近日，美國賓夕法尼亞州立大學材料科學和工程學專業(yè)的Clive Randall教授和他的同事們研發(fā)了一種叫做冷燒工藝(CSP - Cold Sintering Process)的新技術，最高只需200℃就能制成陶瓷，并且最短在15分鐘之內(nèi)就能完成燒結(jié)，很大程度上降低了工業(yè)制造成本。同時，該技術還提高了原本不相容材料的結(jié)合能力(如陶瓷和塑料)，為人們創(chuàng)造出更多有用的新型復合材料提供了可能性。
燒陶瓷比烤披薩更快，溫度更低
最新發(fā)現(xiàn)的冷燒制作工藝已寫成多篇論文發(fā)表在了學術期刊《高級功能材料》(Advanced Functional Materials)和《美國陶瓷學會學報》(Journal of the American Ceramic Society)等刊物上。根據(jù)相關論文介紹，CSP冷燒工藝主要應用于陶瓷及陶瓷基復合材料的燒結(jié)，用水作為臨時溶劑，通過溶解-沉淀過程實現(xiàn)材料的燒結(jié)和致密化，這個過程溫度能夠維持在室溫至200℃之間。并且，通過冷燒工藝所制成的樣品性能已被證明與通過常規(guī)熱燒結(jié)工藝制備的樣品性能相同。
在另外的論文中，Randall教授也細致地描述了用CSP工藝對陶瓷和熱塑性聚合物復合材料進行的共同燒結(jié)的過程，并宣稱該冷燒工藝打開了陶瓷封裝和微波器件開發(fā)的新時代。由于傳統(tǒng)上陶瓷與一些其他熱塑性聚合物材料的燒結(jié)溫度存在巨大差異，所以陶瓷和熱塑性聚合物復合材料似乎不可能結(jié)合在一起，但冷燒技術則提供了可能性，由于燒成溫度控制在200℃以內(nèi)，熱塑性聚合物與陶瓷材料可以共同形成致密的復合材料。
為了展示這種工藝可應用材料的范圍，Randall教授及其團隊在論文中也選擇了3種聚合物做演示，來補充3種不同陶瓷的性能(1種微波電介質(zhì)、1種電解質(zhì)和1種半導體)。這些材料為介電性能設計、離子和電子電導率設計提供了新的可能性。在120℃的條件下，這些復合材料僅需15到60分鐘就可以燒成高密度狀態(tài)。
“我們現(xiàn)在燒陶瓷可以比烤比薩餅更快，而且用到的溫度更低。”Randall表示。
不同介電性質(zhì)的材料可以通過CSP冷燒工藝進行復合燒成，已經(jīng)為陶瓷封裝和微波器件開發(fā)提供了簡單、有效并且節(jié)能的方法。目前，Randall及其團隊也正在將CSP冷燒工藝引入微波元件和封裝介質(zhì)基板(包括陶瓷多層基板和大規(guī)格整體陶瓷基板)的生產(chǎn)制造過程中。
冷燒技術是一個雙重過程
根據(jù)Randall教授在論文里的描述和介紹，新的冷燒CSP技術是一個雙重過程：首先，陶瓷粉末需要用少量水或酸性溶液均勻潤濕，在粒子與粒子界面之間產(chǎn)生液相，以加速粒子溶解和運動，在特定的溫度及壓力下，固體顆粒在水性液相的幫助下會經(jīng)歷顆粒重排過程。之后，原子或離子簇會從顆粒接觸處分離，從而加速擴散，使粒子表面自由能最小化，陶瓷固體顆粒在這個過程中會通過溶解-沉淀的方式致密化，沉淀來自粒子表面上外延生長的過飽和溶液。
有許多變量可以影響在CSP條件下的燒結(jié)，包括粒子大小、水添加量、pH值、溶質(zhì)添加、施加的壓力、燒結(jié)溫度、保持時間和加熱速率等。Randall也指出，知道水分，壓力，熱量和捕獲反應速率所需的時間以確保材料完全結(jié)晶和充分致密化也是至關重要的。他表示，“冷燒工藝是由一連串不同挑戰(zhàn)構(gòu)成的，在一些系統(tǒng)中，你不用加壓也能制造，但在另一些系統(tǒng)中卻需要。在一些系統(tǒng)中你還需要用上納米粒子，但是在另一些系統(tǒng)中，完全用不上。這取決于你使用的系統(tǒng)和化學反應過程本身。”
Randall教授在論文中也區(qū)分了CSP冷燒工藝與水熱合成技術的區(qū)別：水熱合成是利用相反應從溶液中結(jié)晶出無水物質(zhì)，通常使用密封反應容器。水熱熱壓和反應性水熱燒結(jié)可導致固化，但產(chǎn)物通常是多孔的。而CSP工藝的燒結(jié)過程中并不一定具有相反應過程。CSP中的少量水溶液增加了致密化的驅(qū)動力，這類似于液相燒結(jié)的燒結(jié)機理，但CSP是部分開放的系統(tǒng)，并且在燒結(jié)過程中水可以蒸發(fā)到空氣中。此外，CSP的設備非常簡單，主要包括正常模具和壓機以及由溫度控制器控制的兩個熱板，或普通壓機和用電控加熱器夾套包裹的模具。
冷燒工藝可用于建筑材料及隔熱保溫材料制造
在發(fā)明這套工藝后，Randall教授及其團隊已開始著手建立一套技術資料庫，記錄了多種材料系統(tǒng)中采用CSP冷燒工藝所需的精確技術參數(shù)，目前已達50多種。其中包括陶瓷-陶瓷復合材料、陶瓷-納米顆粒復合材料、陶瓷-金屬材料，以及上文提到的陶瓷-聚合物材料。Randall團隊也宣稱，不久的將來，在建筑材料(比如瓷磚)、隔熱保溫材料、生物醫(yī)學植入物和許多電子元件的制造中，都可以應用到CSP冷燒工藝。
Randall表示，“傳統(tǒng)上制造陶瓷和陶瓷基復合材料往往需要消耗極為龐大的熱量，無論是在窯爐中燒制陶瓷還是使用超高溫爐燒結(jié)陶瓷粉末，但在如今這個時代，我們必須考慮二氧化碳排放、能源預算等因素，重新思考包括陶瓷在內(nèi)的許多的制造工藝，而這一切變得至關重要。我希望可以從聚合物制造中學習，反思許許多多已經(jīng)存在的制造工藝，然后讓它們也能使用這個過程。”
