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烧陶瓷的新技术,比烤比萨还快

时间: 2016年10月20日 | 作者: admin | 来源: Sciencedaily
新的工艺可以在较低温度下快速烧制陶瓷。

 

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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)的新技术,它为结合原本不相容的材料(如陶瓷和塑料)开创了新的可能性,使人们能够创造出更多有用的新型复合材料,同时降低生产过程中的能量消耗。

 

陶瓷是最古老的人造材料之一,可以追溯到几千年前。在那时,大多数陶瓷都是通过高温加热制成的,要么在窑炉中煅烧,要么在锅炉中烧结陶瓷粉末。但是,这两种方法都会耗费巨大的能量。

 

Randall教授表示,在现代社会的运行中,我们必须非常注意二氧化碳的排放和能量的消耗。如果能改造包括陶瓷在内的很多人造材料的制造工艺,降低二氧化碳的排放和能耗,那就太好了。

 

他还说,“这不仅是一种冷烧工艺(从室温到200摄氏度),还能在15分钟之内将一些材料的理论密度增加到95%以上。我们现在制造陶瓷的速度比烤比萨还快,而且所需温度更低。

 

他们把最新发现的制作工艺发表在了学术期刊《高级功能材料》(Advanced Functional Materials)上,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烧结过程。

 

为了展示这种工艺可应用材料的范围,他们还选择了3种复合材料做演示,从而补充3种不同陶瓷(1种微波电介质、1种电解质和1种半导体)的特性。

 

试验表明,这些复合材料可以在120摄氏度的情况下,在1560分钟内被烧结至较高的密度。

 

Randall教授称,在操作的过程中,需要在陶瓷粉末中加入几滴水或是酸性溶液润湿。材料颗粒的坚硬表面会发生分解,并且部分溶解在水中,在颗粒-颗粒界面产生一种液相的状态。增加温度和压力后,水会流动,固体的粒子会在初始的致密化过程中发生重排。

 

在操作的第二步中,原子或离子簇会从颗粒接触处分离,从而加速扩散。这可使表面自由能最小化,让材料颗粒能够紧密结合到一起。其中最关键的部分是湿度、压力、热量和时间的精确组合,这样才能把握材料完全结晶、得到较高密度所需的反应速率。

 

 “我认为冷烧工艺是由一连串不同挑战构成的,”Randall教授说,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。

 

在发明这套工艺后,他们建立了一套资料库,记录了多种材料系统中采用CSP工艺所需的精确技术,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,以及本文讨论的陶瓷-聚合物材料。

 

在建筑材料(比如瓷砖)、保温材料、生物医学植入物和许多电子元件的制造中,其实也可以应用CSP系统。

 

 “我希望现有的制造工艺能够运用这项技术,它不仅解决了不相容材料互相结合的问题,还降低了能耗,减少了二氧化碳的排放,” Randall教授说。这难道不就是创新的意义么。

 

翻译:徐寒易

 

原文链接:

https://www.sciencedaily.com/releases/2016/09/160926105841.htm

 


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