秒速3D打印陶瓷超快高溫?zé)Y(jié)工藝

供稿人:張曉宇 李滌塵
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

陶瓷作為一類(lèi)重要的材料，因其具有較高的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性而得到廣泛的應(yīng)用?；诘谝恍栽矸椒ǖ挠?jì)算預(yù)測(cè)對(duì)加速材料探索進(jìn)程和發(fā)展改進(jìn)陶瓷材料具有重要價(jià)值。從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)這些預(yù)測(cè)的材料特性是至關(guān)重要的。然而，傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)工藝由于加工時(shí)間長(zhǎng)，揮發(fā)性元素的損失導(dǎo)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(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)等人開(kāi)發(fā)了一種超快高溫?zé)Y(jié)(UHS)工藝，在惰性氣體環(huán)境下通過(guò)輻射加熱制備陶瓷材料。文章提供了幾個(gè)UHS過(guò)程的例子來(lái)展示其潛在的用途和應(yīng)用，包括在固態(tài)電解質(zhì)、多組分結(jié)構(gòu)和高通量材料篩選方面的進(jìn)展。

圖1. 快速燒結(jié)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(guò)輻射和傳導(dǎo)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(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。

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。

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^(guò)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 />
參考文獻(xiàn)：
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