陶瓷是已知最早的人造材料,可追溯到數萬年前。那時幾乎所有的陶瓷都通過高溫加熱制成,在窯中燒制或在爐中燒結陶瓷粉末,這兩種方法都需要大量的能量。
賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程教授Clive Randall 說:“在當今時代,我們越來越意識到二氧化碳平衡的重要性,同時能源平衡,包括陶瓷,也變得非常重要,因此我們需要重新思考許多制造工藝。” Clive Randall教授帶領他的團隊開發了這個過程,“這不僅是一個低溫工藝(室溫至200℃),我們可在15分鐘內將有些致密材料壓縮至其理論密度的95%以上。現在我們制造陶瓷的速度甚至比你烤比薩餅的速度還要快,并且溫度更低。”
最近在Advanced Functional Materials期刊上的一篇文章中,Randall及其合作者描述了使用CSP方法同時燒結陶瓷和熱塑性聚合物復合材料的過程。選擇三種類型的聚合物來彌補三種陶瓷材料——微波電介質,電解質和半導體的特性,以突出適用材料的多樣性。這些復合材料展示了介電性能設計,離子和電子導電性設計的新可能性。這些復合材料在120℃下燒結15至60分鐘即可達到高密度。
研究人員稱,該方法需用幾滴水或酸溶液潤濕陶瓷粉末,顆粒的固體表面分解并部分溶于水中,從而在顆粒與顆粒的界面間產生液相。升高溫度和增大壓力會引起水的流動,以及初始致密過程中固體顆粒的重新排列。在接下來的過程中,原子或離子的團簇從顆粒接觸的地方遷離,即協助擴散,該過程最大限度地減少了表面自由能,從而使這些顆粒緊密地聚集在一起。該技術的關鍵是要知道實現該反應速率所需水分,壓力,熱量和時間的確切組合,只有這樣才能使材料完全結晶,并達到非常高的密度。
Randall說:“我認為冷燒結過程充滿了挑戰。在一些系統中,這個過程很容易,不需要壓力;而在其他情況下就需要一定的壓力;有時需要使用納米顆粒;有時又無需混合納米顆粒和大的顆粒。這全都取決于你所使用的材料體系和化學成分。”
賓夕法尼亞州立大學的團隊已經建立了在不同材料體系中使用CSP所需的精確技術庫,目前已得到驗證的有50個工藝流程,其中包括陶瓷——陶瓷復合材料,陶瓷——納米粒子復合材料,陶瓷——金屬復合材料,以及本文所討論的陶瓷——聚合物復合材料。
目前通過CSP來探索的其他領域包括結構材料,如瓷磚,保溫材料,生物醫學植入物以及許多類型的電子元件。
Randall 總結說:“我希望很多現存的制造工藝能夠使用此過程,我們會在聚合物的生產質量管理規范中不斷學習。”
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