背景

燒結是固態物質在高溫作用下自動密實化的過程，陶瓷工業中為了節能降耗，學者們不斷在向著更低溫度并達到更好效果的方向而努力。發展到目前階段，比如會有投機取巧性質的經驗說法如，“無機非金屬材料的燒結溫度一般為0.7-0.8倍的熔點”等，但除了不嚴謹之外，也并不適用于很多材料。

突破

對于成熟的低溫共燒陶瓷技術(LTCC-Low-temperature cofired ceramics)而言，一般定義是在<900℃進行燒結。隨著技術進步，這種認知可能到了要被打破的時候。

近日，美國賓夕法尼亞州立大學的Clive Randall教授和他的同事們研發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分鐘之內就能完成燒結，很大程度上降低了工業制造成本。

同時，該技術還提高了原本不相容材料的結合能力(如陶瓷和塑料)，為人們創造出更多有用的新型復合材料提供了可能性。

過程

根據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，包括粒子大小、水添加量、pH值、溶質添加、施加的壓力、燒結溫度、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構成的，在一些系統中，你不用加壓也能制造，但在另一些系統中卻需要。在一些系統中你還需要用上納米粒子，但是在另一些系統中，完全用不上。這取決于你使用的系統和化學反應過程本身。”

Randall教授在論文中也區分了CSP冷燒工藝與水熱合成技術的區別：水熱合成是利用相反應從溶液中結晶出無水物質，通常使用密封反應容器。水熱熱壓和反應性水熱燒結可導致固化，但產物通常是多孔的。而CSP工藝的燒結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動力，這類似于液相燒結的燒結機理，但CSP是部分開放的系統，并且在燒結過程中水可以蒸發到空氣中。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。

水熱法納米氧化鐵

應用

在發明這套工藝后，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中采用CSP冷燒工藝所需的精確技術參數，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，反思許許多多已經存在的制造工藝，然后讓它們也能使用這個過程。”

粉體圈 作者：郜白

參考來源：陶城報等