Rapid Pressureless Sintering of Glasses

快速无压烧结玻璃

论文亮点

研究背景

• 玻璃材料，尤其是熔融二氧化硅玻璃，因其高透明度、低热膨胀系数和高硬度等优异性能，在光学、电子和化学制造领域有广泛应用。
• 传统玻璃制造方法需要长时间热处理（高达数小时）和复杂设备，导致成本高且制造速度慢；现有快速烧结技术如火花等离子烧结（SPS）和闪烧（FS）需要压力或电场，设备复杂且成本高。
• 超快高温烧结（UHS）技术提供了一种简单、快速的替代方案，有望解决当前方法的局限性。

研究方法

本研究采用超快高温烧结（UHS）技术进行玻璃的无压快速烧结。具体方法如下：

• 使用二氧化硅纳米粉末（平均粒径11 nm）作为前驱体，通过冷等静压（CIP）在40 MPa压力下压制40秒形成坯体。
• 将坯体与碳加热器（碳毡）紧密接触，通过焦耳加热快速升温，加热速率高达10² K/s，烧结温度约1600 K。
• 烧结过程在氩气环境中进行，无需额外压力，烧结时间短至约10秒。
• 通过调整烧结时间和温度参数优化工艺，并采用溶液掺杂方法引入金属离子制备彩色玻璃。
• 使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV-Vis）和热导率测量等手段对烧结样品进行表征。

主要结论

• UHS技术实现了秒级玻璃烧结，比传统方法快1-3个数量级，烧结玻璃相对密度 >98%，可见光透射率 ≈90%。
• 方法无需压力，设备简单，电流需求低（<50 A），并可实时观察和调整烧结过程。
• UHS可扩展至功能玻璃（如ITO掺杂二氧化硅玻璃）和透明陶瓷（如Gd掺杂钇铝石榴石）的快速制备，具有广泛应用潜力。

图1: 秒级超快玻璃烧结

分析结果: UHS技术通过碳加热器实现快速加热（高达10² K/s），在几秒钟内完成玻璃致密化。与传统方法相比，烧结时间缩短1-3个数量级。烧结后玻璃变得透明均匀，显示UHS的高效性。

图2: UHS烧结过程

分析结果: UHS过程中，坯体在10秒内从室温升至1600 K，发生快速各向同性收缩（直径缩小28.7%，厚度缩小27.9%）。SEM图像显示微观结构从多孔（相对密度≈35%）演变为致密（相对密度≈98.4%），无孔隙和裂纹，证明UHS能快速实现玻璃致密化。

图3: 烧结玻璃的光学和热性能

分析结果: 烧结后玻璃在400-1000 nm波长范围内透射率≈90%，远高于未烧结坯体。热导率从未烧结的0.15 Wm⁻¹K⁻¹提高到1.46 Wm⁻¹K⁻¹，接近熔融二氧化玻璃的1.38 Wm⁻¹K⁻¹。性能提升归因于致密化减少散射和接触阻力。

图4: 烧结条件优化

分析结果: 最佳烧结条件为1600 K下5-20秒，可获得高密度（>98%）玻璃。时间过长或温度过高会导致气孔形成和密度下降。时间-温度图明确了致密烧结的绿色区域（1600 K, 5-20 s），为工艺优化提供指导。

图5: 彩色玻璃演示

分析结果: 通过溶液掺杂和UHS烧结，成功制备了蓝色（CoCl₂）、黄色（FeCl₃）和红色（CuCl₂）玻璃。毛细管效应确保均匀掺杂，UHS快速烧结动力学捕获掺杂元素，实现均匀着色，展示UHS在功能玻璃制备中的灵活性。

图6: 功能玻璃演示

分析结果: UHS制备的ITO掺杂二氧化硅玻璃（3 wt%）具有高密度（>98%）和红外吸收特性。EDX mapping显示ITO纳米颗粒均匀分布。这种玻璃在高温应用中可减少热辐射损失，克服传统涂层方法的局限性，如机械强度低和高温剥落。