冷沉积技术为不相容材料的连接开辟了新天地

材料牛注：宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发出了一种称为冷烧结工艺（CSP）的新技术，为不相容材料之间的连接开辟了新天地，比如，可将陶瓷与塑料连接形成新的复合材料，并降低多种制造业的能源成本。

陶瓷是已知最早的人造材料，可追溯到数万年前。那时几乎所有的陶瓷都通过高温加热制成，在窑中烧制或在炉中烧结陶瓷粉末，这两种方法都需要大量的能量。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授Clive Randall 说：“在当今时代，我们越来越意识到二氧化碳平衡的重要性，同时能源平衡，包括陶瓷，也变得非常重要，因此我们需要重新思考许多制造工艺。” Clive Randall教授带领他的团队开发了这个过程，“这不仅是一个低温工艺（室温至200℃），我们可在15分钟内将有些致密材料压缩至其理论密度的95％以上。现在我们制造陶瓷的速度甚至比你烤比萨饼的速度还要快，并且温度更低。”

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方法同时烧结陶瓷和热塑性聚合物复合材料的过程。选择三种类型的聚合物来弥补三种陶瓷材料——微波电介质，电解质和半导体的特性，以突出适用材料的多样性。这些复合材料展示了介电性能设计，离子和电子导电性设计的新可能性。这些复合材料在120℃下烧结15至60分钟即可达到高密度。

研究人员称，该方法需用几滴水或酸溶液润湿陶瓷粉末，颗粒的固体表面分解并部分溶于水中，从而在颗粒与颗粒的界面间产生液相。升高温度和增大压力会引起水的流动，以及初始致密过程中固体颗粒的重新排列。在接下来的过程中，原子或离子的团簇从颗粒接触的地方迁离，即协助扩散，该过程最大限度地减少了表面自由能，从而使这些颗粒紧密地聚集在一起。该技术的关键是要知道实现该反应速率所需水分，压力，热量和时间的确切组合，只有这样才能使材料完全结晶，并达到非常高的密度。

Randall说：“我认为冷烧结过程充满了挑战。在一些系统中，这个过程很容易，不需要压力；而在其他情况下就需要一定的压力；有时需要使用纳米颗粒；有时又无需混合纳米颗粒和大的颗粒。这全都取决于你所使用的材料体系和化学成分。”

宾夕法尼亚州立大学的团队已经建立了在不同材料体系中使用CSP所需的精确技术库，目前已得到验证的有50个工艺流程，其中包括陶瓷——陶瓷复合材料，陶瓷——纳米粒子复合材料，陶瓷——金属复合材料，以及本文所讨论的陶瓷——聚合物复合材料。

目前通过CSP来探索的其他领域包括结构材料，如瓷砖，保温材料，生物医学植入物以及许多类型的电子元件。

Randall 总结说：“我希望很多现存的制造工艺能够使用此过程，我们会在聚合物的生产质量管理规范中不断学习。”

原文链接：Lowering the Heat Makes New Materials Possible While Saving Energy

文献链接：Cold Sintering Process Helps Develop New Materials and Reduce Energy Cost

本文由编辑部杨洪期提供素材，王冰编译，点我加入材料人编辑部