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陶城报讯 近日，美国宾夕法尼亚州立大学材料科学和工程学专业的Clive Randall教授和他的同事们研发了一种叫做冷烧工艺(CSP - Cold Sintering Process)的新技术，最高只需200℃就能制成陶瓷，并且最短在15分钟之内就能完成烧结，很大程度上降低了工业制造成本。同时，该技术还提高了原本不相容材料的结合能力(如陶瓷和塑料)，为人们创造出更多有用的新型复合材料提供了可能性。
烧陶瓷比烤披萨更快，温度更低
最新发现的冷烧制作工艺已写成多篇论文发表在了学术期刊《高级功能材料》(Advanced Functional Materials)和《美国陶瓷学会学报》(Journal of the American Ceramic Society)等刊物上。根据相关论文介绍，CSP冷烧工艺主要应用于陶瓷及陶瓷基复合材料的烧结，用水作为临时溶剂，通过溶解-沉淀过程实现材料的烧结和致密化，这个过程温度能够维持在室温至200℃之间。并且，通过冷烧工艺所制成的样品性能已被证明与通过常规热烧结工艺制备的样品性能相同。
在另外的论文中，Randall教授也细致地描述了用CSP工艺对陶瓷和热塑性聚合物复合材料进行的共同烧结的过程，并宣称该冷烧工艺打开了陶瓷封装和微波器件开发的新时代。由于传统上陶瓷与一些其他热塑性聚合物材料的烧结温度存在巨大差异，所以陶瓷和热塑性聚合物复合材料似乎不可能结合在一起，但冷烧技术则提供了可能性，由于烧成温度控制在200℃以内，热塑性聚合物与陶瓷材料可以共同形成致密的复合材料。
为了展示这种工艺可应用材料的范围，Randall教授及其团队在论文中也选择了3种聚合物做演示，来补充3种不同陶瓷的性能(1种微波电介质、1种电解质和1种半导体)。这些材料为介电性能设计、离子和电子电导率设计提供了新的可能性。在120℃的条件下，这些复合材料仅需15到60分钟就可以烧成高密度状态。
“我们现在烧陶瓷可以比烤比萨饼更快，而且用到的温度更低。”Randall表示。
不同介电性质的材料可以通过CSP冷烧工艺进行复合烧成，已经为陶瓷封装和微波器件开发提供了简单、有效并且节能的方法。目前，Randall及其团队也正在将CSP冷烧工艺引入微波元件和封装介质基板(包括陶瓷多层基板和大规格整体陶瓷基板)的生产制造过程中。
冷烧技术是一个双重过程
根据Randall教授在论文里的描述和介绍，新的冷烧CSP技术是一个双重过程：首先，陶瓷粉末需要用少量水或酸性溶液均匀润湿，在粒子与粒子界面之间产生液相，以加速粒子溶解和运动，在特定的温度及压力下，固体颗粒在水性液相的帮助下会经历颗粒重排过程。之后，原子或离子簇会从颗粒接触处分离，从而加速扩散，使粒子表面自由能最小化，陶瓷固体颗粒在这个过程中会通过溶解-沉淀的方式致密化，沉淀来自粒子表面上外延生长的过饱和溶液。
有许多变量可以影响在CSP条件下的烧结，包括粒子大小、水添加量、pH值、溶质添加、施加的压力、烧结温度、保持时间和加热速率等。Randall也指出，知道水分，压力，热量和捕获反应速率所需的时间以确保材料完全结晶和充分致密化也是至关重要的。他表示，“冷烧工艺是由一连串不同挑战构成的，在一些系统中，你不用加压也能制造，但在另一些系统中却需要。在一些系统中你还需要用上纳米粒子，但是在另一些系统中，完全用不上。这取决于你使用的系统和化学反应过程本身。”
Randall教授在论文中也区分了CSP冷烧工艺与水热合成技术的区别：水热合成是利用相反应从溶液中结晶出无水物质，通常使用密封反应容器。水热热压和反应性水热烧结可导致固化，但产物通常是多孔的。而CSP工艺的烧结过程中并不一定具有相反应过程。CSP中的少量水溶液增加了致密化的驱动力，这类似于液相烧结的烧结机理，但CSP是部分开放的系统，并且在烧结过程中水可以蒸发到空气中。此外，CSP的设备非常简单，主要包括正常模具和压机以及由温度控制器控制的两个热板，或普通压机和用电控加热器夹套包裹的模具。
冷烧工艺可用于建筑材料及隔热保温材料制造
在发明这套工艺后，Randall教授及其团队已开始着手建立一套技术资料库，记录了多种材料系统中采用CSP冷烧工艺所需的精确技术参数，目前已达50多种。其中包括陶瓷-陶瓷复合材料、陶瓷-纳米颗粒复合材料、陶瓷-金属材料，以及上文提到的陶瓷-聚合物材料。Randall团队也宣称，不久的将来，在建筑材料(比如瓷砖)、隔热保温材料、生物医学植入物和许多电子元件的制造中，都可以应用到CSP冷烧工艺。
Randall表示，“传统上制造陶瓷和陶瓷基复合材料往往需要消耗极为庞大的热量，无论是在窑炉中烧制陶瓷还是使用超高温炉烧结陶瓷粉末，但在如今这个时代，我们必须考虑二氧化碳排放、能源预算等因素，重新思考包括陶瓷在内的许多的制造工艺，而这一切变得至关重要。我希望可以从聚合物制造中学习，反思许许多多已经存在的制造工艺，然后让它们也能使用这个过程。”
附：冷烧工艺论文索引
1、Cold Sintering: A Paradigm Shift for Processing and Integration of Ceramics(冷烧结：陶瓷加工和集成的范式转变)
2、Cold Sintering Process of Composites: Bridging the Processing Temperature Gap of Ceramic and Polymer Ma-terials(复合材料的冷烧工艺：桥接陶瓷和聚合物材料的加工温度差距)
3、Cold Sintering Pro-cess: A New Era for Ceramic Packaging and Microwave Device Development(冷烧工艺：陶瓷封装和微波器件开发的新时代)
4、Utilizing the Cold Sin-tering Process for Flexible–Printable Electroceramic De-vice Fabrication(利用冷烧工艺实现柔性-打印电子陶瓷器件的加工)
5、Cold Sintering Pro-cess: A Novel Technique for Low-Temperature Ceramic Processing of Ferroelectrics(冷烧工艺：一种新兴铁电体的低温陶瓷加工技术)
