A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds

一种在几秒钟内合成和烧结块体陶瓷的通用方法

论文亮点

研究背景

• 陶瓷材料因其高热稳定性、机械稳定性和化学稳定性而广泛应用于电子、能源存储和极端环境领域
• 传统陶瓷烧结方法通常需要数小时处理时间，限制了高通量材料筛选和开发，特别是对于含锂、钠等易挥发元素的陶瓷材料
• 现有快速烧结技术(如微波烧结、放电等离子烧结和闪烧)存在材料依赖性、设备昂贵或温度不足等局限性

研究方法

超快高温烧结(UHS)技术详细方法：

• 将陶瓷前驱体粉末压制的生坯直接夹在两个焦耳加热碳条之间
• 通过辐射和传导快速加热生坯，形成均匀的高温环境(最高可达~3000°C)
• 在惰性气氛中进行快速合成(固相反应)和反应烧结
• 典型工艺参数：升温时间~30秒，等温烧结~10秒，快速冷却~5秒
• 整个烧结过程可在不到1分钟内完成，远快于传统方法需要数小时的工艺
• 该方法与3D打印技术兼容，可用于制造复杂结构的陶瓷器件

主要结论

• UHS技术实现了超快陶瓷烧结(~10秒)，比传统方法快几个数量级，且能够有效控制易挥发元素(如锂)的损失
• 该方法制备的陶瓷材料具有高密度(~97%)和均匀的微观结构，性能优于传统烧结方法制备的材料
• UHS技术适用于多种陶瓷体系，包括固态电解质、结构陶瓷和功能陶瓷，为高通量材料筛选和复杂结构制造提供了新途径

图1: 陶瓷快速烧结过程与装置

图1A: UHS合成过程示意图，前驱体压坯在高达3000°C的烧结温度下约10秒内直接烧结成致密陶瓷组件

图1B和C: UHS烧结装置在室温下不施加电流(B)和在约1500°C下(C)的照片，紧密排列的加热条围绕压坯提供均匀温度分布

分析结果: UHS装置通过碳加热元件提供均匀的高温环境，实现了快速升温和冷却，为超快陶瓷烧结提供了必要条件。这种设计使得整个烧结过程可以在极短时间内完成，同时保证了温度分布的均匀性。

图2: 陶瓷材料的快速烧结

图2: (A)UHS过程的典型温度曲线，整个过程不到1分钟；(B,C)UHS烧结和传统炉烧结LLZTO的断面SEM图像；(D)不同LLZTO样品的锂损失比较；(E)UHS技术在约10秒内烧结的各种陶瓷样品

分析结果: UHS技术制备的LLZTO陶瓷具有较小的晶粒尺寸(8.5±2.0μm)和较高的相对密度(~97%)，而传统方法制备的样品晶粒更大(13.5±5μm)。更重要的是，UHS技术显著减少了锂损失(<4%)，而传统方法锂损失高达99%。这表明UHS技术在控制成分和微观结构方面具有显著优势。

图3: 用于陶瓷筛选的快速烧结技术

图3: (A)计算预测和快速合成加速材料发现的流程；(B)预测新石榴石成分的计算工作流程；(C)预测的不同稳定性石榴石成分表；(D)通过UHS技术烧结的计算预测石榴石材料；(E)共烧结100个陶瓷样品的20×5矩阵示意图；(F)共烧结10个石榴石样品的UHS装置照片；(G)厚Li电极对称电池在不同电流密度下的电压和电流曲线

分析结果: UHS技术与计算预测相结合，实现了高通量陶瓷材料筛选。通过密度泛函理论计算预测的新石榴石成分，经UHS快速验证，成功合成了多种新型石榴石化合物。UHS技术还能实现多个样品的共烧结，大大提高了筛选效率。电化学测试表明，UHS制备的石榴石固态电解质具有优异的性能，临界电流密度高达3.2mA/cm²，是目前平面石榴石基SSE报道的最高值之一。

图4: UHS烧结技术实现的结构

图4: (A,B)共烧结LATP-LLZTO双层SSE和LLZTO-Li₃PO₄复合SSE的示意图和能谱映射；(C)打印的SiOC聚合物前驱体照片；(D)UHS方法烧结的SiOC样品照片；(E)四种具有不同重复单元的UHS烧结复杂结构；(F)多层3D打印SiOC聚合物前驱体及对应的UHS烧结结构；(G)UHS烧结和传统炉烧结SiOC样品中Co和Al掺杂边界的元素映射；(H)3D打印磁通密度传感器件的压阻与磁力诱导应力的关系

分析结果: UHS技术能够烧结复杂几何形状的陶瓷结构，包括多层结构和复合材料。与传统烧结方法相比，UHS技术减少了材料间的相互扩散和副反应，保持了结构的完整性和功能性。特别是对于3D打印的多材料结构，UHS技术能够保持完美的结构配准和功能特性，而传统方法则会出现严重的元素扩散和性能下降。这证明了UHS技术在制造复杂功能器件方面的巨大潜力。