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为了克服上述限制,美国马里兰大学胡良兵和莫一非教授、加州大学圣地亚哥分校骆建以及弗吉尼亚理工大学郑小雨等在Science上发表文章“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”,作者利用超高温烧结技术,直接在数秒内合成块体的陶瓷材料,大大加快了材料的合成速度,提升了质量,在合成固态电解质、多组分结构和高通量材料筛选上能够大显身手。
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图1. 快速烧结过程和实验结构
图1A给出了快速烧结陶瓷材料的示意图,将前驱体压成片之后,夹在两层碳纸之间,然后在碳纸两边加上电压迅速升温,使前驱体发生反应和烧结。在惰性的气氛中,这些碳纸可以在提供3000℃的高温,足够用来合成和烧结任何的陶瓷材料。短的烧结时间可以防止挥发和不想要的界面扩散。此外,这种技术还是通用的,可以适用于3D打印的陶瓷材料,此外,UHS的速度使计算新材料预测能够快速实验验证,从而促进了材料发现。一些应用可能受益于此方法,包括薄膜固态电解质和电池应用。
图2. 快速烧结过程中材料的结构变化
图2对烧结过程中,材料的结构变化进行了表征,可以看出在快速反应阶段,材料的结构由松散的颗粒,快速变成了紧密结构。并且通过与传统烧结方法的对比,表明了UHS方法能够避免Li的损失,这种烧结方法对多种陶瓷材料都是适用的。
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图3. 快速烧结用于固态电解质陶瓷材料筛选
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图4. 适用于高温烧结的材料结构
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本文展示了快速烧结技术的强大,大大加快了材料的合成速度,使得高通量材料筛选成为可能,超高的温度,超快的加热速度和退火速度提升了材料烧结的质量,此外这种技术对材料的要求比较低,是一种通用的合成技术。我们期待这种超高温烧结技术带来更多的突破!