得到業(yè)界的重視。然而，無(wú)論是基于光固化、FDM，還是噴射等不同3D打印技術(shù)所制造的陶瓷零件，都需要后期燒結(jié)這個(gè)必不可少的工藝環(huán)節(jié)。而燒結(jié)工藝，應(yīng)用已經(jīng)非常成熟和普遍了。

2020年5月8日，南極熊注意到，《Science》雜志發(fā)表了一篇論文，馬里蘭大學(xué)（UMD）材料科學(xué)與工程系（MSE）的科學(xué)家研究了一種超快速高溫?zé)Y(jié)（UHS）新工藝。在惰性氣氛中通過輻射加熱燒結(jié)陶瓷材料，這種方法將燒結(jié)過程所需的時(shí)間縮短到10秒鐘，比傳統(tǒng)的熔爐燒結(jié)方法快1000倍以上。在固態(tài)電池、燃料電池、3D打印等行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

論文作者為美國(guó)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團(tuán)隊(duì)等人（共同通訊作者），論文題目為“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”。

下面，南極熊為您進(jìn)一步解讀這個(gè)新工藝。

作者先是介紹了UHS工藝的基本原理，如下圖所示。

圖1. 快速燒結(jié)工藝和陶瓷合成裝置； (A)UHS工藝的示意圖  ，先將前體顆粒壓制成陶瓷生柸，然后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度高達(dá)3000°C，燒結(jié)時(shí)間約10秒鐘，最終得到燒結(jié)后的組件。（B）是陶瓷生柸在常溫下的狀態(tài)；（C）是在1500℃時(shí)的狀態(tài)；

△燒結(jié)過程的動(dòng)態(tài)圖片（加速后）

研究人員表示：“ 我們將壓制的陶瓷前體粉末生坯夾在兩根碳條之間，這些碳條通過輻射和傳導(dǎo)迅速加熱生柸，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(yīng)）和反應(yīng)燒結(jié)，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(dá)3000℃的溫度，這足以合成和燒結(jié)幾乎任何陶瓷材料?！?br />
隨后，研究人員對(duì)燒結(jié)過程中，陶瓷內(nèi)部微觀形貌的變化進(jìn)行了研究，拍攝了SEM照片并進(jìn)行了對(duì)比。

圖2.陶瓷材料的快速燒結(jié)過程。(A) UHS工藝典型的溫度曲線。升溫過程約30秒，1500℃恒溫過程10秒，冷卻過程約5秒，整個(gè)過程需要<1分鐘。SEM圖像顯示了LLZTO陶瓷在10秒等溫下的反應(yīng)過程。(B和C) UHS燒結(jié)（B）和傳統(tǒng)熔爐燒結(jié)（C）LLZTO的斷裂橫斷面SEM圖像。(D)不同的LLZTO樣品的Li損失。(E) 用UHS技術(shù)在約10s內(nèi)燒結(jié)的各種陶瓷的圖片。

圖3.快速燒結(jié)技術(shù)用于陶瓷篩選

除了可以對(duì)單一成分的陶瓷進(jìn)行燒結(jié)，研究人員還燒結(jié)了兩種材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)，并對(duì)燒結(jié)界面進(jìn)行了研究。此外，除了簡(jiǎn)單的原片結(jié)構(gòu)，研究人員還用3D打印機(jī)制造了復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行快速高溫?zé)Y(jié)試驗(yàn)，燒結(jié)后的結(jié)果顯示可以保持原有的結(jié)構(gòu)形狀。

圖4.UHS燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu) 。(A和B)燒結(jié)的LATP-LLZTO雙層SSE（A）和LLZTO-Li3PO4復(fù)合體SSE（B）。(C)SiOC聚合物前體的照片。(D) 使用UHS工藝，1200℃燒結(jié)10秒鐘后SiOC樣品的照片。顯示出材料的均勻收縮率和均勻性結(jié)構(gòu)。(E)四種UHS燒結(jié)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有不同的重復(fù)單元。（F）多層3D打印SiOC聚合物前體，摻雜了Al和Co。(G)UHS燒結(jié)和傳統(tǒng)爐燒結(jié)后Co和Al摻雜邊界的元素圖譜。(H)兩種燒結(jié)工藝樣品 壓阻與磁力引起的應(yīng)力的關(guān)系。


研究人員表示，這種方法有兩重意義：“超快高溫?zé)Y(jié)代表了超快燒結(jié)技術(shù)的一項(xiàng)突破，這不僅是因?yàn)樗毡檫m用于多種功能材料，還因?yàn)槠渫ㄟ^保留或產(chǎn)生額外缺陷來(lái)創(chuàng)造非平衡塊狀材料方面擁有巨大潛力?！?br />
目前該技術(shù)由HighT-Tech LLC進(jìn)行商業(yè)化。“我們很高興看到熱解時(shí)間從數(shù)十小時(shí)減少到幾秒鐘，并在快速燒結(jié)后保留了精細(xì)的3D打印結(jié)構(gòu)。”


在南極熊看來(lái)，這項(xiàng)新工藝對(duì)于3D打印陶瓷件的生產(chǎn)具有重要意義，可以大幅縮短3D打印陶瓷件的燒結(jié)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，將進(jìn)一步推動(dòng)陶瓷3D打印用于批量生產(chǎn)的進(jìn)程。

更多詳細(xì)的研究細(xì)節(jié)，請(qǐng)閱讀論文原文。